石寶存，張士萍，陳瑋，李成，牛龍龍，陳洵安

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，混凝土憑借著成本低廉、性能效果佳、取材便利等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于建筑、橋梁、公路等基礎(chǔ)設(shè)施，在我們的生活中變的隨處可見。隨著如今人們對建筑質(zhì)量要求的不斷提高，混凝土的力學(xué)性能、物理性能也在不斷的提高，但混凝土實(shí)際結(jié)構(gòu)受自身材料性能的限制，再加上復(fù)議期間循環(huán)荷載的作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了不同程度的裂縫。這嚴(yán)重導(dǎo)致了混凝土的使用壽命低于它的設(shè)計(jì)壽命，極大的損害了人民經(jīng)濟(jì)和社會效益。但經(jīng)過諸多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土有著一項(xiàng)重要本領(lǐng)，它能對自身出現(xiàn)的裂縫有著自我修復(fù)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(xiàn)質(zhì)量缺陷的混凝土得以修復(fù)，甚至可以廢舊的混凝土起死回生。但通過研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)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(fù)的過程。國內(nèi)外學(xué)者對養(yǎng)護(hù)條件，裂縫的特征等因素在自愈合方面的影響進(jìn)行了研究，取得了一些成果。從中發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)在不同的環(huán)境中會受到不同的影響，比如：溫度、濕度、酸堿性、應(yīng)力等因素。

環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的影響具有雙重作用，既可以加速混凝土內(nèi)部損傷的惡化，也可以提高強(qiáng)化混凝土損傷的自愈合能力。如果可以弄清楚在不同環(huán)境下，混凝土裂縫愈合過程的演變機(jī)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(shù)途徑。

1 環(huán)境對自愈合性能的影響

不同的環(huán)境對混凝土的結(jié)構(gòu)有著不同的影響，當(dāng)然對于混凝土裂縫的愈合程度、強(qiáng)度恢復(fù)、抗?jié)B能力等性能也都有著不同的影響效果。比如：不同pH溶液環(huán)境、不同鹽溶液環(huán)境、不同濕度環(huán)境、不同的溫度變化等。

1.1 不同pH溶液環(huán)境

2015年劉素瑞等[1]研究了混凝土裂縫在pH為7、9、11、13環(huán)境培養(yǎng)下裂縫的愈合程度，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液環(huán)境下混凝土自愈合效果要明顯好于水環(huán)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(shí)間的增加裂縫斷面出現(xiàn)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?yàn)樵诨炷林袎A過量經(jīng)常會發(fā)生堿-骨料反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土開裂。但混凝土結(jié)構(gòu)對適量堿的需求又是不可避免的。鄭新國等認(rèn)為堿是水泥水化的穩(wěn)定劑、它也是促使摻合料發(fā)揮火山灰性的激發(fā)劑，NaOH在水泥的硬化中起催化和激發(fā)作用。

1.2 不同鹽溶液環(huán)境

不同溶液的影響大多是陰陽離子在起著作用，有關(guān)對于陰陽離子的研究大多數(shù)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(shí)驗(yàn)形式都反應(yīng)相同的結(jié)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(yīng)，也有不容于水的F鹽生成。這與王春梅[4]的研究結(jié)果類似。也就是說他們都用實(shí)驗(yàn)證明，氯鹽可以明顯地促進(jìn)水泥水化程度，水泥水化產(chǎn)物與Clˉ離子反應(yīng)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(huán)境下，預(yù)制裂縫的混凝土表現(xiàn)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(shí)就將具有裂縫的混凝土的強(qiáng)度已完全恢復(fù)；達(dá)到28d的時(shí)候，混凝土強(qiáng)度達(dá)到了137.8%，隨著時(shí)間增長到達(dá)60的時(shí)候，卻只能達(dá)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(chǎn)物CH迅速反應(yīng)，裂縫斷面出現(xiàn)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(dāng)膨脹顯著時(shí)，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(diǎn)，6%氯化鈉溶液將混凝土裂縫的強(qiáng)度完全恢復(fù)需要30天，而在此溶液中恢復(fù)率達(dá)到100%則需要49天，60天的時(shí)候達(dá)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(yīng)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(jié)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(huán)境下裂縫的修復(fù)效果，分析對比了水泥砂漿在不同濃度鹽溶液環(huán)境下前后裂縫寬度變化，發(fā)現(xiàn)裂縫的修復(fù)效果一般是先升高后降低的趨勢。推斷自修復(fù)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(chǎn)物反應(yīng)的生成物促進(jìn)了裂縫的修復(fù)。

1.3 不同濕度環(huán)境

1995年挪威學(xué)者Stefan[6]對混凝土進(jìn)行多次凍融實(shí)驗(yàn)之后，將被破壞的混凝土僅僅放在水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)2~3個(gè)月，混凝土的強(qiáng)度就會恢復(fù)到3%~4%，Stefan還發(fā)現(xiàn)在裂縫邊緣有了明顯的生成物，新的水化產(chǎn)物大都有著相似的特征，產(chǎn)物在裂縫邊緣處是最密實(shí)的，相比之下新產(chǎn)物裂縫的中央較為松散，這也導(dǎo)致了裂縫的寬度的減小，經(jīng)過超聲波測速實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)行愈合。劉力先經(jīng)混凝土試件進(jìn)行高溫處理，然后放在潮濕環(huán)境中，觀察一段時(shí)間后，混凝土表面的裂縫部分有所愈合。

