混凝土自修復(fù)技術(shù)的對(duì)比分析與新自修復(fù)技術(shù)研究★

胡鵬杰 方光秀 金星翰

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

0 引言

混凝土是一種不均勻且多孔脆性的水泥基復(fù)合材料，是最普遍、也最重要的建筑材料。由于在日常的使用以及所處的環(huán)境條件，混凝土構(gòu)件表面經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些微小的裂縫或裂紋。當(dāng)混凝土表面產(chǎn)生微小裂縫時(shí)，混凝土自身會(huì)出現(xiàn)拉伸變形，將超過(guò)混凝土拉伸強(qiáng)度，最終演變成宏觀的裂縫，而危害建筑安全，甚至?xí)斐蔁o(wú)法挽回的損失。因此，能夠自我愈合裂縫的自愈混凝土有效地減少了此類災(zāi)害的發(fā)生。

隨著近年來(lái)混凝土自愈性研究[1]的開(kāi)展，如何進(jìn)一步提高混凝土的自愈性能一直是一項(xiàng)難題，各種自修復(fù)技術(shù)與猜想也不斷被提出。例如：用環(huán)氧樹(shù)脂補(bǔ)強(qiáng)灌漿料以及鉆孔填塞等，不僅粘結(jié)力強(qiáng)，而且有較好的耐熱性與穩(wěn)定性。自愈混凝土是一種當(dāng)表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫時(shí)，第一時(shí)間，自身能夠通過(guò)一系列反應(yīng)釋放出修復(fù)液以進(jìn)行自我愈合的新型混凝土，其自我愈合的過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)以及物理過(guò)程。20世紀(jì)末，Carolyn Dry第一次提出自愈混凝土的概念，隨后，一些學(xué)者對(duì)此開(kāi)始了研究。目前，針對(duì)混凝土自愈性能的研究?jī)H處于探索階段，且只有美國(guó)，日本等少數(shù)國(guó)家已進(jìn)行了系列研究，至今還仍未取得突破性的進(jìn)展。

由于我國(guó)在智能復(fù)合材料的研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，楊紅等在20世紀(jì)末研究了用記憶合金與液芯修復(fù)損傷混凝土的技術(shù)，其后又首創(chuàng)了智能結(jié)構(gòu)的空心光纖研究法?；炷磷孕迯?fù)技術(shù)的出現(xiàn)，不僅減少了安全事故的發(fā)生，而且極大地降低了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。隨著進(jìn)一步提高混凝土的自愈性能，建筑物的使用壽命將會(huì)更長(zhǎng)，且安全性也會(huì)顯著提高。

1 國(guó)內(nèi)外自修復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 智能修復(fù)技術(shù)

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多種學(xué)科之間相互滲透，進(jìn)而研究出一種可以自我診斷并進(jìn)行修復(fù)的智能混凝土。它能模仿生物的生命系統(tǒng)，能對(duì)外界變化產(chǎn)生感知并作出適時(shí)靈敏的反應(yīng)，具有自我診斷、調(diào)節(jié)和修復(fù)等功能。這一技術(shù)是將微型傳感器、驅(qū)動(dòng)器、空心纖維以及處理器裝入混凝土中，微型傳感器主要由光纖組成，用來(lái)感知以及檢測(cè)混凝土各部分的變化，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿⑻幚砥饕宰龀鱿鄳?yīng)的反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的修復(fù)與調(diào)節(jié)。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化的同時(shí)，會(huì)引起傳感器中光纖的變形，導(dǎo)致通過(guò)光纖的光線強(qiáng)度、波長(zhǎng)等發(fā)生變化，根據(jù)這些變化信息可以確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形以及裂縫。在空心纖維中填充入適當(dāng)?shù)男迯?fù)液，當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí)，將通過(guò)一系列反應(yīng)，微處理器會(huì)使空心纖維釋放出修復(fù)液而修復(fù)混凝土。

