混凝土劈拉开裂和裂缝自愈合机理

王立成，武少赟

（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

1 研究背景

水工混凝土遭受荷载或环境作用不可避免会产生裂缝。裂缝将混凝土由连续体转变为离散体，虽不会直接影响结构的安全性，但却改变了其传输特性，为有害物质（如氧气、二氧化碳、水、氯离子、硫酸根离子等）侵入混凝土提供了便捷通道，造成水泥基质退化和钢筋锈蚀等一系列劣化结果，产生了“劣化-开裂-再劣化”的恶性连锁反应，最终导致混凝土结构破坏［1-3］。

1925年，Abrams［4］发现，开裂混凝土试件在户外放置8年后，其抗压强度变为28 d 的2 倍多，他认为混凝土发生了自愈合，也成为首次发现这一现象的学者。不可否认，裂缝自愈合可有效减缓有害物质的入侵，延长混凝土结构的服役寿命，对准确预测既有结构的使用寿命具有重要意义。

研究开裂混凝土中裂缝的自愈合规律和机理，应明确混凝土所处的环境条件。环境作用是一把双刃剑，既可以加快混凝土内部损伤发展，也可以在一定程度上提高裂缝自愈合效果。借助微观手段明确不同环境条件下裂缝的自愈合机理，创造最佳环境作用条件，最大程度地促进自愈合的发生，从而减少裂缝带来的危害。尽管现在工程中也希望考虑混凝土裂缝的自愈合性能，然而，对不同环境中裂缝自愈合机理的研究尚不明确，关于裂缝自愈合效果的量化方法尚不成熟。

本文采用劈拉加载方式产生裂缝，对试件裂缝特征、加卸载过程中劈拉应力-裂缝口张开位移（COD）曲线的变化规律以及裂缝在不同环境中的恢复特征和自愈合机理进行研究，从力学性能恢复、裂缝闭合和气体传输系数变化等多个量化指标评价自愈合效果，以期为复杂环境条件下（如海洋及近海环境）混凝土的耐久性分析和使用寿命预测提供依据。

2 试验概况

2.1 原材料与试件制备试验原材料包括：水泥为P·O 42.5R 普通硅酸盐水泥（氧化镁含量2.83%，三氧化硫含量2.59%）；粗骨料为粒径5～10 mm 的花岗岩碎石；细骨料为细度模数2.55、堆积密度1450 kg·m-3、粒径0～5 mm 的中砂；减水剂为聚羧酸盐类高效减水剂。混凝土配合比如表1所示，其水胶比为0.45。试验采用100 mm×50 mm（直径×高度）的塑料试模，试模由底盖、开口中环和上环组装而成，具有便捷、易拆装和重复利用率高等诸多优点。试件浇筑24 h 后拆模，将圆盘试件和标准立方体试件置于标准条件下养护至28 d 龄期，测得28 d 立方体抗压强度为52.9 MPa。将试件上下表面打磨至厚度45 mm（±1 mm），一方面去除表面浮浆，另一方面保证试件表面平整和两表面相互平行，为后续劈拉试验和气体渗透试验打下基础。

表1 混凝土配合比 （单位：kg/m3）

2.2 劈拉试验圆盘试件的劈拉试验在MTS Landmark 电液伺服试验机上完成。试验分别采用位移控制加载和力控制卸载，先后尝试了0.012、0.024、0.05、0.1、0.2 和0.3 mm/min 的加载速率，综合考虑加载时间和裂缝预制成功率，选用0.2 mm/min 的加载速率。试验时在试件两侧分别安装LVDT，测量试件在加载过程中的裂缝口张开位移。一般情况下，裂缝在两个面上开展并非同步，这里取两个LVDT 的平均值作为最后裂缝的测量结果，试验加载装置如图1所示。

加载头直径、垫块和胶合板垫条宽度均为45 mm，与试件厚度相同，并保证前后精确对中；采用激光对准仪将试件竖向直径、加载头中心和垫块中心对齐，实现加载轴方向精确对中。在试件与加载头、垫块间设置胶合板垫条，一方面可以防止试件与加载头接触产生局部受压破坏，另一方面能够减小试件在加载过程中受到的横向约束。

