水泥砂漿裂縫在不同養(yǎng)護(hù)條件下的自愈合效果

李海川，榮　輝，楊久俊（.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特　0000；天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津　300384；3.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州　50640）

水泥砂漿裂縫在不同養(yǎng)護(hù)條件下的自愈合效果

李海川1，榮輝2，3，楊久俊2
（1.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010；2天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；3.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640）

研究了不同寬度的水泥砂漿裂縫在自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)3種養(yǎng)護(hù)條件下的自愈合效果，并采用X射線衍射、掃描電鏡等微觀測試技術(shù)對其效果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:對于寬度為0.01 mm的水泥砂漿裂縫，在水中養(yǎng)護(hù)28 d后可愈合90%，強(qiáng)度增長率最高，可達(dá)9.31%，水化產(chǎn)物最多，而在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)下愈合程度分別為50%和0，強(qiáng)度增長率分別為5.77%和2.17%；對于寬度為0.02 mm的水泥砂漿裂縫，在水中養(yǎng)護(hù)28 d后可愈合20%，而在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)下愈合程度分別為10%和0。

養(yǎng)護(hù)條件；水泥砂漿；裂縫；裂縫寬度；自愈合；微觀產(chǎn)物

裂縫作為混凝土結(jié)構(gòu)最為常見的破壞形式，直接影響了混凝土工程的耐久性和使用壽命。宏觀破壞性裂縫的出現(xiàn)意味著材料整體失效。分析裂縫成因并提前采取預(yù)防措施是防止不可逆轉(zhuǎn)裂縫出現(xiàn)的一種有效方法［1］，但該方法比較繁瑣。被廣泛采用的方法是在破壞性裂縫出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)其位置［2］并及時采用合適方法進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)前，混凝土裂縫修復(fù)方法很多，主要分為外部修復(fù)（電解沉積、滲透結(jié)晶、結(jié)晶沉淀）和內(nèi)部自修復(fù)［3］2類。其中，自修復(fù)方法主要包括向混凝土中加入中空纖維（管）［4-5］、微膠囊［6-7］、膨脹劑［8］、形狀記憶合金［9］、微生物［10-11］等材料來實(shí)現(xiàn)混凝土的自修復(fù)。在上述自修復(fù)方法中，利用混凝土自身的組成特點(diǎn)，通過改變混凝土的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，刺激其內(nèi)部未水化水泥顆粒的繼續(xù)水化來實(shí)現(xiàn)裂縫修復(fù)的研究較少，并且在現(xiàn)有的不同修復(fù)方法中，明確探討不同寬度下裂縫自愈合效果的文章并不多。因此，本文研究了不同寬度的水泥砂漿裂縫在自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及水中養(yǎng)護(hù)條件下的自愈合效果，并對其影響機(jī)理進(jìn)行分析，以期通過改變水泥基材料所處的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，進(jìn)而激發(fā)未水化水泥繼續(xù)水化的潛能，最終確定水泥基材料獲得最佳自愈合效果的養(yǎng)護(hù)條件，以及在這些養(yǎng)護(hù)條件中裂縫實(shí)現(xiàn)自修復(fù)的閾值。

1　試驗(yàn)過程

1.1原材料

水泥為天瑞集團(tuán)鄭州水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，其28 d實(shí)測抗折強(qiáng)度為8.0 MPa，抗壓強(qiáng)度為52.9 MPa，比表面積為340 m2/kg，初凝時間為197 min，終凝時間為253 min。水泥的化學(xué)組成如表1所示。細(xì)骨料為普通河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.94，滿足中砂的級配要求。水為自來水。

表1　水泥的化學(xué)組成 %

1.2水泥砂漿樣品制備

按水泥∶砂∶水=1∶4∶0.55的配比制作砂漿樣品，具體成型方法及強(qiáng)度檢測按《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》（GB/T 17671—1999）進(jìn)行。試件尺寸為100 mm ×100 mm×300 mm。

1.3裂縫制作及觀測

試件脫模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行裂縫制作。在砂漿樣品上粘貼應(yīng)變片，當(dāng)壓力機(jī)對樣品緩慢施壓時，通過觀察應(yīng)變值的變化及試件表面的開裂程度，制作≤0.02 mm的裂縫。具體步驟如下：

