混凝土損傷自愈合能力影響因素研究

吳風(fēng)穩(wěn)　劉文旭　楊成玉

【摘要】混凝土以優(yōu)異的耐久性被廣泛用于各種工程建筑之中，也是目前使用最為普遍的一種工程材料，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中處于十分重要的地位。但是由于混凝土本身會受到物理收縮、內(nèi)外氣候溫差等各種不利因素的干擾，不可避免地會造成混凝土中的一些局部的損傷，直接影響到原材料正常使用，甚至還會直接導(dǎo)致混凝土工程倒塌，造成一些不可預(yù)測的損失，基于此本文就混凝土的自愈合性能影響因素展開研究。

【關(guān)鍵詞】混凝土損傷;自愈合;影響因素

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、超聲波無損檢測的應(yīng)用

混凝土無損檢驗(yàn)是一種泛指在不損害混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其使用特性的條件下，運(yùn)用聲學(xué)、光、熱、電、磁、射線等直接計(jì)算測量檢驗(yàn)手段[1]。超聲波主要振動指的就是各種超聲波通過各種彈性介質(zhì)的機(jī)械振動在各類彈性介質(zhì)之間的振動傳遞，本質(zhì)上來說就是各種波形在通過其他超聲波或者其他彈性材料之間振動傳遞的機(jī)械振動。超聲波檢測方法是目前在工業(yè)中進(jìn)行無損檢測中使用最廣泛的一種檢測方法之一，在無損檢測的應(yīng)用情況下，超聲波檢測方法主要適用于鍛造、雕刻、焊接等各種機(jī)械零部件，物理性能檢測的應(yīng)用情況下，可以通過使用超聲波檢測方法對材料的厚度、硬度和強(qiáng)度、結(jié)晶程度、殘余應(yīng)力和連接頭的強(qiáng)度進(jìn)行無損檢測。超聲波的頻率指向性技術(shù)相對來說應(yīng)該是一個(gè)很好的技術(shù)選擇，頻率用的越多時(shí)其指向性也就越好。超聲波音頻傳播的化學(xué)能量大，對于各種化學(xué)物質(zhì)和金屬材料的運(yùn)動貫通性和穿透作用能力強(qiáng)，超聲波的高頻音速、振幅、頻率等技術(shù)優(yōu)勢為我們深入進(jìn)行現(xiàn)代超聲波音頻技術(shù)及其應(yīng)用科學(xué)研究工作提供了廣泛的應(yīng)用數(shù)據(jù)。超聲波檢查檢測技術(shù)不僅具有其對空氣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、感知靈敏、對于水和人體健康安全無害、設(shè)備簡單輕便、成本低廉等多大優(yōu)點(diǎn)，可立即地快速獲得各種檢測設(shè)備探傷的準(zhǔn)確結(jié)果，可對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)室及野外等多種復(fù)雜環(huán)境下的檢測工作和日常操控環(huán)境中的檢測設(shè)備和相關(guān)器件情況進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)在線視頻檢查。

2、化學(xué)環(huán)境的影響

2.1 水的影響

混凝土中不經(jīng)水化或部分被水化的泥塊顆粒等就會因滲透劑的作用及第二次水化，產(chǎn)生鈣、礬土凝膠等被水化的產(chǎn)物，通過充電作用及粘結(jié)作用促進(jìn)裂縫的逐步愈合。預(yù)制地裂縫混凝土樣品放到水里已經(jīng)放了很多年，通過4分彎曲的測試發(fā)現(xiàn)它是有自我修復(fù)的現(xiàn)象，但是空氣中滋養(yǎng)著的樣品并未發(fā)生這種情況。研究證實(shí)，在潮濕的環(huán)境下，混凝土材料會迅速膨脹，導(dǎo)致裂縫縮短，甚至難以愈合。特別是針對寬度不大于1mm的裂縫較為明顯[2]。與清水養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行了較量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，用清水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的鋼筋混凝土試件，從裂縫中開始斷裂的應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度根據(jù)年齡不同，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。但是混凝土裂縫的自愈并非僅僅是未經(jīng)水化的水泥顆粒物質(zhì)的第二次水化作用過程，也是裂縫原始凝膠顆粒物質(zhì)的第二次水化作用過程。水或者濕潤的環(huán)境雖然有助于對混凝土裂縫的快速愈合，但只有當(dāng)水或者濕潤的條件下，混凝土中的自愈性現(xiàn)象才可能會持續(xù)很長一段時(shí)間，因此對于混凝土結(jié)構(gòu)受到損害的快速愈合并沒有什么幫助。

