裂缝尺寸对混凝土自修复效果影响的试验研究

(河北工程大学土木工程学院， 河北邯郸056038)

0 引言

混凝土结构在工民建及公共设施重要构件中应用广泛，然而混凝土属于一种脆性材料，容易开裂。如果裂缝不及时处理可能造成结构使用功能丧失甚至发生事故。因此混凝土结构裂缝的修补意义重大。当前工程中常用的修复方法都是一些被动的修复方法[1]。

当前，混凝土自修复的研究为数不少[2-3]，但集中在钢—混凝土结构承载力和混凝土立方体试块力学性能的修复研究。匡亚川等[4]提出了内置纤维胶液管和内置胶囊的修复方法，较早的开展了钢—混凝土结构承载力自修复的研究。冯涛等[5]探究了乳酸钙掺量对微生物修复裂缝宽度和抗压强度的影响。钱春雷等[6-12]进行了微生物导致混凝土表面缺陷及修复的研究，这对细小裂缝的修复研究进程有重要意义。李双蓓等[13]运用双样条QR法对SMA混凝土梁修复进行了分析。程培峰等[14]在自修复混凝土修复效果影响因素的试验研究一文中，给出了放置位置，放置方式等因素对修复效果的影响。

他们的研究对于混凝土力学性能的恢复具有较大贡献，但混凝土立方体试块的自修复研究，不足以说明实际尺寸的构件的修复情况。且研究对象多为微小裂缝，而大裂缝对实际尺寸试件的研究缺乏。并且在以往自修复混凝土修复效果的研究中，一般用修复前的承载力与修复后的承载力的比值来表示修复效果。由于混凝土的脆性，修复前的承载力，应以开裂时的荷载表示。修复后的承载力不应以屈服荷载或极限荷载或其百分比为标准，因其并不能代表真实的情况。而修复失效的真正原因是粘结混凝土的胶黏剂失效，即胶面断裂。

本文拟通过控制试件裂缝宽度，同时以混凝土开裂荷载表示混凝土修复前的承载力，以缝宽增量超过胶液最大弹性应变(弹性应变后应变增大应力不再增加进入变形阶段)对应的缝宽增量时的荷载，表示修复后的承载力，研究裂缝尺寸对修复效果的影响及相关性。

1 试验

1.1 试件设计

试验设置7个100 mm×100 mm×500 mm混凝土基体，编号分别为1～7号，裂缝宽度预控制为0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm。为了防止混凝土的脆性破坏，且较容易控制不同裂缝宽度的形成。对混凝土受拉区配置两根直径为6 mm的Q235钢筋如图1所示，做试件的剪压破坏试验。

试件内埋含有修复胶液的单层单列修复装置，位置距混凝土基体底部4 cm，钢筋距底部2 cm。做三等分两点加载剪压试验，将加载好的试块，放在室外地面模拟实际情况，修复2 d后，测其修复效果(以胶液终凝时间做为达到最佳修复效果的时间)。裂缝使用ZBL—F103裂缝宽度观测仪观测。

1.2 加载设计

1.3 修复装置及修复因子的选取

查阅前人的研究知，修复装置应具备如下特征：1)修复装置与混凝土基体的性能匹配；2)修复装置应不与基体相互作用产生作用力；3)修复装置应能长时间存在于基体中，且性质不受外界环境变化而改变。

修复因子应具备如下特征：1)流动性较好，能随基体的开裂，胶液流入缝中产生作用;2)粘结强度较高，且固化后自身强度高[16]。

由以上特征决定，试验修复因子选用长城牌聚氨酯[17](胶液终凝时间为2 d)，修复装置选用玻璃管。

1.4 修复装置制备

用热熔胶枪制作符合玻璃管内管径的3 mm胶塞，用光影胶涂在胶塞侧面，放入玻璃管一端，用紫外线手电筒照射使胶液固化，由于封另一端时，会有大气压阻碍。试验采用在另一端胶塞上用20 mL注射器针头，开两个孔，将带孔胶塞放入另一端胶封，再通过20 mL带针注射器。将胶液注入玻璃管，最后用热熔胶枪封住胶塞上的两个孔，制作完成如图3。