1）樣品表面處理：用酒精棉清潔需要粘貼應(yīng)變片部位，用環(huán)氧樹脂及固化劑調(diào)和的膠體對擦過酒精的地方進(jìn)行打底處理，使其表面平整并涂上A，B膠。

2）粘貼應(yīng)變片：將應(yīng)變片粘貼在 A，B膠上，注意防止產(chǎn)生氣泡。

3）連線：通過導(dǎo)線聯(lián)結(jié)應(yīng)變儀與應(yīng)變片。過程中注意保護(hù)應(yīng)變片，防止受潮變形。為了防止溫度對應(yīng)變值的影響，需要在應(yīng)變儀上接一個試樣做溫度補(bǔ)償。

4）裂縫壓制：將聯(lián)結(jié)好的砂漿試樣垂直放在電液式壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓制。壓制過程中注意觀察應(yīng)變儀上數(shù)據(jù)的變動，及時用裂縫測寬儀觀察試樣上裂縫的擴(kuò)展，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到符合試驗(yàn)要求時，及時卸載，讀取此時的應(yīng)變值以及荷載值。

5）裂縫觀測：通過40倍GTJ-FKY裂縫測寬儀觀測砂漿試樣裂縫寬度。將鏡頭緊靠裂縫，調(diào)整探頭方向，當(dāng)裂縫與主機(jī)顯示器刻度尺垂直時，標(biāo)記并讀出裂縫的寬度。

6）養(yǎng)護(hù)：隨后將制備的帶有不同裂縫寬度的水泥砂漿樣品分別在自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，然后再觀測其裂縫寬度。

1.4力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及礦物組成

水泥砂漿在不同養(yǎng)護(hù)條件下的力學(xué)性能測試按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009）進(jìn)行。同時為了探明裂縫在不同養(yǎng)護(hù)條件下的愈合產(chǎn)物化學(xué)成分及形貌特征，用砂紙對愈合后的裂縫表面輕微摩擦得到不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的水化產(chǎn)物，并采用X射線衍射分析儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析裂縫處形成的礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)果與討論

2.1愈合前后尺度對比及閾值的確定

裂縫寬度分別為0.01，0.02 mm的砂漿試樣分別在自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、水中養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，其愈合前后的效果如圖1、圖2所示。

圖1　不同養(yǎng)護(hù)條件下0.01 mm裂縫愈合前后對比

圖2　不同養(yǎng)護(hù)條件下0.02 mm裂縫愈合前后對比

由圖1、圖2可以看出，在自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，0.01 mm與0.02 mm的裂縫幾乎沒有愈合的趨勢；在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，由于空氣濕度增加，0.01 mm與0.02 mm的裂縫分別有50%和10%發(fā)生愈合；隨著濕度繼續(xù)增加，在水溶液中盡管0.02 mm的裂縫愈合效果不太好，僅有20%左右的裂縫發(fā)生愈合，但是0.01 mm的裂縫已經(jīng)幾乎完全愈合，愈合率達(dá)90%以上。