通過(guò)我國(guó)對(duì)智能修復(fù)混凝土研究文獻(xiàn)[2]的收集整理與統(tǒng)計(jì)分析而得出，張妃二、姚立寧等，利用光在光纖中傳播時(shí)光強(qiáng)的衰減以及光脈沖展寬的傳輸特性，研究出空心光纖的傳輸特性與匹配特性，并組構(gòu)成一個(gè)較為完整的檢測(cè)及修復(fù)體系。他們利用注入以粘度較小的縮聚高分子溶液而組成的粘結(jié)修補(bǔ)劑，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土裂縫的修復(fù)。通過(guò)埋設(shè)在混凝土中的光纖光強(qiáng)變化，可以檢測(cè)到裂縫的產(chǎn)生，而且多模光纖在裂縫處的光強(qiáng)變化或光時(shí)域反射儀(OTDR)可以診斷與定位裂縫。研究得出，利用空心光纖注膠來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)及診斷是一種可行的方法，既及時(shí)又有效的修復(fù)混凝土裂縫。

1.2 仿生物自修復(fù)技術(shù)

隨著生物學(xué)的發(fā)展，生物組織的自我愈合能力引起了人們的關(guān)注，例如：人的皮膚被劃破后，血管擴(kuò)張充血，血漿以及各種細(xì)胞從血管中滲出，在傷口處血液和纖維蛋白經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的纖維蛋白并結(jié)成網(wǎng)狀，進(jìn)而在傷口內(nèi)逐漸形成凝塊保護(hù)傷口；骨頭折斷后，將它們對(duì)接起來(lái)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間便會(huì)自己愈合。人們受到這一自愈行為的啟發(fā)，在混凝土中加入含有粘結(jié)性修復(fù)液的液芯纖維或者微型膠囊，當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)裂縫的時(shí)候，藏于表面的液芯纖維或微型膠囊受到張力隨之開(kāi)裂并釋放出修復(fù)液流入損傷處，修復(fù)液遇空氣凝固將裂縫粘結(jié)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的自修復(fù)。具體修復(fù)原理如圖1所示。

20世紀(jì)日本東北大學(xué)的三橋博三教授等用環(huán)氧樹(shù)脂和水玻璃等化學(xué)材料作為修復(fù)劑置于空心纖維內(nèi)并裝入混凝土構(gòu)件內(nèi)，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生裂縫時(shí)，部分空心纖維隨之開(kāi)裂，釋放出修復(fù)液流入開(kāi)裂處，待修復(fù)劑凝固實(shí)現(xiàn)裂縫的修補(bǔ)。隨后Carolyn Dry等用高分子溶液做粘結(jié)劑，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試了試件經(jīng)修復(fù)前后的承載狀況，實(shí)驗(yàn)表明，被修復(fù)液修復(fù)后的試件能承受更大的荷載且部分性能得到了改善。

1.3 滲透結(jié)晶修復(fù)技術(shù)

我國(guó)的匡亞川，歐進(jìn)萍等[5]針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的滲漏以及防水材料的老化，提出了一種新型的滲透結(jié)晶自修復(fù)的方法，通過(guò)試驗(yàn)研究了無(wú)機(jī)滲透材料的摻量對(duì)混凝土性能的影響，并總結(jié)出摻量的合理使用范圍。他們選用的滲透材料是由波特蘭水泥、極細(xì)的硅砂以及多種特殊活性的化學(xué)物質(zhì)組成的灰色粉末狀的無(wú)機(jī)材料，這種材料的壽命與混凝土幾乎一致，且抗老化能力強(qiáng)、無(wú)毒無(wú)害、施工起來(lái)也較簡(jiǎn)單。在試驗(yàn)中進(jìn)行了壓縮、劈裂和滲透等3項(xiàng)試驗(yàn)，并且分別測(cè)其抗壓、抗拉強(qiáng)度的恢復(fù)率和二次抗?jié)B壓力。

在壓縮試驗(yàn)中用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，待澆筑后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行加載，初始階段的加載速度率為3 kN/s，當(dāng)達(dá)到400 kN時(shí)，則采用等位移速度加載，加載速率為0.1 mm/min。整理加載數(shù)據(jù)后得知，滲透結(jié)晶材料調(diào)動(dòng)了水泥的積極性，并顯著提高了混凝土的力學(xué)性能，而修復(fù)裂縫后的強(qiáng)度也有一定的恢復(fù)，摻量較大時(shí)修復(fù)能力較強(qiáng)。