2.2 co2的性能影響

硅酸ca（oh）2在鋼筋混凝土中的孔隙水溶液中稍微不易溶于油和水的一種但也可以被我們稱為水合物的產(chǎn)品硅酸ca（oh）2與具有滲透性的水和溶于空氣環(huán)境中的硅酸co2進(jìn)行水合反應(yīng)，生成的硅酸caco3晶體性質(zhì)為一種無色可溶性硅酸鹽，它的分子體積隨其大小比原來用于反應(yīng)物質(zhì)的體積大小膨脹約17%，堆積在晶體裂縫中難以完全愈合。通過實(shí)驗(yàn)研究不同介質(zhì)濃度下的-co2對鋼筋混凝土的自愈保護(hù)能力的重要影響。結(jié)果表明，co2濃度為3%時(shí)，摻有彈性納米或高級彈性粘土的納米鋼筋混凝土漿對裂縫的自愈修復(fù)效果最佳。但是，當(dāng)水中co2含量高時(shí)，一定程度上增加固體碳酸鹽對其進(jìn)入水和co2溶液具有促進(jìn)作用。反之，如果水中co2含量減少，那么對于相應(yīng)多余的碳酸鹽便可能堆積到裂縫中。因此，為了大幅度地提高混凝土自愈效果，必須調(diào)整水中co2的溶液容量[3]。

2.3 負(fù)離子的影響

堿溶液可通過反應(yīng)來促進(jìn)鈣礬土的基本結(jié)構(gòu)單位生成，反應(yīng)溶液中oh離子濃度越高，鈣礬土的基本結(jié)構(gòu)單元形成的驅(qū)動力就越明顯。因此，我們可以推測oh離子有助于刺激未經(jīng)水化、一些已經(jīng)被水化得較高密度的水泥粒子。從裂縫中添加重水化后產(chǎn)物的含量，逐步進(jìn)行細(xì)化和愈合裂縫，oh-離子的濃度越高，對水泥漿進(jìn)行水化的刺激效果越明顯。然而，其濃度不宜太高[4]。否則，混凝土中的酸堿過剩將引起堿骨料的反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋混凝土的開裂。

然而，cl離子的含量較低對于水泥石在地下層中的水化作用也是有促進(jìn)的，cl含量太低則會直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)不同程度的腐蝕或者倒塌。據(jù)調(diào)查，如果量太大，強(qiáng)度就會下降。研究結(jié)果表明，將nacl加入用礦渣粉法配制的二氧化碳硅酸鹽混合材料的水泥中時(shí)，如果初始使用量不到1%，水泥石的初始使用強(qiáng)度就可能會得到明顯地提高，具有明顯的活性激勵和調(diào)節(jié)強(qiáng)度的作用。在實(shí)踐中，nacl對于水泥進(jìn)行水化的催化刺激作用機(jī)制類似naoh。