2.3 裂缝测量试验中采用Supereyes 数码显微镜测量裂缝宽度，为减小误差，将试件表面沿加载轴方向10 等分，依次取9 个测点，如图2所示，以测点处的裂缝宽度平均值作为该表面的主裂缝宽度，并与另一面主裂缝宽度取平均值作为该试件最终开裂后的主裂缝宽度w1。对于每侧选取的9 个点，在每点处量取5 个裂缝宽度，按照去掉最大值和最小值后取平均值的原则计算该点裂缝宽度。

图1 劈拉开裂试验装置简图

图2 测点分布

2.4 气体渗透试验试验中通常采用渗透试验来评价混凝土内部孔隙率和孔隙的连通性。渗透试验一般以水、酒精或气体作为传输介质。酒精的强挥发性使其作为渗透介质难度较大，而水会与未水化的水泥颗粒发生再水化反应，对评价自愈合效果产生一定干扰，综合考虑，本文试验采用氮气渗透试验来研究裂缝的自愈合规律，不仅能克服其他介质的缺陷，而且气体对微观结构变化的敏感度高，可用于评价细小裂缝的渗透特性，测量可在较低压力梯度下快速进行，减少对材料内部结构的二次损伤，能够更准确地反映混凝土裂缝的自愈合效果［5-9］。

试验采用的气体渗透装置主要包括压力源、试件盒和计量设备三部分。

（1）压力源由储气罐、减压阀、截止阀和6 位数显精密压力表组成，能够为试验提供精确恒定的气体压力。选取高纯氮气作为渗透气体，一方面氮气是结构所处环境的重要组成气体，另一方面氮气为惰性气体，试验过程中不会带来安全隐患。

（2）试件盒用来固定和密封试件，设计大体经历了图3所示的3 个阶段：A 图侧面为柔性硅胶套和刚性铁圈，硅胶套在竖向压力作用下发生横向膨胀，通过试件、硅胶套和铁圈之间的相互挤压来保证侧面气密性，但却改变了初始裂缝宽度；B 图侧面为柔性硅胶套，不会对初始裂缝产生影响，但侧面气密性无法保证；C 图侧面为环氧树脂，既能保证侧面密封性，也不会对预制裂缝产生挤压。

图3 试件盒设计

（3）计量设备采用量程为50 L/min 的MF4008 型数显气体流量计。

全部气体渗透装置示意图如图4所示，上盖和下盖通过螺栓连接，硅胶垫嵌入上下盖中，保证上下面的气密性；采用环氧树脂密封试件侧面，保证侧面的气密性；进气口和出气口均采用快插接口实现密封。

图4 气体渗透装置和试件盒

裂缝处渗透系数的测量步骤如下。

（1）试件在50℃下烘干12 h 后冷却至室温。烘干温度由自愈合产物的分解温度确定，Picandet 等［5］发现，饱和度分别为3%和35%的带裂缝高性能混凝土试件，气体渗透性无明显差异。因此，仅需去除裂缝中自由水，避免其对气体渗透的影响即可。经过12 h 的烘干处理，裂缝表面即可达到干燥状态。

（2）将试件装入试件盒并对称拧紧螺栓，确保上、下面的气密性。

（3）通过减压阀将气压降至0.05 MPa，气体从试件下表面进入，上表面流出，试验时在装置与试件接触部位通过喷洒肥皂水检测装置气密性。Picandet 等［5］通过试验发现，对于完好和中度受损试件，气体压力为0.05～0.30 MPa；对于裂缝宽度较大的试件，气体压力范围可为0.01～0.10 MPa。

（4）试验发现，当主裂缝宽度在50～150 μm 范围内，0～40 min 内气体流量的相对变化值在2%以下，说明气体体积流量随时间基本不变，气体可以很快达到稳定状态。因此，将通气1 min 后的流量视为稳态流量。通过流量计测量气体流量，进而利用下式计算混凝土的气体渗透系数k：

式中：k 为混凝土气体渗透系数，m2；Q 为气体体积流量，m3·s-1；A 为试件渗透面积，m2；P1为出口压力，N·m-2；P2为入口压力，N·m-2；L 为试件厚度，m；η为黏性系数，s·N·m-2，15 ℃氮气η值为1.73×10-5s·N·m-2。

2.5 愈合环境将劈拉开裂后的试件分别置于海水、淡水（自来水）和标准养护室环境中，使裂缝发生自愈合，分析愈合环境对自愈合效果的影响规律，探索不同环境中裂缝的自愈合机理。

