量化混凝土裂縫自愈合性的方法

（延邊大學(xué)，吉林 延邊 133002）

0 引言

水泥基材料是脆性材料，易受內(nèi)外溫差、物理收縮、濕度變化以及周圍環(huán)境中循環(huán)荷載的作用等影響，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生不同程度的裂縫或損傷。這將會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，甚至出現(xiàn)脆性斷裂。混凝土自愈合性成為修復(fù)工程的重要手段，但在實(shí)驗(yàn)室研究中如何量化水泥的自愈性能是進(jìn)行論證自愈合有效性的重要環(huán)節(jié)。本文通過(guò)收集整理有關(guān)評(píng)價(jià)水泥基材料自愈合性的文獻(xiàn)資料，得到如下文獻(xiàn)綜述。

1 表征觀察類量化方法

表征觀察類的方法主要以表面裂縫寬度、愈合顆粒結(jié)構(gòu)形貌、物相分析、強(qiáng)度對(duì)比的方面進(jìn)行量化，這類方法直接對(duì)自愈性能裂縫寬度進(jìn)行觀察，能以十分直觀的方式，并通過(guò)明顯的數(shù)據(jù)對(duì)比分析影響混凝土自愈性各種因素，并且實(shí)驗(yàn)操作方便最為方便。這類大多屬于無(wú)損檢測(cè)[1](NDT)，不改變混凝土結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，大多使用物理類方法。

李海川[2]在采用壓力機(jī)制造自然裂縫，適用高倍GTJ-FKY 裂縫寬度測(cè)試儀對(duì)砂漿試樣表面裂縫寬度延展以及修復(fù)進(jìn)行觀察，對(duì)不同鹽環(huán)境下的砂漿裂縫寬度的自愈合情況進(jìn)行了微觀分析，并以28d 的裂縫修復(fù)程度和強(qiáng)度增長(zhǎng)率為量化指標(biāo)。馬強(qiáng)等[3]使用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察砂漿表面愈合后形成的顆粒形貌。觀察發(fā)現(xiàn)使用涂料使得砂漿在裂縫修復(fù)后的結(jié)構(gòu)表面更致密，并且保護(hù)膜與砂漿界面融合后，增加了膜厚。Suleiman[4]以光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡作為主要觀測(cè)手段，但對(duì)裂縫填充物進(jìn)行物相分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)裂縫修復(fù)程度起最大作用的水化產(chǎn)物為碳酸鈣。其中物相分析作為檢測(cè)有效填充產(chǎn)物的重要手段，Palin[5]Jonker 等人用元素吸收峰的原理，采用能量色散光譜法進(jìn)行自愈合產(chǎn)物元素的分析。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究認(rèn)為愈合機(jī)理以生成碳酸鈣為主，碳離子、鈣離子與水對(duì)碳酸鈣的形成起主要原因。碳酸鈣有在表觀上有明顯的結(jié)構(gòu)并且自身帶顏色，這使得裂縫的表征觀察顯著直觀。但由于內(nèi)部的裂縫接觸的含水率、含氣量均與外部不同，表面裂縫修復(fù)率難以反映實(shí)際的內(nèi)部情況，雖然研究大多以試件性質(zhì)如抗壓、抗折強(qiáng)度[2]作為量化指標(biāo)，但表面裂縫對(duì)于整個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度以及耐久性的影響程度是不足的。針對(duì)這樣以鈣離子沉淀為機(jī)理的試驗(yàn)，大多使用三點(diǎn)彎曲法制造表面裂縫，除此外可以嘗試采用人為制造內(nèi)部裂縫的方法。延永東等[6]在研究氯離子對(duì)砂漿侵蝕實(shí)驗(yàn)中，用不銹鋼材質(zhì)的鋼片預(yù)埋在砂漿中，鋼片的厚度決定裂縫寬度，同樣裂縫深度可通過(guò)改變鋼片插入長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行控制。如下圖1.1，在俯視視角，上可觀察裂縫寬度與修復(fù)，將其從中間劈開(kāi)，即可觀察對(duì)內(nèi)部自愈合產(chǎn)物進(jìn)行微觀與物相分析。但仍與真是內(nèi)部裂縫有很大的差異。