由以上試驗(yàn)可知，裂縫發(fā)生愈合的關(guān)鍵條件是水的存在。在水中養(yǎng)護(hù)條件下，≤0.01 mm的裂縫能夠完全愈合。

2.2愈合前后強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)條件的關(guān)系

愈合后砂漿試樣的強(qiáng)度增長率=（愈合后強(qiáng)度-愈合前強(qiáng)度）/愈合前強(qiáng)度。不同濕度養(yǎng)護(hù)條件下預(yù)制裂縫（0.01 mm）砂漿試樣愈合前后的抗壓強(qiáng)度及愈合后砂漿試樣的強(qiáng)度增長率如表2所示。可知，開裂試樣在不同濕度養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，強(qiáng)度都有所提升，其中自然養(yǎng)護(hù)條件下，砂漿試樣的強(qiáng)度增長率最低，僅有2.17%，而水中養(yǎng)護(hù)條件下，砂漿試樣的強(qiáng)度增長率則達(dá)到了9.31%，是這3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中強(qiáng)度增長率最高的一組。可見，隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度的升高，預(yù)制裂縫試樣的強(qiáng)度增長率也有所升高。這是由于未水化的水泥顆粒能夠繼續(xù)水化的基本條件是水的存在，在自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，雖然空氣中存在一定的水分，但是這樣的濕度僅僅能夠促使裂縫表面少量的未水化水泥顆粒繼續(xù)水化，這樣少量的水化產(chǎn)物不足以填堵裂縫，因此不能實(shí)現(xiàn)裂縫的愈合；在水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，預(yù)制裂縫表面完全與水接觸，大量未水化的水泥顆粒在這樣優(yōu)越的條件下得以繼續(xù)水化，相對于前面的兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境，水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下得到的水化產(chǎn)物更多，這些產(chǎn)物不斷在裂縫處聚集、交叉、堆疊，最終使得0.01 mm裂縫實(shí)現(xiàn)了愈合，但是這些水化產(chǎn)物的生成量難以將0.02 mm裂縫堵塞，因此不能實(shí)現(xiàn)愈合。

表2　裂縫愈合前后抗壓強(qiáng)度及愈合后試樣的強(qiáng)度增長率

2.3自愈合產(chǎn)物微觀分析

為了弄清不同濕度環(huán)境下裂縫處的生成產(chǎn)物，采用XRD對養(yǎng)護(hù)28 d后裂縫表面的生成物進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。圖中2θ為衍射角。

圖3　不同濕度條件下愈合產(chǎn)物XRD圖

由圖3可知，在不同濕度的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，裂縫處的生成產(chǎn)物沒有特別大的區(qū)別，主要包括以下幾種：5CaO·3SiO2·2H2O（簡寫為C-S-H），CH，AFt及CaCO3等。其中在水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境中C-S-H，CH的特征峰最為明顯，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境次之，自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的衍射峰沒有前兩者明顯。這是由于，養(yǎng)護(hù)一定齡期的砂漿試樣其內(nèi)部組成物水化的比例是一樣的，經(jīng)預(yù)制裂縫后，暴露出來的未水化部分在合適的條件下將繼續(xù)水化，而水分的存在是未水化部分繼續(xù)水化的必要條件。水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，充足的水分有力地促使水化反應(yīng)的進(jìn)行，因此生成大量的水化產(chǎn)物 C-S-H和 CH，同時空氣中一部分CO2溶入水中，與裂縫處生成的部分CH反應(yīng)生成了不溶于水的CaCO3，有利于裂縫的愈合。

圖4中（a），（b），（c）分別為預(yù)制裂縫砂漿試樣在自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、水中養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，裂縫斷面的掃描電鏡照片。

圖4　不同濕度條件下裂縫斷面SEM圖

由圖4（a）可知，自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，由于空氣濕度低，不利于未水化水泥顆粒的繼續(xù)水化，因此水化產(chǎn)物不明顯，不利于裂縫愈合；圖4（b）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，當(dāng)裂縫表面未水化水泥顆粒接觸到空氣中的水蒸氣將發(fā)生水化反應(yīng)，生成少量的細(xì)長針狀鈣礬石、團(tuán)絮狀C-S-H凝膠及顆粒狀CaCO3，只能將裂縫的某些片段填塞，不能實(shí)現(xiàn)完全愈合；圖4（c）水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，裂縫表面未水化水泥顆粒完全浸沒在水中，裂縫斷面處形成大量絮狀 C-S-H凝膠和針柱狀的鈣礬石，且片狀CH與溢進(jìn)水中的 CO2反應(yīng)，生成一定量顆粒狀的CaCO3，這些產(chǎn)物緊貼在裂縫表面，形成薄而致密的一層，有利于寬度0.01 mm以下的裂縫完全愈合。

3　結(jié)論

1）不同寬度的水泥砂漿裂縫在不同養(yǎng)護(hù)條件下自愈合效果不同。其中以水中養(yǎng)護(hù)效果最佳，其次為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，最后為自然養(yǎng)護(hù)。

