自修復(fù)混凝土修復(fù)效果影響因素的試驗研究

魏玉偉， 程培峰， 劉 滿， 趙倩倩,2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150050)

水泥混凝土路面能夠適應(yīng)日益發(fā)展的交通運輸所必需的載重量大、速度高、車流量大等要求，同時具有強度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、維修養(yǎng)護費用少等許多優(yōu)點.但它作為一種非勻質(zhì)脆性材料，在周圍環(huán)境的影響下極易在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生不規(guī)則且不連貫的微裂紋.這些微裂縫若不能及時修復(fù)的話會在外界因素影響下進一步發(fā)展成宏觀裂縫，從而大大降低水泥混凝土路面的耐久性和安全性[1-2].因此，如何防治及修復(fù)水泥混凝土路面的裂縫至關(guān)重要.

目前常用的裂縫修補方法有表面修補法、灌漿嵌縫封堵法、結(jié)構(gòu)加固法、混凝土置換法、電化學(xué)防護法等被動修復(fù)方式，而仿生自愈合法作為一種主動修復(fù)方式，它能夠及時修復(fù)混凝土裂縫，恢復(fù)其密實性和力學(xué)性能[3-4].

當(dāng)下，仿生自愈合法修復(fù)混凝土裂縫即自修復(fù)混凝土尚處于智能混凝土的初級階段[5]，國內(nèi)外學(xué)者在自修復(fù)混凝土技術(shù)方面展開了各種嘗試和研究.Ryu等[6]研究了電化學(xué)自修復(fù)技術(shù)，日本學(xué)者研究了不同修復(fù)材料、不同水灰比以及不同纖維摻量對修復(fù)效果的影響[7]，習(xí)志臻等[8]對水泥砂漿試件用不同修復(fù)劑修復(fù)前后的強度和斷裂韌性進行了研究，劉小艷等[9]從混凝土自身組成出發(fā)，研究了水泥強度等級、摻和料、纖維對混凝土損傷自愈合性能的影響.但目前對于裂縫修復(fù)能力影響因素的研究局限于修復(fù)材料、配合比等內(nèi)因，對于如溫度、荷載等外因的影響研究卻較少，因此，為了達到最佳的裂縫治愈效果，將影響修復(fù)效果的內(nèi)因和外因結(jié)合起來進行研究非常必要[10-11].內(nèi)置玻璃纖維管的自修復(fù)混凝土作為自修復(fù)混凝土的一種，其之所以能夠修復(fù)裂縫是在裂縫初始寬度、玻璃纖維管的數(shù)量及其放置位置、膠黏劑種類、外界環(huán)境等因素共同作用下完成的.為探究這些因素對混凝土自修復(fù)效果的影響，本文選取裂縫初始寬度大小、玻璃纖維管的放置方式及外界環(huán)境條件(溫度)為變量，用抗折強度回復(fù)率[12]來表征修復(fù)效果，進行了混凝土自修復(fù)試驗.

1 試驗概況

1.1 修復(fù)材料及其載體

修復(fù)材料為長城717膠黏劑，它是一種端異氰酸基聚醚型單液型聚氨酯膠黏劑，具有較高的黏結(jié)強度和良好的流動性[13]，這種結(jié)構(gòu)特點使其具有常溫固化、耐溫、耐油、耐酸堿等特點.

修復(fù)載體數(shù)量、修復(fù)載體與混凝土基體的力學(xué)性能是否匹配對修復(fù)效果至關(guān)重要.由于玻璃與混凝土的線膨脹系數(shù)很接近，當(dāng)溫度變化時，玻璃和混凝土不會因為產(chǎn)生相對的溫度變形而破壞兩者之間的黏結(jié)；而且玻璃是由多種氧化物組成的，計算表明其抗壓強度一般為500～2000MPa，遠高于混凝土抗壓強度，能避免因荷載等作用導(dǎo)致玻璃管先于混凝土破裂的問題[14]；此外，玻璃的抗拉強度通常為其抗壓強度的1/15左右，通過計算，可以得到在混凝土試件產(chǎn)生裂縫的同時使玻璃管破裂的適宜玻璃管尺寸[15].綜上所述，本文采用長25cm，內(nèi)徑5mm，壁厚0.5mm的中空玻璃纖維管作為修復(fù)載體.

