不同環境下混凝土裂縫自愈合的研究現狀及發展*

石寶存，張士萍，陳瑋，李成，牛龍龍，陳洵安

（南京工程學院建筑工程學院 江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著材料科學的飛速發展，混凝土憑借著成本低廉、性能效果佳、取材便利等優點，廣泛地應用于建筑、橋梁、公路等基礎設施，在我們的生活中變的隨處可見。隨著如今人們對建筑質量要求的不斷提高，混凝土的力學性能、物理性能也在不斷的提高，但混凝土實際結構受自身材料性能的限制，再加上復議期間循環荷載的作用，結構內部出現了不同程度的裂縫。這嚴重導致了混凝土的使用壽命低于它的設計壽命，極大的損害了人民經濟和社會效益。但經過諸多學者的研究發現，混凝土有著一項重要本領，它能對自身出現的裂縫有著自我修復乃至愈合的能力。如果可以正確的利用這一特性，不僅可以使出現質量缺陷的混凝土得以修復，甚至可以廢舊的混凝土起死回生。但通過研究發現，單獨靠混凝土自身的這一性能是無法完成裂縫的自愈合乃至修復的過程。國內外學者對養護條件，裂縫的特征等因素在自愈合方面的影響進行了研究，取得了一些成果。從中發現混凝土結構在不同的環境中會受到不同的影響，比如：溫度、濕度、酸堿性、應力等因素。

環境對混凝土結構的影響具有雙重作用，既可以加速混凝土內部損傷的惡化，也可以提高強化混凝土損傷的自愈合能力。如果可以弄清楚在不同環境下，混凝土裂縫愈合過程的演變機制，明確混凝土自愈合能力的最佳條件，就可以提高混凝土自愈合能力的技術途徑。

1 環境對自愈合性能的影響

不同的環境對混凝土的結構有著不同的影響，當然對于混凝土裂縫的愈合程度、強度恢復、抗滲能力等性能也都有著不同的影響效果。比如：不同pH溶液環境、不同鹽溶液環境、不同濕度環境、不同的溫度變化等。

1.1 不同pH溶液環境

2015年劉素瑞等[1]研究了混凝土裂縫在pH為7、9、11、13環境培養下裂縫的愈合程度，發現NaOH溶液環境下混凝土自愈合效果要明顯好于水環境下的混凝土，并且pH值為13的NaOH溶液的自動愈合能力最好，隨著時間的增加裂縫斷面出現的C-S-H凝膠和鈣礬石將會填充到裂縫里面，使裂縫減小甚至愈合。

因為在混凝土中堿過量經常會發生堿-骨料反應，導致混凝土開裂。但混凝土結構對適量堿的需求又是不可避免的。鄭新國等認為堿是水泥水化的穩定劑、它也是促使摻合料發揮火山灰性的激發劑，NaOH在水泥的硬化中起催化和激發作用。

1.2 不同鹽溶液環境

不同溶液的影響大多是陰陽離子在起著作用，有關對于陰陽離子的研究大多數都是在研究它對混凝土的分解破壞作用，而沒有考慮到它對于混凝土自愈能力的研究。

2012年吳澤媚[2]在相同濃度下，無論是NaCl溶液還是NaOH溶液，它們都有利于水泥的水化。而不同的實驗形式都反應相同的結果，PaulBrown[3]將少量的氯鹽加入水泥里，就會有C-S-H凝膠和Ca（OH）2大量反應，也有不容于水的F鹽生成。這與王春梅[4]的研究結果類似。也就是說他們都用實驗證明，氯鹽可以明顯地促進水泥水化程度，水泥水化產物與Clˉ離子反應生成的不溶性F鹽起到固化Clˉ離子的作用。

