混凝土裂縫自修復(fù)與人工修復(fù)方法的效果評價及實施建議

王 碩

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

混凝土具有令人滿意的抗壓強度，但抗拉強度低。在外界環(huán)境作用下混凝土內(nèi)部拉伸應(yīng)力大于其抗拉強度時，就會形成裂縫[1]。混凝土表面產(chǎn)生裂紋會導(dǎo)致其完整性降低，如果不及時進行修復(fù)，在內(nèi)外應(yīng)力以及環(huán)境介質(zhì)的作用下混凝土結(jié)構(gòu)會加速惡化，出現(xiàn)表面裂紋擴展，混凝土脫落，甚至于界面斷裂[2-3]。因此，為避免混凝土結(jié)構(gòu)在裂縫產(chǎn)生后繼續(xù)惡化，裂縫修補技術(shù)無疑是一種有效的手段。修補裂縫不僅可以恢復(fù)混凝土的結(jié)構(gòu)完整性，甚至還可以改善混凝土的性能，表現(xiàn)出比普通混凝土更高的斷裂韌度和韌性[4]，但這也要建立在選擇正確的修補材料的前提下。

由于外界影響因素不同，混凝土裂紋表現(xiàn)方式也不同。一些微小裂縫一般采用自修復(fù)[5-6]，但當混凝土結(jié)構(gòu)受內(nèi)外應(yīng)力影響而出現(xiàn)深度裂縫時，或者混凝土出現(xiàn)脫落、開裂等比較嚴重的情況時，一般采用人工修復(fù)[7]。因此，需根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)破壞情況和破壞程度采取不同的修復(fù)方式，更有利于混凝土修復(fù)效果。本文就混凝土裂縫的自修復(fù)與人工修復(fù)方法進行介紹，評價其效果，并提出合理化建議。

1 常用混凝土裂縫修復(fù)材料優(yōu)缺點分析

目前常用混凝土裂縫修復(fù)材料可分為4 類：環(huán)氧樹脂類、水泥基材料、酯類聚合物及菌株菌液[8]。其中，環(huán)氧樹脂類包括油性環(huán)氧樹脂及各種改性水性環(huán)氧樹脂等[4]；水泥基材料包括硅灰改性超細水泥、水泥砂漿、纖維增強水泥基復(fù)合材料（ECC）和應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（SHCC）等[9-10]；聚合物包括聚合材料EMP——一種采用IPN 技術(shù)合成的使用廣泛的聚合物，包括環(huán)氧丙烯酸酯（EA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）和聚氨酯（PU）預(yù)聚物[8]；菌株菌液包括嗜堿芽孢桿菌和耐堿枯草芽胞桿菌M9 等[11,12-14]。表1 總結(jié)不同類型修復(fù)材料的優(yōu)缺點，實踐中應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫情況以及所處環(huán)境選擇合適的修復(fù)材料。

表1 典型修復(fù)材料特點

2 混凝土自修復(fù)

微生物修復(fù)混凝土作為一項新技術(shù)在過去幾十年中得到了迅速發(fā)展，其原理是在微生物的誘導(dǎo)下加速細菌形成碳酸鈣沉淀[15-17]。這些微生物通過誘導(dǎo)碳酸鹽沉積，從而在混凝土裂縫中形成方解石、球墨石和文石，以此來修復(fù)混凝土[16]。孫曉浩等[5]采用巴氏鏈球菌在Luria Bertani培養(yǎng)基中培養(yǎng)成菌液，再通過小瓶和滴管將菌液滴入裂縫中進行混凝土修復(fù)；孫麗等[18]采用智能材料形狀記憶合金（SMA）嵌入混凝土中，當混凝土產(chǎn)生裂縫時對SMA加熱使其恢復(fù)至原狀就可進行混凝土裂縫修復(fù)；Prima Yane Putri 等[19]采用酵母、葡萄糖和醋酸鈣混合在Tris 緩沖液中，以這種菌液作為修復(fù)材料，在混凝土裂縫中產(chǎn)生碳酸鈣沉淀以進行混凝土修復(fù)。

