淺談混凝土裂縫自愈合修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)用

文／曹純保 中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司 江蘇南京 210019

引言：

混凝土材料在受外力和自身內(nèi)部應(yīng)力的綜合作用下易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，裂縫處鋼筋容易銹蝕，影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性能?；炷亮芽p產(chǎn)生的原因有很多，本質(zhì)上可理解為混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度引起的，這些肉眼可見的裂縫往往由混凝土內(nèi)部微小裂縫發(fā)展而來，所以對這些微小裂縫的修復(fù)工作不能不重視。大體積混凝土在受到內(nèi)外溫差、養(yǎng)護(hù)條件、約束條件等因素的影響，早期不可避免發(fā)生微裂縫，不得到足夠重視，可能逐漸發(fā)展成為不可逆轉(zhuǎn)的宏觀裂縫，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性影響巨大。目前對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復(fù)主要偏重于宏觀可見裂縫，修補(bǔ)方法主要有表面處理法、填充法、灌漿法和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法等，但是對混凝土內(nèi)、外細(xì)微裂縫的修補(bǔ)難度還沒有切實(shí)可行的辦法。隨著現(xiàn)代混凝土材料發(fā)展，智能型的自愈合混凝土逐漸成為研究熱點(diǎn)，混凝土材料自動對裂縫損傷部位進(jìn)行愈合修復(fù)，甚至還能提高混凝土材料性能，保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能。

1、混凝土微觀裂縫自愈合機(jī)理

1925年Abrams發(fā)現(xiàn)混凝土具有自愈合現(xiàn)象，他注意到經(jīng)混凝土抗壓強(qiáng)度測定后的開裂試件在戶外放置8年后重新愈合，其抗壓強(qiáng)度是28 天強(qiáng)度的兩倍多，自此，對混凝土自愈合機(jī)理的研究得到了人們廣泛關(guān)注。

總結(jié)一些學(xué)者研究的自愈合機(jī)理理論，認(rèn)為混凝土裂縫處通過復(fù)雜的物理、化學(xué)業(yè)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自愈合行為，主要原因?yàn)椋海?）混凝土中未水化的水泥顆粒(如CS、CA 等)與滲透水作用，在裂縫處生成水泥水化產(chǎn)物；（2）混凝土硬化體中微溶于水的水化產(chǎn)物Ca(OH)與滲透水及空氣中的CO業(yè)應(yīng)生成的碳酸鈣在裂縫周圍結(jié)晶；（3）水滲透導(dǎo)致混凝土內(nèi)部Ca(OH)濃度降低，致使與Ca(OH)相平衡的水泥水化產(chǎn)物分解，集附在裂縫周圍；（4）空氣中的污染物如灰塵等沉落到滲透水中產(chǎn)生的裂縫愈合，這四種愈合機(jī)理主要是在水的作用下生成了新的物質(zhì)，附著于裂縫處，使裂縫愈合。上述愈合機(jī)理研究是以混凝土自身的愈合特性為出發(fā)點(diǎn)，表明混凝土在特定環(huán)境條件下（水環(huán)境），將自動生成愈合產(chǎn)物，粘結(jié)填充裂縫，提高混凝土強(qiáng)度。

2、混凝土宏觀裂縫修補(bǔ)技術(shù)

對于混凝土而言，產(chǎn)生微觀裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中的正?，F(xiàn)象，其寬度基本在2 ～5μm，主要存在于砂漿與石子粘結(jié)面。在一定的作用力下，微觀裂縫將發(fā)展為宏觀裂縫，一旦發(fā)現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，混凝土將更容易受到進(jìn)一步的損害，最后導(dǎo)致無法繼續(xù)使用。一般情況下，混凝土裂縫寬度小于0.5mm 時，不影響其結(jié)構(gòu)的使用性能。對于宏觀裂縫的修復(fù)，工程人員研究出了很多創(chuàng)新的修復(fù)技術(shù)，雖然這種裂縫修復(fù)并不能完全彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷，但是修復(fù)效果已經(jīng)比較顯著，目前對宏觀裂縫修復(fù)技術(shù)主要有：

