淺談混凝土裂縫自愈合修復技術特點及運用

文／曹純保 中國核工業華興建設有限公司 江蘇南京 210019

引言：

混凝土材料在受外力和自身內部應力的綜合作用下易產生裂縫，導致混凝土結構破壞，裂縫處鋼筋容易銹蝕，影響混凝土結構的使用性能和耐久性能。混凝土裂縫產生的原因有很多，本質上可理解為混凝土內部產生的拉應力超過了混凝土的抗拉強度引起的，這些肉眼可見的裂縫往往由混凝土內部微小裂縫發展而來，所以對這些微小裂縫的修復工作不能不重視。大體積混凝土在受到內外溫差、養護條件、約束條件等因素的影響，早期不可避免發生微裂縫，不得到足夠重視，可能逐漸發展成為不可逆轉的宏觀裂縫，對結構強度、耐久性影響巨大。目前對混凝土結構裂縫的修復主要偏重于宏觀可見裂縫，修補方法主要有表面處理法、填充法、灌漿法和結構補強法等，但是對混凝土內、外細微裂縫的修補難度還沒有切實可行的辦法。隨著現代混凝土材料發展，智能型的自愈合混凝土逐漸成為研究熱點，混凝土材料自動對裂縫損傷部位進行愈合修復，甚至還能提高混凝土材料性能，保證混凝土結構的安全性和使用性能。

1、混凝土微觀裂縫自愈合機理

1925年Abrams發現混凝土具有自愈合現象，他注意到經混凝土抗壓強度測定后的開裂試件在戶外放置8年后重新愈合，其抗壓強度是28 天強度的兩倍多，自此，對混凝土自愈合機理的研究得到了人們廣泛關注。

總結一些學者研究的自愈合機理理論，認為混凝土裂縫處通過復雜的物理、化學業應，實現自愈合行為，主要原因為：（1）混凝土中未水化的水泥顆粒(如CS、CA 等)與滲透水作用，在裂縫處生成水泥水化產物；（2）混凝土硬化體中微溶于水的水化產物Ca(OH)與滲透水及空氣中的CO業應生成的碳酸鈣在裂縫周圍結晶；（3）水滲透導致混凝土內部Ca(OH)濃度降低，致使與Ca(OH)相平衡的水泥水化產物分解，集附在裂縫周圍；（4）空氣中的污染物如灰塵等沉落到滲透水中產生的裂縫愈合，這四種愈合機理主要是在水的作用下生成了新的物質，附著于裂縫處，使裂縫愈合。上述愈合機理研究是以混凝土自身的愈合特性為出發點，表明混凝土在特定環境條件下（水環境），將自動生成愈合產物，粘結填充裂縫，提高混凝土強度。

2、混凝土宏觀裂縫修補技術

對于混凝土而言，產生微觀裂縫是混凝土結構使用過程中的正常現象，其寬度基本在2 ～5μm，主要存在于砂漿與石子粘結面。在一定的作用力下，微觀裂縫將發展為宏觀裂縫，一旦發現混凝土開裂現象，混凝土將更容易受到進一步的損害，最后導致無法繼續使用。一般情況下，混凝土裂縫寬度小于0.5mm 時，不影響其結構的使用性能。對于宏觀裂縫的修復，工程人員研究出了很多創新的修復技術，雖然這種裂縫修復并不能完全彌補結構損傷，但是修復效果已經比較顯著，目前對宏觀裂縫修復技術主要有：

（1）表面修補法。主要用于對承載力無影響的表面裂縫，大面積細裂縫以及防滲補漏的處理。一般對混凝土表面細微裂縫修補材料為涂刷水泥漿、環氧膠泥、油漆、表面鑿槽嵌補處理。該種方法在微裂縫不增長的情況下，能夠很好的提升抗滲透性能。

（2）灌漿法。主要用于對結構整體性有影響及有防水、防滲要求的深層裂縫及內部缺陷的修補。例如水泥漿壓力灌漿，壓入深層的裂縫內部，硬化后恢復結構整體性。對于中等寬度的溫度裂縫，填充以水泥漿等種類的剛性材料和以合成橡膠、聚合物樹脂等彈性材料，用來固定裂縫，阻止裂縫進一步發展。

