國外混凝土裂縫自修復技術的研究近況

鄭捷

（上海市退（離）休高級專家協(xié)會土木建筑專業(yè)委）

0 前言

混凝土構筑物由于經(jīng)常受到設計上未加考慮的應力作用，當應力超過限值以上時，則因混凝土的抗拉強度遠小于抗壓強度而產(chǎn)生裂縫。在 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)程》中規(guī)定了構件最大裂縫寬度的允許值。雖然有些裂縫符合規(guī)范設計要求，對施工性能和使用并無不利影響，但從混凝土耐久性方面考慮，外部環(huán)境中存在的 CO2及 Cl-極易滲透到混凝土內(nèi)部引起鋼筋銹蝕致裂縫進一步擴大，進而增加了長期維護費用。因此在混凝土微小裂縫形成的初始階段，能通過混凝土的自修復得到愈合是我們所期待的，以此產(chǎn)生的對混凝土裂縫自修復技術的研究逐漸受到人們的重視。本文針對國外近年來在混凝土裂縫自修復技術領域的研究進展作一概述，希望能對有關工程技術人員有所啟迪。

1 混凝土裂縫自修復的分類與評價

1.1 混凝土裂縫自修復的分類

混凝土裂縫的自修復是指未水化的水泥基材料進行再水化的現(xiàn)象。人們從這種潛在的具有自己治愈微裂縫的現(xiàn)象中得到啟發(fā)，進而利用摻合料或者在混凝土組成材料中添加、埋設其他材料、機能性裝置，從材料設計上促進混凝土的自修復。在日本由數(shù)所大學及相關企業(yè)組成“JCI－TC075B 水泥系自修復的評價與利用方法研究委員會”，匯總整理了有關混凝土裂縫自修復的研究事例，對各種混凝土裂縫的自修復現(xiàn)象進行了分類，見表1[1]。

表1 中的愈合和修復雖然都表達了混凝土裂縫得到愈合這種現(xiàn)象，實際上是有區(qū)別的。前者所表示的是通過水泥基材料的再水化析出碳酸鈣，包括使用適合的摻合料達到或促進裂縫愈合的現(xiàn)象。后者則表示人為地采用某種技術手段如發(fā)熱裝置、形狀記憶合金等達到自動修復裂縫的目的。簡而言之，混凝土裂縫的自修復可以分為兩大類，即一類是起到愈合作用，如低水膠比中未水化的水泥再次水化，水工混凝土構筑物中裂縫的自然愈合，當然還包括利用磨細粉煤灰等其他摻合料或者利用生物技術促進混凝土裂縫的愈合。而另一類則是在混凝土中預先埋設如特殊的微膠囊、發(fā)熱裝置等，從設計角度出發(fā)在外部干預情況下達到裂縫自動修復的目的。

表1 混凝土自修復的分類

本文將重點闡述利用粉煤灰、化學短纖維以及生物技術促進裂縫愈合的研究事例，并按目前我國實際研究情況統(tǒng)稱為混凝土裂縫自修復技術。

1.2 混凝土裂縫自修復的評價

從目前的研究報道來看，有文獻認為微裂縫的自修復寬度在 0.1mm 以下，也有文獻認為在 0.5mm 以下。以往采用的評價方法是通過荷載試驗（如抗拉、抗彎）或凍融循環(huán)試驗產(chǎn)生微裂縫，然后再次養(yǎng)護，實施同樣的試驗以測試其強度、剛性、能量吸收（荷重－位置曲線下的面積）的恢復程度及相對動彈性模量進行評價。近年來在試驗方法上也有通過測試透水量的變化、氯離子侵蝕的程度、超聲波傳播速度的變化來評價自修復的效果。總之，試驗評價方法較多，尚未形成統(tǒng)一的評價方法和指標。

2 粉煤灰的火山灰反應在混凝土裂縫自修復中的作用和評價

磨細粉煤灰作為一種廣泛使用的摻合料與水泥組成復合膠凝系統(tǒng)。在混凝土裂縫的自修復過程中粉煤灰中的活性組分與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣進行“二次反應”。同時該“二次反應”也說明了摻入粉煤灰的混凝土具有早期強度低、后期強度高、強度增長持續(xù)時間長的特點。正因為粉煤灰的膠凝性質具有潛在水化時間長的特性，從而為混凝土微裂縫提供了自修復的可能性。

為了正確評價粉煤灰在混凝土裂縫的自修復效果，進藤義勝等[2]對添加Ⅱ級磨細粉煤灰及未添加的兩種試件經(jīng)壓力荷載和電化學腐蝕加速劣化后，在促進自修復的環(huán)境中進行 28d 養(yǎng)護。然后測試混凝土的電阻值及超聲波傳播速度。試驗要素見表2[2]。