上述幾種方法雖然是所選菌株經(jīng)受微生物誘導(dǎo)形成碳酸鈣沉淀，但還是需在混凝土產(chǎn)生裂縫時手動滴入菌液以修復(fù)裂縫。而How-Ji Chen 等[12]研究了一種當裂縫產(chǎn)生時自主修復(fù)的方法，采用環(huán)境友好的巴氏桿菌，以輕質(zhì)骨料作為細菌載體混合到混凝土混合物中，一旦混凝土產(chǎn)生裂縫，滿足混凝土內(nèi)部細菌的生長條件，菌株的活力就可以恢復(fù)，然后經(jīng)受微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，進行混凝土裂縫自修復(fù)；蘇依林[20]將嗜堿芽孢桿菌作為細菌菌株，乙酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的陶粒作為載體混合到混凝土中，當裂縫產(chǎn)生時，陶粒的內(nèi)部空間通過機械破碎釋放細菌孢子，且都散布于裂縫空隙中，產(chǎn)生碳酸鈣沉淀以使得混凝土自愈；馮軍等[13]采用耐堿枯草芽胞桿菌M9 作為自愈混凝土制備劑，制備自愈混凝土梁，再利用引氣劑在水泥漿體混合物中產(chǎn)生微孔，為微生物提供生態(tài)位，裂縫產(chǎn)生時已完成混凝土裂縫自修復(fù)；Eleni Tsangouri 等[21]采用一種自愈膠囊嵌入混凝土中，膠囊中填充為聚氨酯試劑，當裂縫形成時會破裂，藥劑釋放到裂縫空隙中時會快速固化，從而實現(xiàn)裂縫密封和機械修復(fù)；Kim Van Tittelboom 等[22]采用填充PU（聚氨酯）試劑的自愈膠囊嵌入到水泥基質(zhì)中，裂紋形成時膠囊破裂流出試劑，快速固化，來實現(xiàn)裂縫自主修復(fù)；高禮雄[23]等采用脲酶細菌固化在硅膠上嵌入到水泥基質(zhì)中，從而混凝土基質(zhì)中的細菌分解尿素形成碳酸鹽離子，在鈣離子存在下，CaCO3會在裂縫中沉淀。

這些研究表明，細菌或者菌液在被滴入裂縫中或從混凝土內(nèi)部破裂暴露空氣中時，都會形成相似的化學(xué)反應(yīng)，然后再經(jīng)受微生物的誘導(dǎo)形成碳酸鈣沉淀，有效且充分地填補混凝土裂縫，以達到修復(fù)混凝土裂縫的效果。對于自修復(fù)裂縫技術(shù)而言，雖然在大多數(shù)情況下沒有人工修復(fù)裂縫效果好，但自主修復(fù)機制會在裂縫出現(xiàn)后自動愈合，能夠及時修復(fù)裂縫以保持混凝土完整性。微生物修復(fù)混凝結(jié)構(gòu)的效果如圖1所示。

圖1 微生物修復(fù)混凝結(jié)構(gòu)圖

3 混凝土人工修復(fù)

3.1 裂縫修復(fù)

對于裂縫開裂比較嚴重的混凝土結(jié)構(gòu)，一般采用人工修復(fù)。比如在修復(fù)水泥混凝土路面裂縫時，會采用填充灌漿法將修復(fù)材料倒入裂縫中，并且使其完全閉合，等待修復(fù)材料凝固使混凝土恢復(fù)其完整性即可[9]。人工修復(fù)方法除了填充灌漿法以外，還有混凝土置換法、表面修補法、結(jié)構(gòu)加固法[9,15]。這些方法因其施工工藝簡便，在混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)中越來越受歡迎。

3.2 界面修復(fù)

混凝土結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境影響，經(jīng)常會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，如果不及時進行修復(fù)，就可能會導(dǎo)致混凝土斷裂的情況[2-3]。對此，一些研究人員也采用了相對應(yīng)的措施，Yu-Cheng Kan[4]等人采用環(huán)氧樹脂作為修復(fù)材料，將斷裂成兩塊的混凝土塊放置在水平平臺上，使用注射器從底部端口注入樹脂，并從出口輸出，以確保裂紋區(qū)域完全充滿樹脂，直到樹脂或砂漿水平上升至缺口底部，所有斷裂表面都填充了修復(fù)材料，完成混凝土界面修復(fù)；吳浩[8]等采用一種IPN 聚合技術(shù)，將環(huán)氧丙烯酸酯（EA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）和聚氨酯（PU）合成了一種材料EMP 來作為混凝土界面修復(fù)材料，將斷裂的基底與修復(fù)材料粘合在一起來進行混凝土界面修復(fù)；龐博[26]等采用納米二氧化硅改性水性材料進行混凝土界面修復(fù)研究；李玥[9]等采用FRP（裂縫膠和纖維增強塑料）和納米改性環(huán)氧樹脂來修復(fù)混凝土，將修復(fù)材料均勻涂抹在混凝土斷裂表面，將其粘合即可完成修復(fù)。