图3 修复装置Fig.3 Repair device

1.5 混凝土基体参数确定

选用矿渣硅酸盐水泥等级32.5和自来水。石英玻璃管选用尺寸内径R1=1.2 cm，外径R2=1.4 cm，长度10 cm。混凝土配合比(水∶水泥∶沙子∶碎石)为0.54∶1∶1.63∶3.30，碎石粒径5～10 mm占比35 %，粒径10～25 mm占比65 %，砂子细度模数2.8。

1.6 修复效果指标确定

(1)

式(1)中：Pcr为修复前混凝土的开裂荷载；P为修复后缝宽增量达到对应增量时的加载值。

2 试验结果及分析

2.1 试件受力破坏过程及形态

观察和记录试验全过程，发现试件开裂前和开裂时符合混凝土梁的加载特征，但开裂产生之后，发现随着加载继续进行，到达某一荷载后，跨中处裂缝不再扩展，加载点下方外侧的裂缝还在扩展，继续加载，发现两加载点下方裂缝，有一条停止扩展，另一条继续扩展，加载继续，这条裂缝发展成为主裂缝。随着裂缝设计宽度的不同，主裂缝成为贯通或者不贯通的裂缝。

试验中有以下三种现象出现，如图4所示。图4(a)试件达到开裂荷载时，无跨中裂缝出现，只有加载点下方外侧出现裂缝。图4(b)裂缝出现位置集中在某一加载点下方，而不是两个加载点下方都成为主裂缝。形成一条裂缝贯通。图4(c)在底面主裂缝位置出现“人”字缝，后和主裂缝汇交在一起。图4(a)产生原因有两点：一是由于石子大小不一，造成每个截面强弱不完全相同。二是跨中不是受力最大位置，所以跨中裂缝最后没有成为主要裂缝。图4(b)产生的原因是两个加载位置截面，强弱不一，导致形成一条主裂缝。图4(c)产生的原因是底面的局部破坏。

(a) 三条缝照片

(b) 单条缝照片

(c) “人”字缝照片

2.2 荷载—缝宽曲线

观察和记录试验全过程，得到荷载、底面缝宽数据，并对得到的数据进行处理，得到荷载—缝宽(P-ω)曲线，如图5 所示。由图可见，加载未达到开裂荷载前，无裂缝出现。开裂后，裂缝宽度达到0.5 mm前，缝宽增长较缓，荷载增长较快，符合试件的带裂缝工作阶段特征。当缝宽超过0.5 mm时，裂缝发展加快，缝宽增加较快，荷载增加较小。当缝宽超过1 mm之后，试件很快进入极限状态。上述数据可为以后研究裂缝宽度对自修复效果影响提供借鉴意义，对设计的缝宽大于1 mm的裂缝，此阶段要大幅降低加载单位并延长持荷时间，才能得到设计的裂缝宽度。

2.3 荷载—缝高曲线

观察和记录试验全过程，得到荷载、缝高数据，并对得到的数据进行处理，得到荷载—缝高(P-h)曲线，如图6 所示。由图6可见，加载达到开裂荷载前，无裂缝出现。达到开裂荷载时，突然出现2 cm的裂缝。表明裂缝开展的突然性和较长性(指裂缝一出现值就较大)。荷载—缝高(P-h)曲线的增长趋势，接近阶梯形状。说明缝高增长的间断性(增长不是递增而是跳跃性增长)。究其原因是：开裂处大石子的存在，使得应力路径绕过石子向上开展，应力需求较大。完全绕过石子时，此时承载能力较小，较大的荷载，导致缝高突然增大，是产生缝宽阶梯性增长的原因。

图5 荷载—缝宽关系曲线
Fig.5 load-seam width relation curve

图6 荷载—缝高关系曲线
Fig.6 Load-seam height relationship curve

2.4 缝宽—缝高曲线

对试验过程采集的缝宽、缝高相关数据，得到各试件受力全过程的缝宽—缝高(ω-h)曲线，如图7 所示。由图7可见，缝宽在0.2 mm以内，裂缝高度达到2～5 cm，缝宽在0.2～1 mm以内，裂缝高度达到5～10 cm，缝宽达到1.5 mm时，裂缝高度达到9 cm及以上，贯通整个试件。缝宽和缝高是两个相关性很弱的量(几乎没有相关性)。