劈裂及抗拉強(qiáng)度的恢復(fù)率試驗(yàn)初始階段加載速率200 N/s，當(dāng)荷載達(dá)到50 kN時(shí)，采用等位移速度加載，其加載的速率為0.05 mm/min，直到試件表面出現(xiàn)第一條裂縫停止，而后將出現(xiàn)裂縫的試件重新置于養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，之后進(jìn)行第2次加載，用兩次劈裂荷載之比來(lái)體現(xiàn)修復(fù)能力。對(duì)比數(shù)據(jù)后得知滲透結(jié)晶材料的加入使混凝土的抗拉強(qiáng)度得到了顯著的提升。

2 自修復(fù)技術(shù)的對(duì)比分析

智能修復(fù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且在修復(fù)裂縫時(shí)具有反應(yīng)迅速、節(jié)省材料、效率高等特點(diǎn)，在力學(xué)性能方面，智能修復(fù)后的混凝土強(qiáng)度會(huì)有所提高，智能混凝土的產(chǎn)生，大大節(jié)省了人力物力，其通過(guò)電子元件實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以將混凝土的各種信息數(shù)據(jù)傳達(dá)至電腦端，極大地方便了我們對(duì)混凝土性能的研究。目前，智能修復(fù)技術(shù)仍有很大的研究?jī)r(jià)值，其應(yīng)用前景非常廣闊。

仿生物自修復(fù)技術(shù)是人們從生物組織中受到啟發(fā)研究出來(lái)的，這種自修復(fù)技術(shù)大大節(jié)省了自愈混凝土的成本，且施工較為容易。將內(nèi)含修復(fù)液的微型膠囊或液芯纖維加入混凝土中，對(duì)混凝土的配合比影響較小，并且對(duì)其抗壓、抗彎等力學(xué)性能影響較小。被愈合后的混凝土試塊能夠承受更大的荷載，且其延展性、柔韌性也得到較大的改善。

滲透結(jié)晶修復(fù)技術(shù)不僅可以提高混凝土的強(qiáng)度恢復(fù)率和抗?jié)B恢復(fù)率，而且該技術(shù)對(duì)于細(xì)小裂縫的修復(fù)效率較高，滲透結(jié)晶材料可以明顯改善混凝土裂縫的自愈合效果，并且降低裂縫深度。在混凝土中摻入適量的水泥基滲透結(jié)晶材料能夠增加混凝土的密實(shí)性，并且可以提高混凝土抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗?jié)B壓力，其中抗?jié)B壓力的提高最大。在滲透結(jié)晶混凝土開(kāi)裂后，在一定的條件下養(yǎng)護(hù)，性能會(huì)得到較好的恢復(fù)，在一定的范圍內(nèi)，摻量越大修復(fù)能力就越大。

3 新型的混凝土自修復(fù)方案

在混凝土中加入內(nèi)含修復(fù)液的微型膠囊，不僅可以節(jié)省成本，又能提高混凝土的承載性能以及延展性，而滲透結(jié)晶技術(shù)則可提高強(qiáng)度恢復(fù)率和對(duì)細(xì)小裂縫的修復(fù)率，并且可以明顯改善混凝土裂縫的自愈合效果，降低裂縫深度。因此，若將兩種技術(shù)結(jié)合或許可以進(jìn)一步提高混凝土的修復(fù)效果與力學(xué)性能。

其施工的具體流程與關(guān)鍵控制點(diǎn)如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

1)混凝土的自修復(fù)技術(shù)仍需進(jìn)行大量的研究和改進(jìn)，目前的自修復(fù)技術(shù)還存在較大的缺陷和不足。

2)混凝土自修復(fù)技術(shù)可有效治理裂縫等質(zhì)量通病，在節(jié)約經(jīng)濟(jì)和減少工程事故等方面起到重要作用。

3)本文提出了新型混凝土自修復(fù)技術(shù)方案的修復(fù)原理、優(yōu)點(diǎn)與施工流程以及質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)，可為后續(xù)的試驗(yàn)研究提供參考。