水泥基材料裂縫自愈合行為研究機理★

史 林 高祥彪 於孝牛

(1.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210028； 2.溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

水泥基材料裂縫自愈合行為研究機理★

史 林1高祥彪1於孝牛2*

(1.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210028； 2.溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

綜述了國內外近年來水泥基材料微裂縫自修復機理研究的相關文獻，歸納了對水泥基材料微裂縫自修復機理的主要研究成果及自修復機理的主要研究方法，指出水泥基材料微裂縫自修復機理和技術是國內外近年來的研究熱點，該技術對提高水泥基材料的耐久性和可靠性意義重大。

水泥基材料，自愈合機理，混凝土裂縫

1 背景

由于當代經濟和科學技術的發展，建筑行業快速發展，應用最廣泛的是水泥基材料[1]。水泥基材料裂縫是其重要缺陷，嚴重時可引起建筑物倒塌，釀成重大事故。據文獻調查報道，美國和英國每年花費數千億美元修復水泥基材料裂縫[2]。我國大部分混凝土建筑物都存在不同程度的裂縫，在全國調查的32座大壩中，均存在不同程度的混凝土裂縫。本文對自修復機理進行概述，自修復是將水泥基材料置于一定環境下，不依靠人為力量，進行自主修復，對裂縫的預防和處理有重大的意義。

2 水泥基材料裂縫自愈合機理

水泥基材裂縫自愈合機理主要包括結晶沉淀[3]、滲透結晶[4]、微生物礦化修復[5]等，涉及復雜的化學、生物過程。

1)CaCO3結晶沉淀修復水泥基材料機理。Edvardsen C[4]研究提出CaCO3結晶沉淀修復水泥基材料裂縫，在CaCO3-CO2-H2O組成的物質體系中，根據方程(1)，方程(2)形成CaCO3晶體。

(1)

(2)

2)微生物礦化修復水泥基材料裂縫機理。微生物礦化引起的礦物沉積過程中所發生的復雜的化學反應可以簡化為：

Ca2++Cell→Cell-Ca2+

3 水泥基材料裂縫自修復研究現狀

近年來，國內外對水泥基材料裂縫自修復取得了良好的成果[7]。對水泥基材料裂縫進行快速及時的修復，還需要進一步研究[8,9]。

3.1 國外研究現狀

在國外，Abrams最早開始研究水泥基材料裂縫自修復。Abd_Elmoaty等[10]研究了聚合物改性混凝土的自愈合機理和相關參數。Tittelboom等[11]研究通過持續水化或者CaCO3的生成影響混合組分在自主裂縫愈合的程度。Sahmaran等[12]研究結合不同輔助凝膠材料的水泥基輔材料的自愈合，力學損傷關于工程水泥基復合材料(ECCS)包含不同的補充膠凝材料(SCMs)的分裂拉伸變形，固化條件和氯離子滲透性。

大量實驗證明微生物修復水泥基材料的裂縫尺寸范圍一般在0 mm～1 mm，最佳修復范圍是0.4 mm～0.5 mm。Wiktor等[13]關于研究新細菌基礎上自愈合混凝土裂縫愈合定量分析，量化裂紋愈合潛力和嵌入在多孔膨脹粘土顆粒的新的雙組分生化自愈合試劑，充當蓄積粒子和替代部分混凝土集料，如圖1和圖2所示。裂紋形成后的雙組分組成的細菌孢子和乳酸鈣的生物化學劑從顆粒釋放由裂紋進入水中。隨后的細菌引導碳酸鈣的形成，結果物理封閉微裂紋。實驗結果表明淹沒在水中100 d之后裂紋愈合，在細菌混凝土中寬高達0.46 mm愈合，至少寬0.18 mm寬的裂縫愈合。由此可知，在濕環境下這種新穎的生化自修復劑對提高混凝土耐久性方面的潛力。Zemskov等[14]用兩個數學模型考慮細菌自愈合裂縫過程。在混凝土中研究嵌入結構中細菌是作為自愈合過程的催化劑，自主修復混凝土裂縫的能力。Wang等[15]利用硅藻土作為微生物保護媒介研究混凝土自愈合，研究的主要目標是應用微生物沉淀CaCO3愈合混凝土中的裂縫，因為微生物碳酸鈣與水泥基材料有更好的兼容性和相對于通常使用的聚合物材料更環境友好。硅藻土用來保護高pH環境的微生物，實驗結果表明在水泥中硅藻土能夠很好地保護微生物。在水泥漿體中相對未固結微生物來說，硅藻土固結微生物有更高的尿素分解活性。硅藻土最佳固結濃度是60%，在光學顯微鏡下自愈合過程是可視化的。