表2 試驗要素

在促進混凝土裂縫自修復的養(yǎng)護條件下，分析養(yǎng)護開始后至第8 周的超聲波傳播速度及電阻值的變化。

（1）由于超聲波在混凝土中傳播速度的快慢與混凝土的密實度有直接關系。對于相同原材料、同一配合比，且齡期、測試距離一定的試件，聲速高則混凝土密實，當存在裂縫或空隙時，混凝土試件的整體性受到破壞，傳播路徑增大傳播速度必然下降。試驗結果表明摻入粉煤灰的混凝土試件經(jīng)壓力荷載后，在 40℃水中促進自修復養(yǎng)護后超聲波傳播速度得到恢復，速度增加率顯著增大。

（2）混凝土電阻值的測定是在混凝土試件促進自修復養(yǎng)護 8 周取出后進行的，由于試件的含水狀態(tài)對電阻測定有較大影響，因此試件需在 20℃的恒溫室內(nèi)靜置一周后測定。試驗結果說明摻加粉煤灰的試件其電阻值要明顯大于未摻粉煤灰的試件，而且摻加粉煤灰的試件的電阻值隨著促進自修復養(yǎng)護時間的增加而增大。

（3）試驗還表明經(jīng)過促進自修復養(yǎng)護后的試件比未經(jīng)劣化的健全試件的抗壓強度增長率要大，而且在40℃水中養(yǎng)護后的試件抗壓強度增長率顯著增大。

在促進自修復的養(yǎng)護環(huán)境下，粉煤灰的“二次水化”反應發(fā)揮了自修復作用，粉煤灰的充填效應以及后期的水化反應使混凝土內(nèi)部的空隙組織致密化。

3 化學纖維在混凝土裂縫自修復中的作用和評價

化學纖維作為水泥基的復合材料可以有效控制各種因素引起的裂縫，改善混凝土材料的脆性，防止混凝土原生裂縫的形成和擴大。在混凝土自修復技術方面化學纖維在促進混凝土微小裂縫愈合上又將起到怎樣的作用，是人們所關心的。崔希燮等[3]選取 PVA（聚乙烯醇）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）三種纖維，對于事先由抗拉荷載引發(fā)的微小裂縫試件給予一定的養(yǎng)護條件，分析混凝土試件表面、內(nèi)部的組織變化，測定其透水性及析出物的數(shù)量，判斷混凝土裂縫自修復的效果。

3.1 試驗概要

試件尺寸為 85mm×85mm×25mm，成型后置于溫度為 20℃，濕度為 60% 的恒溫恒濕環(huán)境下，在水中養(yǎng)護 28d 后取出。經(jīng)抗拉強度試驗導入 0.3mm 的微小裂縫。試驗要素及條件如表3[3]所示。

表3 試驗要素與條件

3.2 試驗結果的評價與分析

3.2.1 透水性能

為了比較各種纖維在促進養(yǎng)護條件下的自修復效果，分別對試件進行透水試驗，測定其裂縫發(fā)生后及促進養(yǎng)護后單位時間失水量，并觀察透水系數(shù)的變化。結果顯示，PVA 纖維試件的透水系數(shù)最低，其次是 PE 纖維試件，而摻 PP 纖維的試件透水系數(shù)最高。在所選用的摻入 PVA 纖維試件在水+微氣泡自修復養(yǎng)護 7d 后防水性能恢復程度達到試驗產(chǎn)生裂縫時的 40 倍。而在 Ca(OH)2＋微氣泡自修復養(yǎng)護 7d 后其防水性能恢復程度達 460 倍，三種纖維防水性能優(yōu)劣順序為 PVA＞PE＞PP。試驗表明對于 0.3mm 微小裂縫而言，Ca(OH)2＋微氣泡的促進自修復養(yǎng)護效果明顯要好于水+微氣泡的養(yǎng)護環(huán)境。

3.2.2 裂縫的愈合情況

應用光學顯微鏡對試件表面觀察裂縫愈合效果發(fā)現(xiàn)無論采用水+微氣泡或 Ca(OH)2＋微氣泡所進行的自修復養(yǎng)護，表面都有白色析出物質。經(jīng)拉曼光譜分析確認為碳酸鈣。只不過摻入 PVA 纖維的試件表面裂縫完全愈合，PE 纖維試件部分愈合，而 PP 纖維試件基本沒有白色物質析出。同時在所析出的碳酸鈣量化上也印證了自修復效果依次為 PVA＞PE＞PP。

如前所述，在有水分供給的環(huán)境下，對于微小裂縫經(jīng)水泥基材料的再水化而析出的碳酸鈣可以充填裂縫取得愈合的效果。這種自修復的化學反應式如下所示[3]：