1.2 基體材料及其配合比

試驗基體為鋼筋混凝土，尺寸為400mm×100mm×100mm，受拉區(qū)配有2根φ8鋼筋，混凝土表觀密度為2406kg/m3.原材料為：P·O 42.5水泥；細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂；5～20mm連續(xù)級配的碎石；自來水；萘系高效減水劑.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比

2 修復(fù)能力影響因素及評價指標(biāo)

2.1 影響因素

(1)裂縫初始寬度.在室內(nèi)試驗中，對于裂縫的制取有2種方式，一是在制備試件時提前放置特定寬度的鐵片，在混凝土初凝后終凝前慢慢抽出鐵片形成裂縫；二是對試件進行預(yù)壓，形成不同寬度的預(yù)裂縫.為了使裂縫最大程度地接近自然的不規(guī)則形狀，本次試驗采用預(yù)壓方式來制取裂縫.室內(nèi)試驗表明：預(yù)壓荷載為破壞荷載的50%，55%，60%，65%，70%時，與之對應(yīng)的主裂縫寬度約為0.4，0.6，1.0，1.5，2.0mm(裂縫寬度采用PTS-C10智能裂紋寬度觀測儀觀測得到).同時為了防止試驗過程中試件發(fā)生脆性破壞，在受拉區(qū)配有2根φ8鋼筋.

(2)玻璃纖維管的放置方式.試件內(nèi)部加入中空玻璃纖維管后必然會降低試件的抗折強度，試驗表明放置4根玻璃纖維管引起的抗折強度降幅明顯比放置6根玻璃纖維管時低，且放置方式為菱形和梯形時的抗折強度降幅分別為5.7%，6.1%，較其他放置方式降幅小，說明玻璃纖維管放4根、以菱形和梯形布置時對基體混凝土抗折強度造成的副作用最小.此外，玻璃纖維管的位置不能設(shè)置得太低或太高，否則膠黏劑不能修復(fù)設(shè)置位置以上的裂縫或是膠黏劑容量不足以流至裂縫底部[16].研究表明裂縫主要在試件縱向中部區(qū)域產(chǎn)生，且呈現(xiàn)由下向上的發(fā)展趨勢，因此，試驗中玻璃纖維管放4根，以菱形和梯形布置在試件的中下部，如圖1所示.

(3)外界環(huán)境條件.中國幅員遼闊，環(huán)境條件相差較大；此外，水泥混凝土路面是具有特定厚度的路面結(jié)構(gòu)，路面板不同厚度處的溫度會隨著空氣溫度的變化而不斷變化.因此，為了盡可能體現(xiàn)不同季節(jié)在不同面板厚度處的環(huán)境條件(溫度為主要環(huán)境指標(biāo))，本文搜集了哈爾濱地區(qū)近年各月份的溫濕度等數(shù)據(jù)資料(哈爾濱地區(qū)2～6月份溫度呈上升趨勢，濕度呈下降趨勢)，并參考陳延國等的研究成果[17]，選定了如表2所示的5種環(huán)境條件，這5種環(huán)境條件既可對中國各地區(qū)的平均溫度狀況進行描述，也可以對哈爾濱地區(qū)在不同季節(jié)、不同面板厚度處的溫度狀況進行描述.

表2 裂縫自愈合環(huán)境條件

2.2 評價指標(biāo)

修復(fù)效果用修復(fù)后試件的抗折強度f1與對照組試件初始抗折強度f的比值η(即抗折強度回復(fù)率)來表征.抗折強度測試采用10t液壓式萬能試驗機，跨中三分點雙集中等荷載加載，支點間跨度為300mm，計算公式見式(1).抗折強度計算應(yīng)精確至0.1MPa，由于試件是非標(biāo)準(zhǔn)試件，故計算抗折強度時要乘以尺寸換算系數(shù)0.85.

(1)

式中：P為試件破壞荷載，N；l為支座間跨度，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm.

抗折強度回復(fù)率η(%)的計算見式(2)：

(2)

3 試驗方案

3.1 試件制取

玻璃纖維管中膠黏劑的灌注及密封分3步進行：(1)用GLUE GUN GT-10熱熔膠膠槍向玻璃纖維管內(nèi)注射約3mm熱熔膠以封閉玻璃纖維管一端，封閉完的玻璃纖維管如圖2所示，之后待熱熔膠凝固后再用環(huán)氧樹脂AB膠涂抹用熱熔膠封閉后的端口以起到雙層封閉作用；(2)采用醫(yī)用注射器協(xié)同剪斷的醫(yī)用輸液帶向玻璃纖維管中注射膠黏劑，邊注射邊提升輸液帶以加快注射速度，同時最大限度地避免空氣柱的出現(xiàn)；(3)封閉注滿膠黏劑的玻璃纖維管另一端，方法同步驟(1).