3.2 國內研究現狀

國內對水泥基材料裂縫自修復的研究較國外晚，近些年來，也取得了一定成果。

李冬生等[16]針對自愈合混凝土損傷缺乏有效研究手段的現狀，提出用聲發射技術來監測它的損傷演化。李志強[17]從五個方面探討了愈合能力，認為在一定水灰比范圍內，混凝土損傷自愈合能力隨著水灰比的增大呈現逐漸增大的趨勢。黃偉等[18]研究結果表明，摻加SJ滲透結晶復合材料的裂縫自愈合混凝土試件抗滲性能得到明顯提高，強度亦有顯著改善。余劍英等[19]采用混凝土平板試驗法，結果表明滲透結晶型防水材料對混凝土初期裂縫的產生有一定的抑制作用，并賦予混凝土優良的裂縫自愈合性能。

4 展望

本文對水泥基材料裂縫自修復的化學、生物反應過程進行了分析，根據國內外研究現狀，提出關于水泥基材料裂縫尚未解決的問題：

1)水泥基材料裂縫碳酸鈣結晶修復、微生物礦化修復裂縫尺寸范圍、深度、力學性能有待研究；2)通過X射線斷層掃描、晶體顯微鏡觀察水泥基材料裂縫自修復過程，有待研究；3)通過基因改造培育出適合高堿性生存的微生物對水泥基材料裂縫進行高效修復，有待研究。

[1] 張 譽.混凝土結構基本原理[M].北京：中國建筑工業出版社,2000.

[2] 曹雙貧,邱洪興,干恒華.結構可靠性鑒定與加固技術[M].北京：中國水利水電出版社,2002.

[3] 劉 穎,胡傳斯,陳忠江,等.材料自愈合途徑[J].北京工業大學學報,1998,24(2):108-110.

[4] Edvardsen,C.Water permeabzlity and alltogenous healing of cracks in conerete[J].ACI Materials Journals,1999,96(4):448.

[5] 蔣正武.水泥基材料裂縫自愈合的研究進展[J].材料導報,2003,17(4):39-42.

[6] 袁雄洲,孫 偉,陳惠蘇.水泥基材料裂縫微生物修復技術的研究與進展[J].硅酸鹽學報,2009,37(1):160-169.

[7] 李金玉,曹建國.水工混凝土耐久性的研究和應用[M].北京：中國電力出版社,2004.

[8] 楊振杰,齊 斌,劉阿妮,等.水泥基材料微裂縫自修復機理研究進展[J].石油鉆探技術,2009(37):124-128.

[9] Turner,L.The Autogenous Healing of Cement and Concrete:Its Relation to Vibrated Concrete and Cracked Concrete[A].International Association for Testing Materials,London Congress[C].1937:19-24.

[10] Abd_Elmoaty M and Abd_Elmoaty.Self-healing of polymer modied concrete[J].Alexandria Engineering Journal,2011(50):171-178.

[11] Tittelboom,K.V.,Gruyaert,E.,Rahier,H.,ect..Influence of mix composition on the extent of autogenous crack healing by continued hydration or calcium carbonate formation[J].Construction and Building Materials,2012(37):349-359.

[12] Sahmaran.M.,Yildirim.G.,Erdem.T.K..Self-healing capability of cementitious composites incorporating different supplementary cementitious materials[J].Cement & Concrete Composites,2013(35):89-101.

[13] Wiktor,V.,Jonkers,H.M.Quanti cation of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete[J].Cement & Concrete Composites,2011(33):763-770.

[14] Zemskov,S.V.,Jonkers,H.M.,Vermolen,F.J..Mathematical Models to Predict the Critical Conditions for Bacterial Self-healing of Concrete[J].Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2012:108-121.

[15] Wang,J.Y., Verstraete,D.B.W..Diatomaceous earth as a protective vehicle for bacteria applied for self-healing concrete[J].J Ind Microbiol Biotechnol,2012(39):567-577.

[16] 李冬生,匡亞川,胡 倩.自愈合混凝土損傷演化聲發射監測及其評價技術[J].大連理工大學學報,2012,52(5):701-706.

[17] 李志強.混凝土損傷自愈合能力影響因素研究[D].濟南：濟南大學,2011.

[18] 黃 偉,王 平,尹萬云,等.滲透結晶型裂縫自愈合混凝土的抗滲性能及其機理[J].混凝土,2010(8):28-30.

[19] 余劍英,李旺林,郭殿祥,等.滲透結晶型防水材料賦予混凝土裂縫自愈合性能的研究[J].研究與應用,2009(8):14-16.

Research mechanism on self-healing behavior of cracks in cement-based materials★

Shi Lin1Gao Xiangbiao1Yu Xiaoniu2*

(1.JiangsuTestingCenterforQualityofConstructionEngineeringCo.,Ltd,Nanjing210028,China; 2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)

The paper indicates the related literature for the crack self-healing mechanism of the cement-based materials at home and abroad, points out the mechanism and techniques for self-healing behavior of cracks on cement-based materials are the favorite topics in China, and the technique is meaningful for improving the durability and reliability of the cement-based materials, and sums up the main research result and methods.

cement-based material, self-healing mechanism, concrete crack

1009-6825(2017)02-0117-02

2016-11-03★：溫州大學十三五規劃-專項引進人才科研啟動經費(項目編號：135010121111)

史 林(1982- ),男,工程師

於孝牛(1988- )，男，博士，講師

TU528.041

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