水泥基材料裂縫自愈合行為研究機(jī)理★

史 林 高祥彪 於孝牛

(1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210028； 2.溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

水泥基材料裂縫自愈合行為研究機(jī)理★

史 林1高祥彪1於孝牛2*

(1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210028； 2.溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

綜述了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)水泥基材料微裂縫自修復(fù)機(jī)理研究的相關(guān)文獻(xiàn)，歸納了對(duì)水泥基材料微裂縫自修復(fù)機(jī)理的主要研究成果及自修復(fù)機(jī)理的主要研究方法，指出水泥基材料微裂縫自修復(fù)機(jī)理和技術(shù)是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)對(duì)提高水泥基材料的耐久性和可靠性意義重大。

水泥基材料，自愈合機(jī)理，混凝土裂縫

1 背景

由于當(dāng)代經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑行業(yè)快速發(fā)展，應(yīng)用最廣泛的是水泥基材料[1]。水泥基材料裂縫是其重要缺陷，嚴(yán)重時(shí)可引起建筑物倒塌，釀成重大事故。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查報(bào)道，美國(guó)和英國(guó)每年花費(fèi)數(shù)千億美元修復(fù)水泥基材料裂縫[2]。我國(guó)大部分混凝土建筑物都存在不同程度的裂縫，在全國(guó)調(diào)查的32座大壩中，均存在不同程度的混凝土裂縫。本文對(duì)自修復(fù)機(jī)理進(jìn)行概述，自修復(fù)是將水泥基材料置于一定環(huán)境下，不依靠人為力量，進(jìn)行自主修復(fù)，對(duì)裂縫的預(yù)防和處理有重大的意義。

2 水泥基材料裂縫自愈合機(jī)理

水泥基材裂縫自愈合機(jī)理主要包括結(jié)晶沉淀[3]、滲透結(jié)晶[4]、微生物礦化修復(fù)[5]等，涉及復(fù)雜的化學(xué)、生物過(guò)程。

1)CaCO3結(jié)晶沉淀修復(fù)水泥基材料機(jī)理。Edvardsen C[4]研究提出CaCO3結(jié)晶沉淀修復(fù)水泥基材料裂縫，在CaCO3-CO2-H2O組成的物質(zhì)體系中，根據(jù)方程(1)，方程(2)形成CaCO3晶體。

(1)

(2)

2)微生物礦化修復(fù)水泥基材料裂縫機(jī)理。微生物礦化引起的礦物沉積過(guò)程中所發(fā)生的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)可以簡(jiǎn)化為：

Ca2++Cell→Cell-Ca2+

3 水泥基材料裂縫自修復(fù)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥基材料裂縫自修復(fù)取得了良好的成果[7]。對(duì)水泥基材料裂縫進(jìn)行快速及時(shí)的修復(fù)，還需要進(jìn)一步研究[8,9]。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，Abrams最早開(kāi)始研究水泥基材料裂縫自修復(fù)。Abd_Elmoaty等[10]研究了聚合物改性混凝土的自愈合機(jī)理和相關(guān)參數(shù)。Tittelboom等[11]研究通過(guò)持續(xù)水化或者CaCO3的生成影響混合組分在自主裂縫愈合的程度。Sahmaran等[12]研究結(jié)合不同輔助凝膠材料的水泥基輔材料的自愈合，力學(xué)損傷關(guān)于工程水泥基復(fù)合材料(ECCS)包含不同的補(bǔ)充膠凝材料(SCMs)的分裂拉伸變形，固化條件和氯離子滲透性。