2）寬度為0.01 mm時，水泥砂漿裂縫在水中養(yǎng)護(hù)28 d后可愈合90%，強(qiáng)度增長率最高，可達(dá)9.31%，水化產(chǎn)物最多。而在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)下，愈合程度分別為 50%和 0，強(qiáng)度增長率分別為 5.77%和2.17%；對于寬度為0.02 mm的水泥砂漿裂縫，在水中養(yǎng)護(hù)28 d可愈合20%，而在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)下愈合程度分別為10%和0。

3）未水化水泥繼續(xù)水化的主要原因是水分的存在。隨著濕度提高，未水化水泥水化產(chǎn)生的 C-S-H凝膠、CH、AFt及CaCO3等水化產(chǎn)物增多，有助于裂縫實(shí)現(xiàn)愈合。

［1］岳銳強(qiáng).橋梁混凝土裂縫成因分析［J］.公路，2010（5）：183-187.

［2］王炎炎，李振國，羅興國.混凝土裂縫的修復(fù)技術(shù)簡述［J］.混凝土，2006（3），91-93.

［3］蔣正武.國外混凝土裂縫的自修復(fù)技術(shù)［J］.建筑技術(shù)，2003，34（4）：261-262.

［4］THAO T D P，JOHNSON T J S，TONG Q S，et al.Implementation of Self-healing in Concrete-Proof of Concept［J］.Civil Structure Engineering，2009，2（2）：116-125.

［5］匡亞川，歐進(jìn)萍.內(nèi)置纖維膠液管鋼筋混凝土梁裂縫自愈合行為試驗(yàn)和分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38（4）：53-59.

［6］BOH B，SUMIGA B.Microencapsulation Technology and its Applications in Building Construction Materials［J］.Materials Geoenvironmental，2008，55（3）：329-344.

［7］歐進(jìn)萍，匡亞川.內(nèi)置膠囊混凝土的裂縫自愈合行為分析和試驗(yàn)［J］.固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（3）：320-324.

［8］SISOMPHONA K，COPUROGLU O，KOENDERS E A B.Selfhealing of Surface Cracks in Mortars with Expansive Additive and Crystalline Additive［J］.Cement and Concrete Composites，2012（34）：566-574.

［9］TAWIL S E，ROSALES J O.Prestressing Concrete Using Shape Memory Alloy Tendons［J］.ACI Structural Journal，2004，101（6）：846-851.

［10］TITTELBOOM K V，BELIE N D，MUYNCK W D，et al.Use of Bacteria to Repair Cracks in Concrete［J］.Cememt and Concrete Research，2010（40）：157-66.

［11］SERGUEY V Z，HENK M J，F(xiàn)RED J V.Amathematical Model for Bacterial Self-healing of Cracks in Concrete［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2012（3）：1-9.

（責(zé)任審編周彥彥）

Self-Healing Effects of Cement Mortar Crack Under Different Curing Conditions

LI Haichuan1，RONG Hui2，3，YANG Jiujun2
（1.Neimenggu Traffic Design and Research Institute Co.，Ltd.，Huhehaote Neimenggu 010010，China；2.School of Material Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；3.State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510640，China）

T he self-healing effects of cement mortar crack with different width under natural environment，standard curing and water curing were studied and the effects were analyzed by micro measurement technology including X-ray diffraction（XRD）and scanning electron microscope（SEM）.T he results show that the healing rate of cement mortar crack with width of 0.01 mm is 90%under the water curing for 28 d，the strength growth rate reaches 9.31%and is the highest and there are the most hydration products，the healing rate of cement mortar crack is 50% and 0 and strength growth rate is 5.77%and 2.17%under the standard curing and natural environment respectively，the healing rate of the cement mortar crack with width of 0.02 mm is 20%under the water curing for 28 d，and the healing rate is 10%and 0 under the standard curing and natural environment respectively.

Curing condition；Cement mortar；Crack；Crack width；Self-healing；M icro-product

李海川（1977— ），男，高級工程師。

TU528

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.35

1003-1995（2016）07-0143-04

2016-02-19；

2016-04-23

國家自然科學(xué)基金（51372163）；華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2016ZB23）