海水环境中，考虑到不同海域海水成分有差异，为便于自愈合效果和机理的分析，参考文献［10］采用人工合成海水，其主要成分如表2所示。

表2 合成海水成分［10］ （单位：g/L）

采用塑料箱作为海水环境下试件的养护池，每箱盛放25 L 合成海水，试验中为保证试件与海水充分接触，在水箱底部放置垫块，试件之间交错放置；每7 d 更换一次海水，确保人工合成海水中各组分及离子的浓度相对稳定，以便更好地模拟原位条件；将塑料箱打开，保证在试验过程中气体在水气交界面自由扩散，如图5所示。

采用两个塑料盆作为淡水环境下试件的养护池，试验中同样将盆口暴露于空气中，保证自愈合所需的CO2气体供应，从而更好地促进自愈合发生（见图5）。

标准养护条件是将试件置于标准养护室中，试件下方放置垫块，保证试验过程中裂缝处有充足的空气供应。

3 试验结果与分析

图5 海水和淡水愈合环境

3.1 劈拉裂缝形态试验通过数码相机采集试件劈拉开裂后的裂缝形态图，采用Photoshop 软件进行处理，得到劈拉开裂的典型裂缝形态图如图6所示。

图6 典型裂缝

从图6可以看出，劈拉试验产生的加载裂缝具有曲折性、粗糙性和连通性等特点，更能体现混凝土的真实裂缝形态。加载过程中，由于试件中部范围内拉应力最大，且分布均匀，试件中部首先开裂，然后沿垂直方向朝试件上下边缘扩展，主裂缝产生后，随着荷载继续增大，裂缝产生分支并形成细小附属裂缝，同时主裂缝继续扩展，最终贯穿至试件上下支承点。

试验发现，裂缝扩展速度与混凝土强度有关。加载初期混凝土内累积能量小于开裂所需能量，这些能量仅会造成混凝土损伤，但这种损伤对其渗透性基本没影响；随着荷载继续增大，试件内累积能量大于混凝土开裂所需能量，试件开裂。而且混凝土强度越高，试件脆性越大，裂缝扩展速度也越快。

试验设计了4 种目标主裂缝宽度，分别为50、100、150 和200 μm，实际裂缝宽度误差控制在±15 μm 范围内，试件正反两面裂缝宽度测量结果如图7所示。图7每个测点处柱状图由两段组成，下段为该测点处反面裂缝宽度实测值，上段为对应的正面裂缝宽度实测值。从图7可以看出：不论在哪种主裂缝宽度下，从1 号到9 号测点，裂缝宽度先增大后减小，最大裂缝宽度在4—6 号测点区域，裂缝均呈中间宽、两头窄的形态特征。

图7 表面裂缝宽度

3.2 应力-裂缝张开位移曲线试验发现，最大加载位移和卸载位移间存在一定的数量关系，试验中根据两者间的关系较为准确地控制卸载时间，得到了不同设计卸载位移下的劈拉应力-裂缝口张开位移曲线，如图8所示，设计卸载位移分别为50、100、150、200、250 和300 μm。

劈拉应力根据下式计算：

式中：σt为垂直于荷载方向的最大拉应力，MPa；P 为试件所受荷载，N；L 为试件长度或厚度，mm；D 为圆盘试件的直径，mm。

从图8可以看出，曲线在开始阶段接近直线，随着应力的增加，在峰值应力前，曲线不再保持直线，但如果在此阶段卸载，位移基本可以恢复。Wang 等［11］发现，当试件在峰值应力前卸载，卸载后约80%的裂缝可恢复，残余裂缝非常小，而且对渗透性基本没有影响。当超过峰值应力，裂缝迅速扩展，承载能力降低，应力减小；当应力下降到峰值应力的75%左右，裂缝口张开位移增加，应力基本不变，出现了类似钢筋屈服的现象。试验中一旦裂缝达到预设宽度，立即卸载，卸载曲线为一条直线，满足卸载定律。不难发现，卸载阶段曲线斜率均小于初始加载曲线斜率，这主要是由混凝土开裂导致自身刚度降低所致，并且裂缝口张开位移越大，混凝土内部结构损伤越大，刚度降低越多。

图8 不同设计卸载位移下的拉应力-裂缝口张开位移曲线

图9 卸载后裂缝口张开位移恢复

图9给出了加载曲线上最大加载位移和卸载后残余位移的关系，试验中最大残余位移为300 μm。当完全卸载后，裂缝口张开位移会减小，所能恢复的部分为材料弹性变形，残余位移即为裂缝扩展所产生的不可逆塑性变形。从图9可以看出，二者之间的差值随加载位移的增大而增大，这是由于加载产生的裂缝口张开位移越大，混凝土受损越严重，导致塑性变形比例增大，弹性变形所占比例减小。