（3）填充法。主要針對裂縫較少的結構部位或鋼筋銹蝕導致的裂縫，一般需開鑿成U 型或V 型槽，填補帶有微膨脹效果的混凝土和水泥砂漿，該方法對混凝土結構存在一定的損傷。

（4）結構加固法。主要用于提高結構的承載力，限制裂縫的發展或將裂縫封閉。混凝土鋼加固、粘膠、鉚接、焊接以及預應力錨固等手段進行加固。這類方法施工鉆孔時應注意避開鋼筋，還要檢查受力后的結構變形和受力情況。

宏觀裂縫修復使用的材料最主要特點是具有粘結作用，能夠在裂縫兩側粘結，產生粘結力，增強混凝土材料的強度和抗滲性能，通過對宏觀裂縫的修補，雖然一定程度保障了結構功能，但始終無法與混凝土無裂縫狀態相比，某種意義上結構的使用性能未能完全發揮。宏觀裂縫修補材料的適用范圍和作用如表1所示：

表1 大體積混凝土宏觀裂縫的修復材料

3、混凝土裂縫仿生自愈合修復技術

人類骨骼在斷裂處，骨膜會產生一些成骨細胞，成骨細胞在斷裂處快速分裂增長，使得斷裂處重新愈合，且能恢復骨骼之前的強度，這種類似于生物自愈合的混凝土裂縫修補技術稱為仿生自愈合修補技術。工程人員開始研究將生物的自愈合原理運用于混凝土的裂縫修復上，這種仿生自愈合修復技術主要分為兩種方式：（1）通過加入活性修復材料，與混凝土內部的物質發生化學業應，從而填充裂縫，形成粘結強度；（2）通過在混凝土中添加某些機敏材料，在混凝土出現裂紋時，溢出的活性化學組分開始產生物理化學業應，在裂縫處生成具有粘結作用的物質，從而達到修復愈合混凝土裂縫的效果。

美國學者提出了一種混凝土裂縫自愈合的方法，即通過預埋含有膠粘劑的纖維，用加熱的方式啟動修復，可以說這是仿生自愈合混凝土研究的開始。日本學者將注有膠粘劑（分別是水玻璃，環氧樹脂等）的空心膠囊摻入混凝土中，當混凝土開裂，膠囊隨之破裂，膠粘劑流出對裂縫進行修復。余劍英、李旺林等研究了滲透結晶型防水材料對混凝土裂縫自愈合能力的影響，結果表明滲透結晶型防水材料對混凝土初期宏觀裂縫有明顯的抑制作用，且具有良好的裂縫自愈能力。有學者還研究了利用微生物修復水泥基材料表面裂縫的功效，微生物結晶形成的礦物沉積方解石，但是這種愈合修補對混凝土抗滲性能有一定的作用，對提高強度作用微乎其微。可以發現，仿生自愈合修復技術主要在裂縫產生初期就開始作用，隨著裂縫增大，仿生自愈合修復效果也越來越微弱。有學者還研究了形狀記憶合金（簡稱SMA），日本學者等將直徑2mm 的超彈SMA 預埋在混凝土梁中，進行三點彎曲實驗，與普通梁比較，SMA 提高了梁的變形能力，卸載之后，SMA梁的變形幾乎全部恢復了。采用SMA 可以對混凝土變形起到一定的恢復作用，并且可與其他方法結合，具有一定的發展前景。

4、裂縫自愈合修復技術對混凝土性能的影響

混凝土自愈合利用混凝土二次水化的特性進行修補裂縫，較人工修補效果要好上幾倍，尤其對內部裂縫的修補效果尤為明顯，而混凝土裂縫主動修復效果也受裂縫的寬度影響，效果也不盡相同。目前混凝土裂縫修復技術的應用也被工程人員所重視，對裂縫修復的效果進行了相關評估。

裂縫修復首先改善的是混凝土抗滲透性能。李厚祥等人建立泊肅葉混凝土裂縫滲水模型，確定了不同水力梯度下單位滲水量與裂縫寬度關系，得到了混凝土裂縫可能產生自愈合的時間及對應的裂縫寬度。程東輝、潘洪濤通過混凝土滲水量大小，研究混凝土自愈合的情況，當對于3mm 左右的裂縫，暴露于水環境600 小時以后裂縫可以完全愈合。如圖1所示，不同裂縫寬度的自愈合情況不同，裂縫寬度越寬，無論采用何種修復技術，其抗滲透性能改善效果越差，特別的是小于0.3mm 裂縫的改善效果良好，由此得出了寬度是混凝土裂縫愈合能力的主要原因。