用修復(fù)材料粘結(jié)使兩部分混凝土恢復(fù)其完整性，這就涉及到新舊混凝土或者舊混凝土與修復(fù)材料粘結(jié)性能的研究[24-26]。王彭剛[24]、劉博文[25]等都研究了應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（SHCC）用于修補混凝土結(jié)構(gòu)的可行性，研究表明，當SHCC用作修補材料時，在收縮應(yīng)力的作用下，修補層中出現(xiàn)許多細小裂紋，而不是局部裂紋，界面脫層得到有效控制。Carlo Pellegrino[26]等采用聚合物改性水泥砂漿，使用聚合物改性修復(fù)材料修復(fù)實驗室條件下建造的未受損構(gòu)件，試件已在盡可能靠近現(xiàn)場構(gòu)件的條件下建造，現(xiàn)場構(gòu)件通常通過鑿除不良混凝土、噴砂鋼筋，然后用修補材料填充空隙進行修補，證明了聚合物改性水泥砂漿作為修補材料良好的修復(fù)性能。人工修復(fù)混凝結(jié)構(gòu)效果如圖2所示。

圖2 人工修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)圖

4 修復(fù)后混凝土力學(xué)性能試驗

混凝土修復(fù)材料在用于實際工程之前，都會在實驗室內(nèi)對修復(fù)材料以及修復(fù)試件的力學(xué)性能和強度進行研究，以保證修復(fù)材料的最佳配合比和修復(fù)后混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。

為了得到修復(fù)后試件的評價指標，一些學(xué)者對修復(fù)后混凝土進行了三點彎曲和四點彎曲加載力學(xué)性能測試，裂縫及界面在修復(fù)后的加載試驗示意圖分別見圖3、圖4所示。

圖3 裂縫修復(fù)后的加載試驗

圖4 界面修復(fù)后的加載試驗

Yu-Cheng Kan 等[4]使用環(huán)氧樹脂作為修補材料，進行界面修復(fù)，對修復(fù)后試件進行三點彎曲測試，發(fā)現(xiàn)與原始混凝土相比，修復(fù)后的混凝土的斷裂韌性和斷裂能分別提高到122%和228%；馮軍等[13]采用耐堿枯草芽胞桿菌M9作為自愈混凝土制備劑，制作了抗彎強度為4.2MPa的自愈混凝土，在28d的自愈后，通過三點彎曲測試發(fā)現(xiàn)混凝土梁彎曲強度提高了0.34MPa，即約14%的強度恢復(fù)；Eleni Tsangouri 等[26]采用一種自愈膠囊的形式嵌入混凝土中，膠囊中填充為聚氨酯試劑，當裂縫形成時會破裂，藥劑釋放到裂縫空隙中時會快速固化，從而實現(xiàn)裂縫密封和機械修復(fù)，在混凝土試塊完全修復(fù)之后，對其進行三點彎曲測試，發(fā)現(xiàn)膠囊對荷載響應(yīng)起到了有益的作用，并提高了其斷裂能以及斷裂韌度。

由此可看出，無論是人工修復(fù)或是微生物修復(fù)，相對于原始混凝土試件都有明顯的強度提升。這兩種修復(fù)技術(shù)，在混凝土可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域都具有不錯的前景。

5 結(jié)束語

本文對混凝土人工修復(fù)與自修復(fù)進行歸納和總結(jié)，并對完成修復(fù)后的強度及斷裂韌度進行了對比分析，總結(jié)如下：

（1）混凝土自修復(fù)適用于普通環(huán)境下可能產(chǎn)生微小裂縫的結(jié)構(gòu)，這種修復(fù)方式能夠及時修復(fù)裂縫，甚至在結(jié)構(gòu)破壞之前就發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成碳酸鈣沉淀，以防止結(jié)構(gòu)進一步開裂。

（2）人工修復(fù)是混凝土修復(fù)領(lǐng)域比較常見的一種修復(fù)方式，由于其修復(fù)工藝比較成熟，能夠針對不同材料、不同破壞情況、不同環(huán)境下進行修復(fù)，可最大限度恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的強度以及斷裂韌度。

（3）采用自修復(fù)與人工修復(fù)相結(jié)合的技術(shù)，會是一種更完善的修復(fù)體系。自修復(fù)防患于未然，人工修復(fù)解決結(jié)構(gòu)破壞比較嚴重的情況，這對于建筑可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。