3、物理環(huán)境的影響

3.1 溫度對混凝土自愈能力的影響

在這種高溫的工作環(huán)境下，水泥原料進(jìn)行了高溫水化，凝結(jié)和水泥硬化的過程速度快，水化處理過程嚴(yán)重。因此，高溫的環(huán)境會對水泥混凝土中裂縫的防止和自愈產(chǎn)生一定程度的促進(jìn)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水的氣體溫度和濕度越大，裂縫所引起的自我修復(fù)反應(yīng)速度也就越快，愈合效果也就越好。比較了三種保護(hù)條件下水泥地基材料的自愈性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在三種養(yǎng)護(hù)方法下，所有的水泥地基材料壓縮強(qiáng)度均可以有明顯地增加[5]。其中熱養(yǎng)護(hù)條件在建筑中對水泥地基材料進(jìn)行愈合是最有效的，標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)則是最佳效果其次。分析原因，這主要是因?yàn)樵跓狃B(yǎng)護(hù)的條件下，溫度高，水泥基材料中未溶于水的部分在水泥基材料中被水化過程迅速地加快。因此與試樣中含有ca（oh）2反應(yīng)，生成caco3，防止裂紋和孔洞。混凝土作為建筑主體結(jié)構(gòu)所使用需要的和服務(wù)周圍的環(huán)境溫度水平越高，水泥的深層水化處理效率越好，裂縫的自愈修復(fù)速度越快。然而，溫度不一定可能過高。否則，高溫下由于污水介質(zhì)水化后的產(chǎn)物諸如ca（oh）2等經(jīng)過高溫脫水，產(chǎn)生大量的熱水蒸汽，導(dǎo)致防水混凝土的最大體積和厚度膨脹，促進(jìn)了凝土裂紋的不斷擴(kuò)展，降低了防水混凝土的使用強(qiáng)度。同時(shí)，鋼筋混凝土的長期施工更加讓人喜歡長期處于高熱低溫期，這主要因素是因?yàn)槭┕ね獠凯h(huán)境的水化溫度就會變得越低，水泥漿的未經(jīng)過高熱水化和低溫反應(yīng)速度就會變得越慢，未經(jīng)過低溫水化的鋼筋水泥砂漿中的顆粒體積變得愈來越多，混凝土自愈能力越大。

3.2 水壓力及其流速的影響

水壓梯度越高，當(dāng)溶解于混凝土中的ca（oh）2在其溶液中慢慢達(dá)到飽和時(shí)，使得混凝土的水體系統(tǒng)暫時(shí)停止進(jìn)行溶解或者破壞[6]。但是內(nèi)部流動著的水隨之被溶解ca（oh）2的逐步拿走，不斷地打破這個(gè)平衡的狀態(tài)，混凝土中ca（oh）2逐步流失，內(nèi)部的酸堿度減少，導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)越來越差。并且，水的流動速度就會變大，這種損害的作用就越明顯，對于混凝土中裂縫自愈就越不利。將預(yù)制出有裂縫的混凝土樣品放到一個(gè)水源平衡穩(wěn)定、水壓力恒定的專門儀器中，混凝土裂縫的寬度可以在水力沖刷下逐步減少，單位時(shí)間內(nèi)的滲水量可以逐步減少。結(jié)果表明，初期混凝土樣品裂縫中漏水?dāng)?shù)量降低主要?dú)w功于在水的沖洗下，裂縫中已有松散的顆粒阻斷裂縫，后期混凝土的裂縫中出現(xiàn)了caco3充填性裂縫[7]。

3.3 其他物理因素的影響

混凝土開裂越早，試件養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度的增加越明顯。在7d上對有裂紋的混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)4套純水泥、粉煤灰含量平均分別達(dá)到30%、40%和50%的樣品，壓縮強(qiáng)度平均提高了30%。另外，根據(jù)建筑混凝土結(jié)構(gòu)的荷載種類，裂縫的自愈效應(yīng)也是各種不一樣的。靜載損傷對混凝土的自愈性效果有影響研究。結(jié)果表明，試件的負(fù)載水平越高，裂紋自愈的療效越明顯。研究結(jié)果顯示，在低頻泥漿上施加低頻軸向壓力循環(huán)載荷后，測量孔隙率，使低頻軸向壓力循環(huán)載荷不會對泥漿產(chǎn)生損傷或微裂紋，提高泥漿的強(qiáng)度或促進(jìn)泥漿結(jié)構(gòu)緊密性。研究了預(yù)加載樣品對于混凝土本身的自愈合能力的影響，發(fā)現(xiàn)在預(yù)加載過程中拉伸和變形量的大小會對樣品愈合效果產(chǎn)生很大的影響[8]。在工程中應(yīng)用時(shí)拉伸變形越少，樣品的愈合效果就越好。