圖2 熱熔膠封閉完的玻璃纖維管Fig.2 Closed fiberglass tubes

鋼筋以及注滿膠黏劑的玻璃纖維管在澆筑混凝土?xí)r按照相應(yīng)的位置放置，試件的制取過程如圖3所示。

圖3 制取試件過程Fig.3 Specimen preparation

3.2 試驗技術(shù)路線

制取好的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d后進行預(yù)壓，將預(yù)壓完成后的試件置于外界環(huán)境條件下進行自修復(fù)，7d后測其抗折強度.為了使得裂縫修復(fù)條件與實際環(huán)境條件一致，試驗分5次進行，每次取12個試件，其中10個試件進行預(yù)壓，另外2個進行標(biāo)準(zhǔn)抗折試驗.以室內(nèi)30℃恒溫烘箱這個環(huán)境條件為例，12個試件中，玻璃纖維管放置方式為菱形、梯形的試件各6個，其破壞荷載分別為PA1，PB1，則10個預(yù)壓試件的預(yù)加荷載分別為50%PA1，55%PA1，60%PA1，65%PA1，70%PA1和50%PB1，55%PB1，60%PB1，65%PB1，70%PB1.其他4種壞境條件下的試驗同理.

4 試驗結(jié)果分析

4.1 外界環(huán)境條件的影響

圖4為玻璃纖維管放置方式分別為菱形和梯形，預(yù)壓程度為50%～70%破壞荷載時，不同外界環(huán)境條件(溫度)下試件的抗折強度回復(fù)率與外界環(huán)境條件(溫度)的關(guān)系曲線.

圖4 抗折強度回復(fù)率隨外界環(huán)境條件的變化Fig.4 Flexural strength recovery rate varies with the external environmental conditions

由圖4可見，無論玻璃纖維管的放置方式是菱形還是梯形，在特定的預(yù)壓條件(預(yù)壓程度為50%～70%破壞荷載)下，試件的抗折強度回復(fù)率都隨著環(huán)境溫度的升高而升高，且隨著溫度的升高，抗折強度回復(fù)率增速整體呈加快趨勢.其中，當(dāng)玻璃纖維管的放置方式為菱形，預(yù)壓程度為55%破壞荷載時，30℃ 下的抗折強度回復(fù)率要比-15℃下的抗折強度回復(fù)率提高13.3%；當(dāng)玻璃纖維管的放置方式為梯形，預(yù)壓程度為55%破壞荷載時，30℃下的抗折強度回復(fù)率要比-15℃下的抗折強度回復(fù)率提高12.9%；另外，當(dāng)玻璃纖維管的放置方式為梯形，預(yù)壓程度為50%破壞荷載時，30℃下的抗折強度回復(fù)率達到最高值93%.這說明外界環(huán)境條件的變化對混凝土自愈合效果影響很大，一定溫度范圍內(nèi)，外界環(huán)境溫度越高，混凝土自愈合效果越好.

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是長城717膠黏劑的固化受環(huán)境條件、黏結(jié)面形狀等多種因素影響。當(dāng)溫度升高時，填充于裂縫中的長城717膠黏劑能夠較早地發(fā)生固化，與鋼筋混凝土重新形成一個牢固的整體，提高了界面黏結(jié)強度，進而使得混凝土抗折強度得到一定程度的回復(fù)。而且，由于長城717膠黏劑的固化具有一定的時限性，溫度高時，填充于裂縫中的長城717膠黏劑能夠在固化時限內(nèi)較早地發(fā)生固化，因而，隨著溫度的升高，試件的抗折強度回復(fù)率增速整體呈加快趨勢。

4.2 裂縫初始寬度的影響

圖5示出了不同環(huán)境溫度下，玻璃纖維管放置方式分別為菱形、梯形時，預(yù)壓程度為50%～70%破壞荷載的試件抗折強度回復(fù)率與預(yù)壓程度大小的關(guān)系.