大量實(shí)驗(yàn)證明微生物修復(fù)水泥基材料的裂縫尺寸范圍一般在0 mm～1 mm，最佳修復(fù)范圍是0.4 mm～0.5 mm。Wiktor等[13]關(guān)于研究新細(xì)菌基礎(chǔ)上自愈合混凝土裂縫愈合定量分析，量化裂紋愈合潛力和嵌入在多孔膨脹粘土顆粒的新的雙組分生化自愈合試劑，充當(dāng)蓄積粒子和替代部分混凝土集料，如圖1和圖2所示。裂紋形成后的雙組分組成的細(xì)菌孢子和乳酸鈣的生物化學(xué)劑從顆粒釋放由裂紋進(jìn)入水中。隨后的細(xì)菌引導(dǎo)碳酸鈣的形成，結(jié)果物理封閉微裂紋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明淹沒(méi)在水中100 d之后裂紋愈合，在細(xì)菌混凝土中寬高達(dá)0.46 mm愈合，至少寬0.18 mm寬的裂縫愈合。由此可知，在濕環(huán)境下這種新穎的生化自修復(fù)劑對(duì)提高混凝土耐久性方面的潛力。Zemskov等[14]用兩個(gè)數(shù)學(xué)模型考慮細(xì)菌自愈合裂縫過(guò)程。在混凝土中研究嵌入結(jié)構(gòu)中細(xì)菌是作為自愈合過(guò)程的催化劑，自主修復(fù)混凝土裂縫的能力。Wang等[15]利用硅藻土作為微生物保護(hù)媒介研究混凝土自愈合，研究的主要目標(biāo)是應(yīng)用微生物沉淀CaCO3愈合混凝土中的裂縫，因?yàn)槲⑸锾妓徕}與水泥基材料有更好的兼容性和相對(duì)于通常使用的聚合物材料更環(huán)境友好。硅藻土用來(lái)保護(hù)高pH環(huán)境的微生物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在水泥中硅藻土能夠很好地保護(hù)微生物。在水泥漿體中相對(duì)未固結(jié)微生物來(lái)說(shuō)，硅藻土固結(jié)微生物有更高的尿素分解活性。硅藻土最佳固結(jié)濃度是60%，在光學(xué)顯微鏡下自愈合過(guò)程是可視化的。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)水泥基材料裂縫自修復(fù)的研究較國(guó)外晚，近些年來(lái)，也取得了一定成果。

李冬生等[16]針對(duì)自愈合混凝土損傷缺乏有效研究手段的現(xiàn)狀，提出用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)它的損傷演化。李志強(qiáng)[17]從五個(gè)方面探討了愈合能力，認(rèn)為在一定水灰比范圍內(nèi)，混凝土損傷自愈合能力隨著水灰比的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。黃偉等[18]研究結(jié)果表明，摻加SJ滲透結(jié)晶復(fù)合材料的裂縫自愈合混凝土試件抗?jié)B性能得到明顯提高，強(qiáng)度亦有顯著改善。余劍英等[19]采用混凝土平板試驗(yàn)法，結(jié)果表明滲透結(jié)晶型防水材料對(duì)混凝土初期裂縫的產(chǎn)生有一定的抑制作用，并賦予混凝土優(yōu)良的裂縫自愈合性能。

4 展望

本文對(duì)水泥基材料裂縫自修復(fù)的化學(xué)、生物反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出關(guān)于水泥基材料裂縫尚未解決的問(wèn)題：

1)水泥基材料裂縫碳酸鈣結(jié)晶修復(fù)、微生物礦化修復(fù)裂縫尺寸范圍、深度、力學(xué)性能有待研究；2)通過(guò)X射線斷層掃描、晶體顯微鏡觀察水泥基材料裂縫自修復(fù)過(guò)程，有待研究；3)通過(guò)基因改造培育出適合高堿性生存的微生物對(duì)水泥基材料裂縫進(jìn)行高效修復(fù)，有待研究。

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Research mechanism on self-healing behavior of cracks in cement-based materials★

Shi Lin1Gao Xiangbiao1Yu Xiaoniu2*

(1.JiangsuTestingCenterforQualityofConstructionEngineeringCo.,Ltd,Nanjing210028,China; 2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)

The paper indicates the related literature for the crack self-healing mechanism of the cement-based materials at home and abroad, points out the mechanism and techniques for self-healing behavior of cracks on cement-based materials are the favorite topics in China, and the technique is meaningful for improving the durability and reliability of the cement-based materials, and sums up the main research result and methods.

cement-based material, self-healing mechanism, concrete crack

1009-6825(2017)02-0117-02

2016-11-03★：溫州大學(xué)十三五規(guī)劃-專項(xiàng)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)(項(xiàng)目編號(hào)：135010121111)

史 林(1982- ),男,工程師

於孝牛(1988- )，男，博士，講師

TU528.041

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