圖1.1 可控裂縫人為制造示意圖

2 內(nèi)部滲透的量化方法

這類更與實(shí)際情況貼合，大多是常規(guī)的破損檢測(cè)，利用超聲波、傳感器、射線衍射、流動(dòng)實(shí)驗(yàn)、毛細(xì)吸水率等方法進(jìn)行量化。

李冬生[7]等利用混凝土為多孔材料，其內(nèi)部裂縫摩擦?xí)l(fā)出一定聲頻的特性，提出用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)混凝土的損傷演化。并以損傷聲發(fā)參數(shù)信號(hào)變化的劇烈程度為量化指標(biāo)，并能從不同的波形體現(xiàn)出不同時(shí)期裂縫擴(kuò)展程度。

楊振杰[8]等將混凝土自愈合性用于改善天然氣井套間過(guò)大的氣竄壓力，針對(duì)性的對(duì)天然氣井的特殊環(huán)境采用XAN-RC 封堵模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將試樣的抗氣竄作為自愈性量化指標(biāo)。

方永浩[9]等采用滲透性實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同寬度、裂縫試件在不同水力梯度△p/h 下測(cè)量滲透速率口隨滲透時(shí)間t 的變化，來(lái)評(píng)價(jià)水泥石的自愈合性能，并用SEM，EDS，XRD 等技術(shù)分析裂縫壁面結(jié)構(gòu)和物相成分組成。

孫凌[10]等以充滿修復(fù)劑的中空玻璃纖維管為修復(fù)元件，通過(guò)建立中空玻璃纖維管內(nèi)壓力與修復(fù)劑溢出量的關(guān)系模型進(jìn)行量化，分析了修復(fù)劑溢出量的影響因素等。

這類量化手段對(duì)表征量化缺失的實(shí)際性進(jìn)行了補(bǔ)充，但研究過(guò)程中常常將環(huán)境的各因素分開(kāi)進(jìn)行單一研究，，而且在某些特殊領(lǐng)域，比如對(duì)加有遇油自愈合材料水泥的自愈合性能的量化方法還不完善。這類特殊材料的水泥如何量化是進(jìn)行研究的首要問(wèn)題。

3 總結(jié)

本文主要對(duì)評(píng)價(jià)水泥自愈合性的方法中的各種量化手段進(jìn)行了分析，從表征觀察、內(nèi)部滲透方面等方面展開(kāi)探討，以促進(jìn)自愈合性評(píng)價(jià)方法的發(fā)展。

（1）目前自愈合研究采用的測(cè)試方法復(fù)雜多樣，運(yùn)用不同的檢測(cè)方法，得到的愈合效果有時(shí)相差甚大，究竟采用哪種測(cè)試方法更加合理，需要結(jié)合自愈合材料的功能機(jī)理和所處的環(huán)境進(jìn)行比較優(yōu)選，以使自愈合技術(shù)更加具備實(shí)用性。

（2）水泥基材料組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，而且對(duì)于特殊領(lǐng)域的水泥材料的評(píng)價(jià)方法應(yīng)額外考慮，因此，對(duì)于評(píng)價(jià)方法如何適用于多種領(lǐng)域仍待考究。

（3）對(duì)于實(shí)際裂縫應(yīng)考慮環(huán)境因素的多種耦合，大多數(shù)研究中都將因素進(jìn)行單一實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行縱向?qū)Ρ取Ｈ狈?duì)真實(shí)環(huán)境的考慮。且研究集中在促進(jìn)裂縫修復(fù)率，少有對(duì)自愈合生成物的發(fā)明，目前最常見(jiàn)的生成物仍然是以鈣離子為主。