3.3 愈合后力学性能分析自愈合试验均在卸载条件下进行，采用主裂缝宽度w1=100 μm 的开裂试件，实际裂缝宽度误差仍控制在±15 μm 范围内。为了对比愈合前后开裂混凝土的力学性能，对愈合后的试件开展了劈拉试验。试验中保证最大加载位移与裂缝预制阶段基本相同，仍通过位移控制加载，记录应力-裂缝口张开位移曲线。主要分析的指标包括：初始刚度K0、首次卸载刚度KX0、愈合后初始刚度K1、愈合后卸载刚度KX1、裂缝预制阶段峰值应力σ0和愈合后峰值应力σ1等，通过对比试件愈合前后刚度和强度的变化，定量评价不同环境中裂缝自愈合的效果。

海水、淡水环境和标准养护条件下，愈合后二次加卸载曲线分别如图10所示，图中同时给出了初始加卸载曲线，以便进行对比。

定义愈合前后强度比α=σ1/σ0，愈合后初始加载刚度恢复量β=（K1-KX0）/KX0，两次加卸载得到的主要力学性能指标如表3所示。

由图10和表3可知，经过28 d 愈合后，最大强度比α均未超过0.5，自愈合对劈拉强度恢复效果较差，说明自愈合产物与混凝土基体黏结强度较低，愈合产物更多起填充作用。愈合后初始加载刚度K1均比愈合前卸载刚度KX0有所提高，说明经过28 d 愈合，试件刚度有所恢复，但恢复值相对于初始刚度较小。

图10 裂缝愈合前后力学性能比较

表3 裂缝愈合前后力学性能比较

3.4 不同环境中自愈合机理分析为对比愈合前后和愈合过程中裂缝形态的发展变化，试验中对试件上固定位置的某一段裂缝进行跟踪观测，跟踪观测部位为随机选取，以便得到的结果更具有说服力。不同环境中混凝土试件的典型裂缝愈合过程图如图11所示。

图11 不同愈合环境中的典型裂缝愈合

从图11可以看出，环境条件对自愈合效果有显著影响，随着愈合时间的延长，愈合产物不断增多，自愈合填充效果也越为明显。

不同环境中裂缝自愈合的效果评价如图12所示。由图12可以看出，在不同愈合环境中，裂缝宽度和气体流量随时间逐渐减小，说明裂缝愈合水平随时间逐渐提高，但随着时间的增长，愈合水平将趋于稳定。因为愈合早期，裂缝宽度较大，自愈合所需原料比较充足，可以源源不断地传输到裂缝表面，促进自愈合的发生，这个阶段，化学反应速率决定了愈合速率；愈合后期，水泥颗粒基本水化完成，裂缝处愈合原料减少，而且裂缝宽度的减少也阻碍了水中离子向裂缝处的传输，导致自愈合进程变缓，这一阶段，原料的扩散成为影响自愈合速率的主要因素。

由图12还可以看出，海水环境中自愈合效果最好，淡水环境次之，标准养护环境中自愈合效果最差。相比于水养护环境，标准环境中自愈合效果差，主要是液态水供应不足所致。因为化学反应需要有水参与，另外细小颗粒的传输也需要借助于水的流动。Jacobsen 等［12］和Šavija［13］在研究中也发现，液态水是自愈合发生的必需条件，潮湿或水环境有利于自愈合的发生。

图12 混凝土自愈合效果与愈合环境的关系

由于标准养护环境中自愈合效果较差，本文仅对淡水和海水养护环境中裂缝的自愈合产物进行了微观检测，扫描电镜图（SEM）和X 射线衍射图（XRD）分别如图13和图14所示。图13中A—C 为淡水环境中的SEM 图，对应的XRD 图为14（a）；图13中D—I为海水环境中SEM 图，对应的XRD 图为14（b）。

淡水愈合环境中，通过SEM 图可以看到，裂缝表面附着絮状硅酸钙凝胶、六方板状氢氧化钙、斜方双锥文石和颗粒状或块状方解石；利用Jade 软件分析XRD 衍射图谱，可以发现愈合产物主要为碳酸钙、氢氧化钙、硅酸钙以及未水化的水泥颗粒。综合分析，淡水环境中裂缝自愈合产物主要有文石或方解石（碳酸钙）、氢氧化钙、硅酸钙以及未水化的水泥颗粒（硅酸二钙及硅酸三钙）。