圖5 抗折強度回復(fù)率隨預(yù)壓程度(裂縫初始寬度)的變化Fig.5 Flexural strength recovery rate varies with the preload degree(initial crack width)

由圖5可以看出：無論玻璃纖維管的放置方式為菱形還是梯形，預(yù)壓程度為50%破壞荷載時，混凝土的自修復(fù)能力均最強，說明裂縫初始寬度越小，混凝土自修復(fù)能力越強；當(dāng)預(yù)壓程度由60%破壞荷載變?yōu)?5%破壞荷載時，抗折強度回復(fù)率均有一個突降，說明內(nèi)置玻璃纖維管的自修復(fù)混凝土對裂縫寬度為1.0mm(預(yù)壓程度為60%破壞荷載所對應(yīng)的裂縫寬度)及以下范圍內(nèi)的微裂縫修復(fù)效果較好.

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是當(dāng)預(yù)制裂縫寬度小于1.0mm時，膠黏劑與混凝土間的界面結(jié)合程度較好，跟表面無裂縫的混凝土界面過渡區(qū)處骨料與水泥石之間的致密程度相差無幾；當(dāng)裂縫寬度為1.0mm 以上時，膠黏劑與混凝土間的界面結(jié)合程度較差，使得其修復(fù)能力大幅降低[18].

4.3 玻璃纖維管放置方式的影響

為了探究玻璃纖維管放置方式對混凝土自修復(fù)能力的影響，在玻璃纖維管的放置方式分別為菱形、梯形的條件下，對試件進行不同程度的預(yù)壓，然后讓受到損傷的試件在不同的環(huán)境條件下進行自修復(fù)，得到其抗折強度回復(fù)率與玻璃纖維管放置方式的關(guān)系，如圖6所示.

圖6 抗折強度回復(fù)率隨玻璃纖維管放置方式的變化Fig.6 Flexural strength recovery rate varies with the placement method of fiberglass tubes

由圖6可以看出，當(dāng)預(yù)壓程度和外界環(huán)境條件給定，玻璃纖維管的放置方式為梯形時，試件的抗折強度回復(fù)率均高于放置方式為菱形時，其中預(yù)壓程度為70%破壞荷載(對應(yīng)裂縫寬度約2.0mm)時，在不同外界環(huán)境條件下，玻璃纖維管放置方式為梯形的試件抗折強度回復(fù)率要比放置方式為菱形的試件平均高2.7%，說明當(dāng)預(yù)壓程度達到70%破壞荷載時，玻璃纖維管的放置方式對自修復(fù)效果起主導(dǎo)作用.

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是當(dāng)玻璃纖維管為梯形放置時，下部布置的玻璃纖維管較多，當(dāng)試件受到外部作用時，下部首先產(chǎn)生裂縫，布置在下部的玻璃纖維管破裂后流出的膠黏劑能夠較好地修復(fù)下部裂縫，而玻璃纖維管為菱形放置時對下部裂縫修復(fù)程度較弱.當(dāng)預(yù)壓程度達到70%破壞荷載時，初始裂縫寬度最大，此時玻璃纖維管放置方式即從載體中流出的膠黏劑容量能否完全填充帶裂縫的界面是主要影響因素，外界環(huán)境條件的影響則是次要的，而玻璃纖維管布置為梯形時正好能夠提供較多的膠黏劑來修復(fù)下部裂縫，所以當(dāng)裂縫初始寬度達到約2.0mm時，在一定程度上，玻璃纖維管的放置方式對自修復(fù)效果起主導(dǎo)作用.

5 結(jié)論

(1)以長城717為修復(fù)膠黏劑，以長25mm，內(nèi)徑5mm，壁厚0.5mm的玻璃纖維管為修復(fù)載體的混凝土自修復(fù)試件抗折強度回復(fù)率最高可達93%.

(2)混凝土自修復(fù)試件的抗折強度回復(fù)率隨著溫度的升高而增加，在特定的玻璃纖維管放置方式和預(yù)壓荷載條件下，30℃時的抗折強度回復(fù)率最高可比-15℃ 時的抗折強度回復(fù)率提高13.3%.

(3)在一定裂縫寬度范圍內(nèi)，混凝土自修復(fù)試件的裂縫初始寬度越小，自修復(fù)效果越好，自修復(fù)混凝土能夠修復(fù)裂縫初始寬度為1.0mm及以下范圍內(nèi)的微裂縫.

(4)玻璃纖維管的放置方式為梯形時，混凝土自修復(fù)試件的抗折強度回復(fù)率高于放置方式為菱形時的抗折強度回復(fù)率;當(dāng)裂縫初始寬度達到約2.0mm時，玻璃纖維管的放置方式對自修復(fù)效果起主導(dǎo)作用.