受上式啟發(fā)，在促進自修復養(yǎng)護期間給試件增加 CO2微泡沫水溶液或 Ca(OH)2微泡沫水溶液，增加 Ca2+，將促使析出更多新的 CaCO3礦化物，有助于微小裂縫的愈合。以上試驗還說明具有親水極性基的 PVA 纖維與不具有親水極性基的 PE、PP 纖維相比較裂縫愈合效果顯著，這是因為 PVA 纖維良好的親水性能使得與水泥漿體的粘附力優(yōu)于其他種類的纖維。

4 微生物在混凝土裂縫自修復中的作用和評價

談及微生物，人們對硫酸鹽還原菌（SRB）對下水道混凝土的腐蝕有深刻的印象。由于 SRB 在繁殖過程中釋放出 H2S，而 H2S 與 O2的結合形成的硫酸會對鋼筋混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，這是微生物導致腐蝕破壞的一個典型事例。與此同時人們也發(fā)現(xiàn)某些微生物的繁殖活動在一定條件下具有析出 CaCO3的功能，從而為混凝土裂縫的自修復打開了另一扇門。

利用微生物修復混凝土裂縫主要是通過微生物的代謝作用與混凝土中的鈣離子反應生成 CaCO3晶體使裂縫閉合而達到修復的目的，從而為混凝土裂縫的修復提供了新的技術途徑。Xu 等[4]將所導入的裂縫寬度為 5mm 的試件在不能分解尿素的細菌中分別加入乳酸鈣溶液和谷氨酸鈣溶液中浸漬 30d 然后評價其裂縫愈合的效果。結果顯示在細菌中加入谷氨酸鈣的試件愈合效果要好于加入乳酸鈣的試件。可能的原因是兩者鈣離子轉化為 CaCO3的效率有顯著差異。

Wiktor 等[4]對地下停車場因裂縫而漏水的混凝土樓板進行微生物修補試驗，由堿性細菌、硅酸鈉、葡萄酸鈉組成的 A 溶液與堿性細菌、硝酸鈣組成的 B 溶液交替噴涂在裂縫處達飽和狀態(tài)，經(jīng) 2 個月后裂縫完全閉合。

利用微生物修復混凝土裂縫需要關注的是混凝土是一種高堿性材料，對微生物的活性有制約作用而影響了微生物的代謝，因此如何在高堿環(huán)境下營造出一種能適合微生物菌群正常代謝活動的內(nèi)部環(huán)境，保持微生物的礦化活性是利用微生物修復的關鍵。Farmani 等[4]利用微硅粉置換 20% 的水泥以降低混凝土的 pH 值。試驗所用的微生物是芽胞八疊球菌屬并獲得了成功。Wang 等[4]提出將孢子化的細菌裝入直徑為 5μm 的微膠囊作為一種保護方法，微膠囊能經(jīng)受攪拌并和水泥漿體充分結合，當試件遭破壞產(chǎn)生裂縫時，只要裂縫中有水分流入，遭破壞膠囊內(nèi)的細菌孢子就能發(fā)芽析出 CaCO3使裂縫自動愈合。

5 結語

并不是所有的混凝土微小裂縫在形成初期會給結構安全或使用功能帶來影響，但微小裂縫造成的滲水現(xiàn)象將直徑導致混凝土長期性能的損害。尤其在商品住宅建造中關系到住戶的切身利益，施工過程中不可忽視。

以上所概述的粉煤灰、化學纖維、微生物技術用于混凝土裂縫自修復技術的研究，至少可以給到我們以下幾點啟示：

第一，對于粉煤灰、化學纖維等外摻料人們往往從改善混凝土各項性能的角度加以關注，實際上這些材料所存在的潛在功能還遠未被我們認識，這恰恰需要我們不斷地去挖掘、發(fā)現(xiàn)。

第二，微生物技術看似與混凝土無關，但近年來微生物技術用于砂質地基加固、用于除冰劑所造成混凝土路面破裂的修復等等都取得了顯著的成果。因此微生物與傳統(tǒng)混凝土技術相結合可以產(chǎn)生出新的聯(lián)想空間，也給混凝土技術創(chuàng)新打開了新的思路。

混凝土內(nèi)部或表面所生成的微小裂縫雖然極其微小實則危害甚大，而且肉眼難以捕捉，若用儀器探測需要耗費大量人力物力，因此從這個意義上講開展混凝土裂縫自修復技術的研究是非常有必要的。目前，盡管該項技術的研究應用取得了一定的成果，但是離實際工程應用還有距離，隨著研究工作的推進，相信混凝土裂縫自修復技術必將在工程中得到應用。