不同环境下混凝土裂缝自愈合的研究现状及发展*

石宝存，张士萍，陈玮，李成，牛龙龙，陈洵安

（南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

随着材料科学的飞速发展，混凝土凭借着成本低廉、性能效果佳、取材便利等优点，广泛地应用于建筑、桥梁、公路等基础设施，在我们的生活中变的随处可见。随着如今人们对建筑质量要求的不断提高，混凝土的力学性能、物理性能也在不断的提高，但混凝土实际结构受自身材料性能的限制，再加上复议期间循环荷载的作用，结构内部出现了不同程度的裂缝。这严重导致了混凝土的使用寿命低于它的设计寿命，极大的损害了人民经济和社会效益。但经过诸多学者的研究发现，混凝土有着一项重要本领，它能对自身出现的裂缝有着自我修复乃至愈合的能力。如果可以正确的利用这一特性，不仅可以使出现质量缺陷的混凝土得以修复，甚至可以废旧的混凝土起死回生。但通过研究发现，单独靠混凝土自身的这一性能是无法完成裂缝的自愈合乃至修复的过程。国内外学者对养护条件，裂缝的特征等因素在自愈合方面的影响进行了研究，取得了一些成果。从中发现混凝土结构在不同的环境中会受到不同的影响，比如：温度、湿度、酸碱性、应力等因素。

环境对混凝土结构的影响具有双重作用，既可以加速混凝土内部损伤的恶化，也可以提高强化混凝土损伤的自愈合能力。如果可以弄清楚在不同环境下，混凝土裂缝愈合过程的演变机制，明确混凝土自愈合能力的最佳条件，就可以提高混凝土自愈合能力的技术途径。

1 环境对自愈合性能的影响

不同的环境对混凝土的结构有着不同的影响，当然对于混凝土裂缝的愈合程度、强度恢复、抗渗能力等性能也都有着不同的影响效果。比如：不同pH溶液环境、不同盐溶液环境、不同湿度环境、不同的温度变化等。

1.1 不同pH溶液环境

2015年刘素瑞等[1]研究了混凝土裂缝在pH为7、9、11、13环境培养下裂缝的愈合程度，发现NaOH溶液环境下混凝土自愈合效果要明显好于水环境下的混凝土，并且pH值为13的NaOH溶液的自动愈合能力最好，随着时间的增加裂缝断面出现的C-S-H凝胶和钙矾石将会填充到裂缝里面，使裂缝减小甚至愈合。

因为在混凝土中碱过量经常会发生碱-骨料反应，导致混凝土开裂。但混凝土结构对适量碱的需求又是不可避免的。郑新国等认为碱是水泥水化的稳定剂、它也是促使掺合料发挥火山灰性的激发剂，NaOH在水泥的硬化中起催化和激发作用。

1.2 不同盐溶液环境

不同溶液的影响大多是阴阳离子在起着作用，有关对于阴阳离子的研究大多数都是在研究它对混凝土的分解破坏作用，而没有考虑到它对于混凝土自愈能力的研究。

2012年吴泽媚[2]在相同浓度下，无论是NaCl溶液还是NaOH溶液，它们都有利于水泥的水化。而不同的实验形式都反应相同的结果，PaulBrown[3]将少量的氯盐加入水泥里，就会有C-S-H凝胶和Ca（OH）2大量反应，也有不容于水的F盐生成。这与王春梅[4]的研究结果类似。也就是说他们都用实验证明，氯盐可以明显地促进水泥水化程度，水泥水化产物与Clˉ离子反应生成的不溶性F盐起到固化Clˉ离子的作用。

2015年刘素瑞等[1]对比研究了不同浓度硫酸钠、氯化钠、碳酸钠（0%、2%、4%、6%）的溶液环境下，预制裂缝的混凝土表现出不同程度的自愈合能力。随着浓度的增大，混凝土自愈合效果越来越明显。6%硫酸钠溶液在15d左右时就将具有裂缝的混凝土的强度已完全恢复；达到28d的时候，混凝土强度达到了137.8%，随着时间增长到达60的时候，却只能达到75.8%，从此也就可以看出硫酸钠溶液对于裂缝的自愈能力相对于其余两种溶液最为突出。大致的过程就是硫酸根离子与水化产物CH迅速反应，裂缝断面出现的CS-H凝胶和钙矾石将会填充到裂缝里面，将减小裂缝甚至愈合。随着龄期延长裂缝中就会堆积较多的钙矾石一类的物品就会在裂缝处膨胀，当膨胀显著时，使愈合的裂缝再次愈合。相对于硫酸钠溶液来说，氯化钠溶液下的自愈能力就要差一点，6%氯化钠溶液将混凝土裂缝的强度完全恢复需要30天，而在此溶液中恢复率达到100%则需要49天，60天的时候达到108.3%。氯化钠溶液处理裂缝就是将碳酸根离子与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉积在裂缝断面处，碳酸钙堆积到一定程度将会结晶，而就有晶体填充裂缝使其愈合。

2016年李海川[5]通过裂缝测宽仪分析盐溶液环境下裂缝的修复效果，分析对比了水泥砂浆在不同浓度盐溶液环境下前后裂缝宽度变化，发现裂缝的修复效果一般是先升高后降低的趋势。推断自修复的原因是盐溶液中随着未水化的水泥不断水化，不同离子与水化产物反应的生成物促进了裂缝的修复。