2015年劉素瑞等[1]對比研究了不同濃度硫酸鈉、氯化鈉、碳酸鈉（0%、2%、4%、6%）的溶液環境下，預制裂縫的混凝土表現出不同程度的自愈合能力。隨著濃度的增大，混凝土自愈合效果越來越明顯。6%硫酸鈉溶液在15d左右時就將具有裂縫的混凝土的強度已完全恢復；達到28d的時候，混凝土強度達到了137.8%，隨著時間增長到達60的時候，卻只能達到75.8%，從此也就可以看出硫酸鈉溶液對于裂縫的自愈能力相對于其余兩種溶液最為突出。大致的過程就是硫酸根離子與水化產物CH迅速反應，裂縫斷面出現的CS-H凝膠和鈣礬石將會填充到裂縫里面，將減小裂縫甚至愈合。隨著齡期延長裂縫中就會堆積較多的鈣礬石一類的物品就會在裂縫處膨脹，當膨脹顯著時，使愈合的裂縫再次愈合。相對于硫酸鈉溶液來說，氯化鈉溶液下的自愈能力就要差一點，6%氯化鈉溶液將混凝土裂縫的強度完全恢復需要30天，而在此溶液中恢復率達到100%則需要49天，60天的時候達到108.3%。氯化鈉溶液處理裂縫就是將碳酸根離子與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣沉積在裂縫斷面處，碳酸鈣堆積到一定程度將會結晶，而就有晶體填充裂縫使其愈合。

2016年李海川[5]通過裂縫測寬儀分析鹽溶液環境下裂縫的修復效果，分析對比了水泥砂漿在不同濃度鹽溶液環境下前后裂縫寬度變化，發現裂縫的修復效果一般是先升高后降低的趨勢。推斷自修復的原因是鹽溶液中隨著未水化的水泥不斷水化，不同離子與水化產物反應的生成物促進了裂縫的修復。

1.3 不同濕度環境

1995年挪威學者Stefan[6]對混凝土進行多次凍融實驗之后，將被破壞的混凝土僅僅放在水中繼續養護2~3個月，混凝土的強度就會恢復到3%~4%，Stefan還發現在裂縫邊緣有了明顯的生成物，新的水化產物大都有著相似的特征，產物在裂縫邊緣處是最密實的，相比之下新產物裂縫的中央較為松散，這也導致了裂縫的寬度的減小，經過超聲波測速實驗后發現，自愈合之后的混凝土的超聲波波速上升很快，甚至超過了初始的速度。此實驗表明未水化部分遇水重新水化形成新的混凝土顆粒，使裂縫進行愈合。劉力先經混凝土試件進行高溫處理，然后放在潮濕環境中，觀察一段時間后，混凝土表面的裂縫部分有所愈合。

經過幾年的發展，混凝土自愈合技術逐漸被發現并完善，2006年，呼和浩特機場的樓板裂縫經過幾次大雨的澆淋之后變得不在漏水。針對這一現象，楊萬科[7]進行了研究，他先將試塊分為2組，將其放在不同的情況下進行研究：一種是對試件進行拉伸試驗，在裂縫處填入新拌砂漿，放入養護池進行養護，另一種是直接在斷裂的混凝土上補全另一半，進行28天養護，然后對試件進行抗壓強度測試，所得結果達到原試件抗拉強度的70%，楊方林提出因為混凝土有濕漲干縮的特性，因此在潮濕的環境下，混凝土發生膨脹，使裂縫變小直至愈合。隨后，其檢測小組又對機場起飛跑道進行了修補，清除干凈裂縫周圍多余的已經損壞的混凝土，然后放在水中進行養護，隨后澆筑新的混凝土，該跑道至今一直被使用。進一步地證實了混凝土熱脹冷縮的特性在愈合裂縫時所起的作用。