（1）表面修補(bǔ)法。主要用于對承載力無影響的表面裂縫，大面積細(xì)裂縫以及防滲補(bǔ)漏的處理。一般對混凝土表面細(xì)微裂縫修補(bǔ)材料為涂刷水泥漿、環(huán)氧膠泥、油漆、表面鑿槽嵌補(bǔ)處理。該種方法在微裂縫不增長的情況下，能夠很好的提升抗?jié)B透性能。

（2）灌漿法。主要用于對結(jié)構(gòu)整體性有影響及有防水、防滲要求的深層裂縫及內(nèi)部缺陷的修補(bǔ)。例如水泥漿壓力灌漿，壓入深層的裂縫內(nèi)部，硬化后恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性。對于中等寬度的溫度裂縫，填充以水泥漿等種類的剛性材料和以合成橡膠、聚合物樹脂等彈性材料，用來固定裂縫，阻止裂縫進(jìn)一步發(fā)展。

（3）填充法。主要針對裂縫較少的結(jié)構(gòu)部位或鋼筋銹蝕導(dǎo)致的裂縫，一般需開鑿成U 型或V 型槽，填補(bǔ)帶有微膨脹效果的混凝土和水泥砂漿，該方法對混凝土結(jié)構(gòu)存在一定的損傷。

（4）結(jié)構(gòu)加固法。主要用于提高結(jié)構(gòu)的承載力，限制裂縫的發(fā)展或?qū)⒘芽p封閉?；炷龄摷庸?、粘膠、鉚接、焊接以及預(yù)應(yīng)力錨固等手段進(jìn)行加固。這類方法施工鉆孔時應(yīng)注意避開鋼筋，還要檢查受力后的結(jié)構(gòu)變形和受力情況。

宏觀裂縫修復(fù)使用的材料最主要特點(diǎn)是具有粘結(jié)作用，能夠在裂縫兩側(cè)粘結(jié)，產(chǎn)生粘結(jié)力，增強(qiáng)混凝土材料的強(qiáng)度和抗?jié)B性能，通過對宏觀裂縫的修補(bǔ)，雖然一定程度保障了結(jié)構(gòu)功能，但始終無法與混凝土無裂縫狀態(tài)相比，某種意義上結(jié)構(gòu)的使用性能未能完全發(fā)揮。宏觀裂縫修補(bǔ)材料的適用范圍和作用如表1所示：

表1 大體積混凝土宏觀裂縫的修復(fù)材料

3、混凝土裂縫仿生自愈合修復(fù)技術(shù)

人類骨骼在斷裂處，骨膜會產(chǎn)生一些成骨細(xì)胞，成骨細(xì)胞在斷裂處快速分裂增長，使得斷裂處重新愈合，且能恢復(fù)骨骼之前的強(qiáng)度，這種類似于生物自愈合的混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)稱為仿生自愈合修補(bǔ)技術(shù)。工程人員開始研究將生物的自愈合原理運(yùn)用于混凝土的裂縫修復(fù)上，這種仿生自愈合修復(fù)技術(shù)主要分為兩種方式：（1）通過加入活性修復(fù)材料，與混凝土內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)業(yè)應(yīng)，從而填充裂縫，形成粘結(jié)強(qiáng)度；（2）通過在混凝土中添加某些機(jī)敏材料，在混凝土出現(xiàn)裂紋時，溢出的活性化學(xué)組分開始產(chǎn)生物理化學(xué)業(yè)應(yīng)，在裂縫處生成具有粘結(jié)作用的物質(zhì)，從而達(dá)到修復(fù)愈合混凝土裂縫的效果。