2.5 缝宽—胶液流出时间曲线

对试验过程采集的缝宽、胶液流出时间相关数据，得到各试件试验全过程的缝宽—胶液流出时间(ω-t)曲线，如8图 所示。缝宽为0.6 mm时，48 h内没观察到胶液的流出，由图8可见，当裂缝宽度达到0.9 mm，1.2 mm，1.8 mm时，胶液的流出时间分别为2 h，30 min，20 min。可作为胶液流动性的判断。为有时间要求修复的修复液选取，提供参考依据。当规定裂缝为2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm时，时间为零。表示试验过程中还没达到规定缝宽，就有胶液流出。

图7 缝宽—缝高关系曲线
Fig.7 seam width-seam heightrelation curve

图8 缝宽—胶液流出时间关系曲线
Fig.8 seam width-time relationcurve of glue liquid outflow

2.6 特征点参数及修复效果

通过试验得到了各试件的开裂荷载，开裂的缝宽，缝高及修复后的荷载等特征点参数，并计算出各试件的修复效果η，数据如表1 所示。从表可知，缝宽在0.9～3.5 mm之间时，修复效果随缝宽增加而下降。对于裂缝宽度小于0.9 mm，修复效果下降，原因是修复胶液不能充分填满缝隙，导致修复效果变差。裂缝宽度在0.9～1.2 mm之间修复效果在80 %左右。

表1 试件特征点参数Tab.1 Feature point parameters

3 修复效果相关性分析

图9 修复效果和裂缝面积与修复 前荷载之比相关性曲线Fig.9 Correlation curve between repair effect and fracture area and ratio of pre-repair load

为研究修复效果与裂缝面积和开裂荷载之比的相关性，做出修复效果与裂缝面积和开裂荷载之比的曲线图，如图9所示。

如图9所示，因为0.6～0.9 mm之间裂缝太小，胶液不能有效填缝、修复，因而修复效果不具有代表性。对缝宽在0.9～3.5 mm之间(系列一)数据进行线性拟合，得到线性拟合公式为y=-0.0217x+1.024 9，相关性系数R2=0.906 6，相关性较强。

总结影响修复的因素，大致可分为以下三类：1、胶液的粘结强度，主要包括被修复材料特性，应用环境，胶液的理论强度等。2、胶液的流出量，影响流出胶量的因素，包括修复装置位置，放置方式及胶管中含有的胶量，缝宽度，缝高度，缝长度。3、被修复基体的开裂荷载。主要包括试件尺寸，混凝土强度，配筋率等。本试验中有三个自变量，包括缝宽，缝高，开裂荷载。将其他影响因素用一个系数γ表示，可得修复效果的相关性表达式。

(2)

式中：η为修复效果，γ为除缝宽，缝高，开裂荷载外的其他影响因素的系数，ω1为结束点的裂缝宽度，h1为结束点裂缝高度。Pcr为修复前的开裂荷载。此式可为以后修复效果公式的研究提供参考。

4 结论

通过预控制缝宽的混凝土修复试验，得到实际缝宽为0.6 mm，0.9 mm，1.2 mm，1.8 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm。对试验结果分析及拟合,得结论如下:

①缝宽在0.9～3.5 mm时，修复效果随缝宽增加而下降，而小于0.9 mm后，随裂缝的变小，效果明显降低。得出缝宽在0.9 mm左右时，修复效果最高。检查发现，0.6 mm缝宽试件，缝隙胶液流出量，相较于其他6个试件少很多。缝隙太小胶液难以充分灌缝，导致效果变差。

②对于这种胶液来说，当缝宽达到0.9～1.8 mm时，胶液可在较短的时间内流出。缝宽在达到1 mm之前，随荷载增加发展缓慢，缝宽在达到1 mm之后，缝宽发展急速增加。

③从修复效果和裂缝面积与修复前荷载之比相关性曲线拟合中，得出修复效果和裂缝面积与修复前荷载的比值相关性很强。