3.4 水灰比的影響

3.4.1水灰比對強(qiáng)度的影響

在不同的水灰比條件下，混凝土在28天內(nèi)受到預(yù)制性的損傷，一組是在水中養(yǎng)護(hù)，另一組則是在空氣中養(yǎng)護(hù)，28天后測定其抗壓強(qiáng)度，通過檢查抗壓強(qiáng)度恢復(fù)情況，表征了混凝土試件的自愈性和抗壓能力。結(jié)果顯示，混凝土受到自愈損傷的愈合能力隨著水灰比的提高而呈上升和增加趨勢，水灰比設(shè)定為0.55時(shí)混凝土受到自愈損傷的抗壓強(qiáng)度最強(qiáng)，但是在混凝土受到自愈損傷前后相對較小。水灰比系數(shù)為0.55時(shí)，水會費(fèi)比較大，混凝土中所有殘留水分也就較多。在鋼筋混凝土試件開裂等破壞性損傷事故發(fā)生后，未水化的膠凝材料和水相互接觸，產(chǎn)生的水化物來填補(bǔ)裂縫等，起到了自愈和減輕破壞性損害的作用。另外，混凝土水化后剩余的水泥顆粒和礦渣可以在損壞事故發(fā)生后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)條件下重新進(jìn)行水化。同樣也會產(chǎn)生傷害自身而造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，大的水灰比可以提高混凝土早期強(qiáng)度，但較大的水灰比則可以提高對混凝土造成損傷自治能力。

3.4.2損傷愈合前后波速的變化

從利用超聲波對不同厚度水灰比的各種混凝土材料試件超聲傳播率在速度上的變化情況可以清楚地明顯看出，在水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和不在空氣中養(yǎng)護(hù)進(jìn)行超聲養(yǎng)護(hù)的各種混凝土材料試件在適當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)或在愈合前后的傳播超聲和微波波速因其增長率均勻而會因不同水灰比的波速增長而有所增大。

結(jié)語：

本文綜述了近年來國內(nèi)外對混凝土自愈能源環(huán)境影響因素的研究動向，預(yù)計(jì)今后的科研人員將會對進(jìn)一步深入分析混凝土自愈的環(huán)境影響因素具有拋磚引玉的意義。由于混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境復(fù)雜，對自身愈合能力的影響不盡相同，可以通過加快混凝土內(nèi)部受到損傷程度而改善，增強(qiáng)混凝土的自我愈合能力。目前，對于環(huán)境因子和混凝土能力的研究仍然是一個(gè)亟待解決的課題。目前國內(nèi)外研究工作人員往往單獨(dú)地研究各種環(huán)境因素，這與實(shí)際和客觀上的應(yīng)用情況不符，很難準(zhǔn)確地分析各種環(huán)境因素相互結(jié)合作用于建筑混凝土中自愈性能的影響。因此，有必要進(jìn)一步研究影響混凝土裂縫自愈的主要環(huán)境因素，為了確保混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，為實(shí)際應(yīng)用中的混凝土設(shè)計(jì)創(chuàng)造最適宜的環(huán)境。要深入研究不同的環(huán)境條件下鋼筋混凝土各成分（特別是膠凝材料）在不同的環(huán)境條件下對裂紋自愈合能力的影響、裂紋自愈合的激勵條件和力學(xué)過程、裂紋自愈合的微觀機(jī)制和宏觀力學(xué)性能的影響和演化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李詩琦.瀝青混凝土自愈合特性及評價(jià)指標(biāo)研究[D].長沙理工大學(xué)，2018.