美國學(xué)者提出了一種混凝土裂縫自愈合的方法，即通過預(yù)埋含有膠粘劑的纖維，用加熱的方式啟動修復(fù)，可以說這是仿生自愈合混凝土研究的開始。日本學(xué)者將注有膠粘劑（分別是水玻璃，環(huán)氧樹脂等）的空心膠囊摻入混凝土中，當(dāng)混凝土開裂，膠囊隨之破裂，膠粘劑流出對裂縫進(jìn)行修復(fù)。余劍英、李旺林等研究了滲透結(jié)晶型防水材料對混凝土裂縫自愈合能力的影響，結(jié)果表明滲透結(jié)晶型防水材料對混凝土初期宏觀裂縫有明顯的抑制作用，且具有良好的裂縫自愈能力。有學(xué)者還研究了利用微生物修復(fù)水泥基材料表面裂縫的功效，微生物結(jié)晶形成的礦物沉積方解石，但是這種愈合修補(bǔ)對混凝土抗?jié)B性能有一定的作用，對提高強(qiáng)度作用微乎其微。可以發(fā)現(xiàn)，仿生自愈合修復(fù)技術(shù)主要在裂縫產(chǎn)生初期就開始作用，隨著裂縫增大，仿生自愈合修復(fù)效果也越來越微弱。有學(xué)者還研究了形狀記憶合金（簡稱SMA），日本學(xué)者等將直徑2mm 的超彈SMA 預(yù)埋在混凝土梁中，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，與普通梁比較，SMA 提高了梁的變形能力，卸載之后，SMA梁的變形幾乎全部恢復(fù)了。采用SMA 可以對混凝土變形起到一定的恢復(fù)作用，并且可與其他方法結(jié)合，具有一定的發(fā)展前景。

4、裂縫自愈合修復(fù)技術(shù)對混凝土性能的影響

混凝土自愈合利用混凝土二次水化的特性進(jìn)行修補(bǔ)裂縫，較人工修補(bǔ)效果要好上幾倍，尤其對內(nèi)部裂縫的修補(bǔ)效果尤為明顯，而混凝土裂縫主動修復(fù)效果也受裂縫的寬度影響，效果也不盡相同。目前混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用也被工程人員所重視，對裂縫修復(fù)的效果進(jìn)行了相關(guān)評估。

裂縫修復(fù)首先改善的是混凝土抗?jié)B透性能。李厚祥等人建立泊肅葉混凝土裂縫滲水模型，確定了不同水力梯度下單位滲水量與裂縫寬度關(guān)系，得到了混凝土裂縫可能產(chǎn)生自愈合的時間及對應(yīng)的裂縫寬度。程東輝、潘洪濤通過混凝土滲水量大小，研究混凝土自愈合的情況，當(dāng)對于3mm 左右的裂縫，暴露于水環(huán)境600 小時以后裂縫可以完全愈合。如圖1所示，不同裂縫寬度的自愈合情況不同，裂縫寬度越寬，無論采用何種修復(fù)技術(shù)，其抗?jié)B透性能改善效果越差，特別的是小于0.3mm 裂縫的改善效果良好，由此得出了寬度是混凝土裂縫愈合能力的主要原因。

圖1 單位滲水量與愈合時間的關(guān)系

姚武等以超聲波的變化表征混凝土受壓開裂后的損傷程度，建立了混凝土損傷量與愈合情況的關(guān)系。結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合能力存在損傷閾值0.6 ～0.7，損傷小于該閾值范圍時隨損傷的增大，自愈合率也增大；損傷大于損傷閾值范圍時，則隨損傷的增大，自愈合率減小。由此說明裂縫愈合能力不僅和裂縫的寬度有關(guān)，還與裂縫的深度、數(shù)量有較大的關(guān)聯(lián)。

劉小艷等對混凝土自愈合的性能做了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明低等級水泥比高等級水泥同條件下的自愈合能力強(qiáng)。因此在摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰、硅灰摻合料的情況下，不僅大幅度提高混凝土劈裂強(qiáng)度，對早期微裂縫的自愈合能力有著很大的提高作用。