圖1 單位滲水量與愈合時間的關系

姚武等以超聲波的變化表征混凝土受壓開裂后的損傷程度，建立了混凝土損傷量與愈合情況的關系。結果表明發現混凝土的自愈合能力存在損傷閾值0.6 ～0.7，損傷小于該閾值范圍時隨損傷的增大，自愈合率也增大；損傷大于損傷閾值范圍時，則隨損傷的增大，自愈合率減小。由此說明裂縫愈合能力不僅和裂縫的寬度有關，還與裂縫的深度、數量有較大的關聯。

劉小艷等對混凝土自愈合的性能做了試驗研究，試驗結果表明低等級水泥比高等級水泥同條件下的自愈合能力強。因此在摻入優質粉煤灰、硅灰摻合料的情況下，不僅大幅度提高混凝土劈裂強度，對早期微裂縫的自愈合能力有著很大的提高作用。

混凝土發生自愈合條件比較苛刻，一般情況下很難發生，即混凝土裂縫的產生基本是不可逆的過程。因此，混凝土工程不能完全依靠自愈合來修復裂縫，很多研究者通過研究混凝土主動修復功能，通過觸發植入在混凝土中的仿生自愈合材料，在裂縫處生長、填充，目前這類材料主要為：纖維管+膠粘劑、膠囊+膠粘劑、形狀記憶合金。

將膠粘劑注入纖維管或膠囊內，與混凝土一起拌合、硬化，當混凝土內部產生裂縫時，纖維管和膠囊被撕扯至破裂，膠粘劑流出，并填充裂縫處達到自愈合效果，所不同的是膠粘劑的種類選擇。

5、混凝土裂縫自愈合修復技術存在問題

混凝土工程中不可避免的裂縫修復，主要還是靠混凝土自身的愈合特性，配合人工水養護條件，充分讓混凝土愈合性能發揮出來。施工過程中，利用潮濕棉布覆蓋，不斷灑水，保持一定的水力梯度，使得混凝土硬化前期出現的裂縫處，迅速持續地進行水化業應，生成水化產物粘結并填充裂縫處。但是對于已經硬化已久的大體積混凝土微觀裂縫，自愈合修復能力不一定能夠解決問題，只能選擇傳統的修補方法。

除了發揮混凝土自身愈合特性外，大體積混凝土在仿生自修復技術方面也有運用，但是效果均不夠理想。首先，自修復混凝土中摻入的玻璃纖維或膠囊的制備工藝復雜，強度高，不易裂開實行修復，強度過低,拌入混凝土中易破裂，因此，應開發與混凝土材料性能相匹配的修復纖維和膠囊的材料；其次，修復材料的數量過少不能完全修復裂縫，過多則影響混凝土的性能；第三，自修復的時間應越快越好，目前修復劑要修補裂縫都需要一定時間，無法做到快速修復，避免裂縫的持續增長；第四，修復材料對混凝土性能是否有較大影響，包括拌合物和易性、外加劑適應性、混凝土強度和混凝土耐久性，這些方面很多研究并未深入；第五，從經濟方面考慮，運用這些修復技術，經濟投入勢必非常可觀。

結語：

（1）混凝土裂縫自愈合修復的發生與環境、材料特性和后期的養護等因素分不開的，裂縫寬度超出一定范圍時自愈合修復微乎其微，對于寬度小于0.3mm 微裂縫修復有顯著改善的作用；

（2）通過人工摻加具有特殊功能的機敏性材料，或者通過摻加優質的混凝土摻合料，再利用混凝土本身的水化特性，達到混凝土裂縫自愈合的目的，對混凝土初期產生的裂縫修復效果尤為顯著；

（3）混凝土裂縫仿生修復技術對強度、抗滲性能有一定的補充和增強的作用，但是大規模運用，還要對混凝土性能的影響、經濟成本兩個方面充分考慮。