2008年柴鵬[8]選用0.3mm厚，150*200mm的厚片插入混凝土試件進行裂縫預制，將預制裂縫的混凝土試塊分為5組，5組試塊均用溫度20°的水，相對濕度為95%以上的空氣環境進行養護，結果表明，兩種養護方法早期抗拉強度差距不大，但隨著齡期的增長，在清水中養護的混凝土試件，裂縫處的抗拉強度明顯高于普通養護條件下的強度。他也就認為為反應完全的水化水泥顆粒在20°的清水中將會繼續反應，而生成的產物將會愈合裂縫。

1.4 不同的溫度環境

在高溫環境下，水泥水化、凝結硬化速度快，水化程度大。相反則速度慢，水化程度小。因此，高溫環境對水泥混凝土裂縫的自愈合起到一定的促進作用。2003年Hans-WolfReinhardt[9]將預制裂縫的混凝土進行有關溫度的實驗，控制其他變量保持一致，將預制的混凝土裂縫放在不同的水溫環境中，研究不同溫度對混凝土裂縫的愈合能力的影響。結果發現：水溫越高，裂縫自愈合反應速率越快，愈合效果也就越好。

2013年楊文科[7]指出裂縫培養的溫度環境越低，裂縫自愈合效果越好。因為溫度較低時，水泥水化反應速率較慢，這樣未反應的剩余物變多，進而使得裂縫得到盡快填補。

2012年張軍學[10]將預制裂縫的混凝土放入3種不同的溫度環境進行培養，發現它們的抗壓強度都有明顯的增長，溫度最高環境培養下的混凝土試塊愈合效果是最好的。

2 研究自愈混凝土存在的問題

到目前為止，自愈性混凝土的研究還處于一種初級階段，研究還尚不成熟。大多都停留在試驗探索階段，對于如何將其投入到實際工程應用[11]中去和環境因素對混凝土自愈合能力有何具體影響等問題，都還沒有得到很好的解決。

（1）針對不同環境條件下混凝土裂縫的自愈合性能研究很少，且沒有明確掌握環境因素與混凝土裂縫發展之間的相關性。

（2）沒有明確揭示有利于混凝土裂縫自愈合的最佳環境條件，對于動態環境的研究也比較少。

（3）目前還沒有一個合理的可控的預制裂縫方法，這對試驗工作、數據對比和實際工程應用中都帶來了很大的麻煩。

（4）有關自修復的研究目前還未有一致的材料好壞判斷與修復效果的評價方法，有關研究應繼續進行。

（5）目前自愈合的研究主要是單個因素對其的影響，而涉及多個因素疊加影響的研究還非常少，并且還不確定什么因素對自愈合有影響，變化規律也不清楚。

3 結語

目前混凝土主要的自修復方式有：形狀記憶合金的損傷控制、基于空心光纖和空心纖維的自修復方式、基于膠囊的自修復方式[12]、微生物混凝土裂紋的自修復。雖然國內外專家對其做了大量的研究，但對于修復劑與修復載體的選擇、修復體系與基體性能的匹配、制作工藝的適應性、微生物及其載體的選擇和準備、檢測和評價方法等問題仍存在著大量的缺點或缺陷。并且對于如何建立一個有利于混凝土自愈合的激勵環境，裂縫的愈合過程的演變機制等還缺乏全面系統的研究。

智能化是未來建筑材料發展大趨勢之一，因此對自修復混凝土的研究是不可避免的。世界上的建筑材料都離不開混凝土，也可以說混凝土是所有建筑設施的根本。自修復自愈合混凝土、自感應混凝土和自調節混凝土是智能混凝土3個重要的發展方向。科學技術的不斷進步和人們環保意識的提高，傳統混凝土最終會被這種新型自修復混凝土所取代，這也是以后建筑材料科學的進步提供了新的動力。如果我們弄清楚在不同環境下，混凝土裂縫愈合過程的演變機制，明確混凝土自愈合能力的最佳條件，從而提高混凝土的自愈合能力，使混凝土結構具備防護功能，具有極大的經濟和社會效益，對保證建筑物的安全和耐久性具備一定的指導意義。