海水愈合环境中，通过SEM 图可以看到裂缝表面附着絮状硅酸钙凝胶、六方板状氢氧化钙或氢氧化镁、斜方双锥文石、颗粒状或块状方解石、短柱型石膏和棒状钙矾石；利用Jade 软件分析XRD衍射图谱，可以发现愈合产物主要为碳酸钙、氢氧化钙、硅酸钙、钙矾石、二水硫酸钙、氢氧化镁以及未水化的水泥颗粒。综合分析，海水环境中裂缝自愈合产物主要有文石或方解石、氢氧化钙、钙矾石、石膏、水镁石、水化硅酸钙和未水化的水泥颗粒（硅酸二钙和硅酸三钙）。

海水和淡水愈合环境生成的愈合产物不同，主要与离子来源、种类和数量等有关。淡水中离子含量较低，CO32-有限，Ca2+和Mg2+基本可以忽略，自愈合矿物主要是文石或方解石（CaCO3），Ca2+由混凝土提供，溶液中CO32-的含量成为限制CaCO3生成的主要因素。海水中富含Ca2+、Mg2+、SO42-和CO32-等，这些离子可形成文石或方解石（CaCO3）、水镁石（Mg（OH）2）、钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）、石膏（CaSO4·2H2O）等矿物，形成的这些矿物能够大大增强裂缝的自愈合效果。

图13 愈合产物SEM 分析结果

图14 不同环境中愈合产物XRD 分析结果

当然裂缝自愈合过程并不仅仅是化学反应，还包括物理、力学等多种机制。总体而言，裂缝自愈合是各种物理和化学过程综合作用的结果，其机理主要包括再水化作用、结晶作用、分解作用和堵塞作用［13-15］。

（1）再水化作用。未水化的水泥颗粒（硅酸二钙和硅酸三钙等）在硬化混凝土中再次水化，生成水化产物；硅酸钙水化物的膨胀作用。

（2）结晶作用。淡水环境中，水化产物氢氧化钙与水、二氧化碳反应生成文石或方解石堵塞裂缝；在海水中，由于钙离子、镁离子、碳酸根离子和硫酸根离子等存在，会形成文石或方解石、石膏、钙矾石和水镁石等结晶物，这些矿物能够大大增强裂缝的自愈合效果。

（3）分解作用。裂缝处渗流作用导致氢氧化钙损失，化学平衡被破坏，使水泥水化产物分解，汇集在裂缝处，导致裂缝自愈合的发生。

（4）堵塞作用。裂缝表面松散颗粒、空气和水中的杂质等产生的堵塞作用使裂缝愈合。

自愈合机理的示意图如图15所示。

图15 不同自愈合机理

4 结论

本文通过试验研究了混凝土在劈拉加载过程中的裂缝发展特征、形态以及不同环境中裂缝的自愈合规律和机理，主要结论如下：（1）劈拉裂缝从试件中部向边缘扩展，最终贯穿至试件上下支承点。裂缝呈中间宽、两头窄的形态特征，其曲折性、粗糙性和连通性等特点更能体现混凝土的真实裂缝形态。（2）混凝土劈拉开裂导致自身刚度降低，卸载阶段曲线斜率均小于初始斜率，并且裂缝口张开位移越大，混凝土内部结构损伤越大，刚度降低越多。（3）愈合后劈拉强度恢复效果较差，自愈合产物与混凝土基体黏结强度较低，愈合产物更多起填充效果。愈合后初始加载刚度K1均比愈合前卸载刚度KX0有所提高，试件刚度有所恢复，但恢复值相对于初始刚度较小。（4）环境条件对自愈合效果有显著影响，标准养护条件中由于液态水供应不足，导致自愈合效果最差。海水环境中自愈合效果优于淡水，主要与离子来源、种类和数量等有关。淡水中自愈合矿物主要是文石或方解石，海水中可形成文石、方解石、水镁石、钙矾石、石膏等矿物，这些矿物能够大大增强裂缝的自愈合效果。（5）裂缝自愈合过程并不仅仅是化学反应，还包括物理、力学等多种机制。总体而言，裂缝自愈合是各种物理和化学综合作用的结果，其机理主要包括水泥的再水化作用、结晶作用、水泥水化产物的分解作用和颗粒杂质等的堵塞作用。