經(jīng)過幾年的發(fā)展，混凝土自愈合技術(shù)逐漸被發(fā)現(xiàn)并完善，2006年，呼和浩特機(jī)場的樓板裂縫經(jīng)過幾次大雨的澆淋之后變得不在漏水。針對這一現(xiàn)象，楊萬科[7]進(jìn)行了研究，他先將試塊分為2組，將其放在不同的情況下進(jìn)行研究：一種是對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在裂縫處填入新拌砂漿，放入養(yǎng)護(hù)池進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，另一種是直接在斷裂的混凝土上補(bǔ)全另一半，進(jìn)行28天養(yǎng)護(hù)，然后對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，所得結(jié)果達(dá)到原試件抗拉強(qiáng)度的70%，楊方林提出因?yàn)榛炷劣袧駶q干縮的特性，因此在潮濕的環(huán)境下，混凝土發(fā)生膨脹，使裂縫變小直至愈合。隨后，其檢測小組又對機(jī)場起飛跑道進(jìn)行了修補(bǔ)，清除干凈裂縫周圍多余的已經(jīng)損壞的混凝土，然后放在水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，隨后澆筑新的混凝土，該跑道至今一直被使用。進(jìn)一步地證實(shí)了混凝土熱脹冷縮的特性在愈合裂縫時(shí)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(jìn)行裂縫預(yù)制，將預(yù)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(huán)境進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，結(jié)果表明，兩種養(yǎng)護(hù)方法早期抗拉強(qiáng)度差距不大，但隨著齡期的增長，在清水中養(yǎng)護(hù)的混凝土試件，裂縫處的抗拉強(qiáng)度明顯高于普通養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度。他也就認(rèn)為為反應(yīng)完全的水化水泥顆粒在20°的清水中將會繼續(xù)反應(yīng)，而生成的產(chǎn)物將會愈合裂縫。

1.4 不同的溫度環(huán)境

在高溫環(huán)境下，水泥水化、凝結(jié)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(huán)境對水泥混凝土裂縫的自愈合起到一定的促進(jìn)作用。2003年Hans-WolfReinhardt[9]將預(yù)制裂縫的混凝土進(jìn)行有關(guān)溫度的實(shí)驗(yàn)，控制其他變量保持一致，將預(yù)制的混凝土裂縫放在不同的水溫環(huán)境中，研究不同溫度對混凝土裂縫的愈合能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水溫越高，裂縫自愈合反應(yīng)速率越快，愈合效果也就越好。

2013年楊文科[7]指出裂縫培養(yǎng)的溫度環(huán)境越低，裂縫自愈合效果越好。因?yàn)闇囟容^低時(shí)，水泥水化反應(yīng)速率較慢，這樣未反應(yīng)的剩余物變多，進(jìn)而使得裂縫得到盡快填補(bǔ)。

2012年張軍學(xué)[10]將預(yù)制裂縫的混凝土放入3種不同的溫度環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)它們的抗壓強(qiáng)度都有明顯的增長，溫度最高環(huán)境培養(yǎng)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(yàn)探索階段，對于如何將其投入到實(shí)際工程應(yīng)用[11]中去和環(huán)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(huán)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(huán)境因素與混凝土裂縫發(fā)展之間的相關(guān)性。

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

（3）目前還沒有一個(gè)合理的可控的預(yù)制裂縫方法，這對試驗(yàn)工作、數(shù)據(jù)對比和實(shí)際工程應(yīng)用中都帶來了很大的麻煩。

（4）有關(guān)自修復(fù)的研究目前還未有一致的材料好壞判斷與修復(fù)效果的評價(jià)方法，有關(guān)研究應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

（5）目前自愈合的研究主要是單個(gè)因素對其的影響，而涉及多個(gè)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(guī)律也不清楚。

3 結(jié)語

目前混凝土主要的自修復(fù)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(fù)方式、基于膠囊的自修復(fù)方式[12]、微生物混凝土裂紋的自修復(fù)。雖然國內(nèi)外專家對其做了大量的研究，但對于修復(fù)劑與修復(fù)載體的選擇、修復(fù)體系與基體性能的匹配、制作工藝的適應(yīng)性、微生物及其載體的選擇和準(zhǔn)備、檢測和評價(jià)方法等問題仍存在著大量的缺點(diǎn)或缺陷。并且對于如何建立一個(gè)有利于混凝土自愈合的激勵(lì)環(huán)境，裂縫的愈合過程的演變機(jī)制等還缺乏全面系統(tǒng)的研究。

智能化是未來建筑材料發(fā)展大趨勢之一，因此對自修復(fù)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(shè)施的根本。自修復(fù)自愈合混凝土、自感應(yīng)混凝土和自調(diào)節(jié)混凝土是智能混凝土3個(gè)重要的發(fā)展方向?？茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們環(huán)保意識的提高，傳統(tǒng)混凝土最終會被這種新型自修復(fù)混凝土所取代，這也是以后建筑材料科學(xué)的進(jìn)步提供了新的動力。如果我們弄清楚在不同環(huán)境下，混凝土裂縫愈合過程的演變機(jī)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(jié)構(gòu)具備防護(hù)功能，具有極大的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)意義。