1.3 不同湿度环境

1995年挪威学者Stefan[6]对混凝土进行多次冻融实验之后，将被破坏的混凝土仅仅放在水中继续养护2~3个月，混凝土的强度就会恢复到3%~4%，Stefan还发现在裂缝边缘有了明显的生成物，新的水化产物大都有着相似的特征，产物在裂缝边缘处是最密实的，相比之下新产物裂缝的中央较为松散，这也导致了裂缝的宽度的减小，经过超声波测速实验后发现，自愈合之后的混凝土的超声波波速上升很快，甚至超过了初始的速度。此实验表明未水化部分遇水重新水化形成新的混凝土颗粒，使裂缝进行愈合。刘力先经混凝土试件进行高温处理，然后放在潮湿环境中，观察一段时间后，混凝土表面的裂缝部分有所愈合。

经过几年的发展，混凝土自愈合技术逐渐被发现并完善，2006年，呼和浩特机场的楼板裂缝经过几次大雨的浇淋之后变得不在漏水。针对这一现象，杨万科[7]进行了研究，他先将试块分为2组，将其放在不同的情况下进行研究：一种是对试件进行拉伸试验，在裂缝处填入新拌砂浆，放入养护池进行养护，另一种是直接在断裂的混凝土上补全另一半，进行28天养护，然后对试件进行抗压强度测试，所得结果达到原试件抗拉强度的70%，杨方林提出因为混凝土有湿涨干缩的特性，因此在潮湿的环境下，混凝土发生膨胀，使裂缝变小直至愈合。随后，其检测小组又对机场起飞跑道进行了修补，清除干净裂缝周围多余的已经损坏的混凝土，然后放在水中进行养护，随后浇筑新的混凝土，该跑道至今一直被使用。进一步地证实了混凝土热胀冷缩的特性在愈合裂缝时所起的作用。

2008年柴鹏[8]选用0.3mm厚，150*200mm的厚片插入混凝土试件进行裂缝预制，将预制裂缝的混凝土试块分为5组，5组试块均用温度20°的水，相对湿度为95%以上的空气环境进行养护，结果表明，两种养护方法早期抗拉强度差距不大，但随着龄期的增长，在清水中养护的混凝土试件，裂缝处的抗拉强度明显高于普通养护条件下的强度。他也就认为为反应完全的水化水泥颗粒在20°的清水中将会继续反应，而生成的产物将会愈合裂缝。

1.4 不同的温度环境

在高温环境下，水泥水化、凝结硬化速度快，水化程度大。相反则速度慢，水化程度小。因此，高温环境对水泥混凝土裂缝的自愈合起到一定的促进作用。2003年Hans-WolfReinhardt[9]将预制裂缝的混凝土进行有关温度的实验，控制其他变量保持一致，将预制的混凝土裂缝放在不同的水温环境中，研究不同温度对混凝土裂缝的愈合能力的影响。结果发现：水温越高，裂缝自愈合反应速率越快，愈合效果也就越好。

2013年杨文科[7]指出裂缝培养的温度环境越低，裂缝自愈合效果越好。因为温度较低时，水泥水化反应速率较慢，这样未反应的剩余物变多，进而使得裂缝得到尽快填补。

2012年张军学[10]将预制裂缝的混凝土放入3种不同的温度环境进行培养，发现它们的抗压强度都有明显的增长，温度最高环境培养下的混凝土试块愈合效果是最好的。

2 研究自愈混凝土存在的问题

到目前为止，自愈性混凝土的研究还处于一种初级阶段，研究还尚不成熟。大多都停留在试验探索阶段，对于如何将其投入到实际工程应用[11]中去和环境因素对混凝土自愈合能力有何具体影响等问题，都还没有得到很好的解决。

（1）针对不同环境条件下混凝土裂缝的自愈合性能研究很少，且没有明确掌握环境因素与混凝土裂缝发展之间的相关性。

（2）没有明确揭示有利于混凝土裂缝自愈合的最佳环境条件，对于动态环境的研究也比较少。

（3）目前还没有一个合理的可控的预制裂缝方法，这对试验工作、数据对比和实际工程应用中都带来了很大的麻烦。

（4）有关自修复的研究目前还未有一致的材料好坏判断与修复效果的评价方法，有关研究应继续进行。

（5）目前自愈合的研究主要是单个因素对其的影响，而涉及多个因素叠加影响的研究还非常少，并且还不确定什么因素对自愈合有影响，变化规律也不清楚。

3 结语

目前混凝土主要的自修复方式有：形状记忆合金的损伤控制、基于空心光纤和空心纤维的自修复方式、基于胶囊的自修复方式[12]、微生物混凝土裂纹的自修复。虽然国内外专家对其做了大量的研究，但对于修复剂与修复载体的选择、修复体系与基体性能的匹配、制作工艺的适应性、微生物及其载体的选择和准备、检测和评价方法等问题仍存在着大量的缺点或缺陷。并且对于如何建立一个有利于混凝土自愈合的激励环境，裂缝的愈合过程的演变机制等还缺乏全面系统的研究。

智能化是未来建筑材料发展大趋势之一，因此对自修复混凝土的研究是不可避免的。世界上的建筑材料都离不开混凝土，也可以说混凝土是所有建筑设施的根本。自修复自愈合混凝土、自感应混凝土和自调节混凝土是智能混凝土3个重要的发展方向。科学技术的不断进步和人们环保意识的提高，传统混凝土最终会被这种新型自修复混凝土所取代，这也是以后建筑材料科学的进步提供了新的动力。如果我们弄清楚在不同环境下，混凝土裂缝愈合过程的演变机制，明确混凝土自愈合能力的最佳条件，从而提高混凝土的自愈合能力，使混凝土结构具备防护功能，具有极大的经济和社会效益，对保证建筑物的安全和耐久性具备一定的指导意义。