混凝土發(fā)生自愈合條件比較苛刻，一般情況下很難發(fā)生，即混凝土裂縫的產(chǎn)生基本是不可逆的過程。因此，混凝土工程不能完全依靠自愈合來修復(fù)裂縫，很多研究者通過研究混凝土主動修復(fù)功能，通過觸發(fā)植入在混凝土中的仿生自愈合材料，在裂縫處生長、填充，目前這類材料主要為：纖維管+膠粘劑、膠囊+膠粘劑、形狀記憶合金。

將膠粘劑注入纖維管或膠囊內(nèi)，與混凝土一起拌合、硬化，當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫時，纖維管和膠囊被撕扯至破裂，膠粘劑流出，并填充裂縫處達(dá)到自愈合效果，所不同的是膠粘劑的種類選擇。

5、混凝土裂縫自愈合修復(fù)技術(shù)存在問題

混凝土工程中不可避免的裂縫修復(fù)，主要還是靠混凝土自身的愈合特性，配合人工水養(yǎng)護(hù)條件，充分讓混凝土愈合性能發(fā)揮出來。施工過程中，利用潮濕棉布覆蓋，不斷灑水，保持一定的水力梯度，使得混凝土硬化前期出現(xiàn)的裂縫處，迅速持續(xù)地進(jìn)行水化業(yè)應(yīng)，生成水化產(chǎn)物粘結(jié)并填充裂縫處。但是對于已經(jīng)硬化已久的大體積混凝土微觀裂縫，自愈合修復(fù)能力不一定能夠解決問題，只能選擇傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法。

除了發(fā)揮混凝土自身愈合特性外，大體積混凝土在仿生自修復(fù)技術(shù)方面也有運(yùn)用，但是效果均不夠理想。首先，自修復(fù)混凝土中摻入的玻璃纖維或膠囊的制備工藝復(fù)雜，強(qiáng)度高，不易裂開實(shí)行修復(fù)，強(qiáng)度過低,拌入混凝土中易破裂，因此，應(yīng)開發(fā)與混凝土材料性能相匹配的修復(fù)纖維和膠囊的材料；其次，修復(fù)材料的數(shù)量過少不能完全修復(fù)裂縫，過多則影響混凝土的性能；第三，自修復(fù)的時間應(yīng)越快越好，目前修復(fù)劑要修補(bǔ)裂縫都需要一定時間，無法做到快速修復(fù)，避免裂縫的持續(xù)增長；第四，修復(fù)材料對混凝土性能是否有較大影響，包括拌合物和易性、外加劑適應(yīng)性、混凝土強(qiáng)度和混凝土耐久性，這些方面很多研究并未深入；第五，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，運(yùn)用這些修復(fù)技術(shù)，經(jīng)濟(jì)投入勢必非?？捎^。

結(jié)語：

（1）混凝土裂縫自愈合修復(fù)的發(fā)生與環(huán)境、材料特性和后期的養(yǎng)護(hù)等因素分不開的，裂縫寬度超出一定范圍時自愈合修復(fù)微乎其微，對于寬度小于0.3mm 微裂縫修復(fù)有顯著改善的作用；

（2）通過人工摻加具有特殊功能的機(jī)敏性材料，或者通過摻加優(yōu)質(zhì)的混凝土摻合料，再利用混凝土本身的水化特性，達(dá)到混凝土裂縫自愈合的目的，對混凝土初期產(chǎn)生的裂縫修復(fù)效果尤為顯著；

（3）混凝土裂縫仿生修復(fù)技術(shù)對強(qiáng)度、抗?jié)B性能有一定的補(bǔ)充和增強(qiáng)的作用，但是大規(guī)模運(yùn)用，還要對混凝土性能的影響、經(jīng)濟(jì)成本兩個方面充分考慮。