环境因素对砂浆裂缝自愈合的影响

马 强，单立福，袁连旺，王金邦，范德科，尹润平，周宗辉

(1. 中建材中岩科技有限公司，北京 100024； 2. 济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022)

水泥混凝土是世界上用量最大、用途最广的人造复合材料之一，凭借其便捷的运输成型、高强度、高耐久和低廉的价格等优势，已成为基础建设领域不可或缺的重要组成部分。随着我国基础设施建设的蓬勃发展，混凝土结构的耐久性和安全服役性越发受到用户的关注。影响混凝土耐久性的一个关键因素就是裂缝的存在[1]。

裂缝的存在为外部环境中有害侵蚀离子进入提供了便捷的通道，给混凝土结构内部的钢筋、骨料和基体带来巨大的侵蚀风险，最终导致混凝土的承载力降低[2]，而且，最初产生的微裂缝若不能及时修补，将会逐渐发展扩大而演变成宏观裂缝，最终导致结构失效。通常，混凝土结构普遍是带缝工作的，由于外力作用和体积形变等原因导致的微裂缝的产生是不可避免的。目前，工程上对混凝土裂缝的补救多以人工修复为主，前提是裂缝达到了可被观察和发现的程度且维修工人能够接触到[3]。人工修补存在费时、费力和不能及时发现等缺点[4]，因此，混凝土的自修复能力越来越受到研究人员的关注。

为了增强混凝土自修复能力，研究人员开发了多种辅助手段。其中，微胶囊技术[5]的研究最为普遍。微胶囊不仅可以包裹和保护修复剂，还可以承载细菌，通过细菌等微生物的矿化作用填补裂缝[6]。还有研究人员模仿生物血管系统，在混凝土中埋入中空玻璃管，当裂缝引发玻璃管破裂时，管中的修复剂就对裂缝进行修复。此外，形状记忆材料也被用于混凝土裂缝的自修复研究[7]。上述新技术有很好的裂缝修复效果，但是，成本过高和施工难度较大等问题导致目前很难在工程领域普及。幸运的是，研究人员很早就发现水泥混凝土具有自我修复能力，尤其是在有水存在的环境中这种修复能力能够更好地发挥[8]，人们普遍认为这是未水化的水泥颗粒继续水化作用和碳酸钙沉淀作用的结果[9]，但是，环境因素对混凝土自修复的影响规律研究还不充分[10-11]，微观机理还需进一步解释。本文中主要从混凝土裂缝的修复环境角度进行研究，将带有相同尺度范围裂缝的试块分别在自然空气、相对湿度95%、干湿循环和浸水环境中进行自修复实验，研究环境条件对裂缝自修复的影响规律。

1 实验方法与设计

1.1 原材料

采用济南山水水泥厂提供的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，比表面积为335 m2/kg，平均粒径为14.29 μm。试块的水与水泥的质量比(简称水灰比)设计为0.42。采用福建省厦门艾斯欧公司生产的标准砂，细度模数为2.8。使用山东建筑材料研究设计院提供的聚羧酸高效减水剂调节砂浆的工作性，使坍落度保持在160～180 mm范围内。拌和用水为市政供给自来水。

1.2 实验方法

1.2.1 试件的制备、开裂与愈合

将一定质量的水泥按照水灰比0.42、水泥与标准砂的质量比(简称胶砂比)1 ∶3配制成砂浆试块。添加胶凝材料质量的0.3%的聚羧酸减水剂以保证砂浆的工作性。将拌和好的砂浆在尺寸为40 mm×40 mm×160 mm(宽度×高度×长度)的标准模具中成型。1 d后脱模，并在标准养护环境中养护至28 d龄期。将到达规定龄期后的砂浆试样取出，分别进行超声波脉冲速度测量和动弹性模量测试，获得完整试样的测试数据。然后通过三点弯曲的方法制作裂缝。万能试验机以0.01 mm/s的恒定加载速率进行三点弯曲试验以保证试块未完全断裂。

将开裂的砂浆试块用环氧树脂固定，然后测量开裂后的超声波脉冲速度和动弹性模量，并用光学显微技术观察裂缝开口尺寸并拍照。将开裂后的试块分别放置在自然空气中、相对湿度95%的标准养护环境、干湿循环装置内和完全浸没水中进行自愈合实验。每组均有3个砂浆试块。60 d后再次观察裂缝开口，测量超声波脉冲速度和动弹性模量并进行比较。

1.2.2 裂缝修复效果评估

通过无损检测手段确定水泥砂浆在裂缝产生前、后和裂缝愈合后的相关性能，从而表征其自修复效果。无损检测的手段包括光学显微镜观察、超声波脉冲速度和动弹性模量测量。

通过光学显微镜图像观察砂浆的裂缝宽度，使用广东省深圳市思韦尔检测科技有限公司提供的思韦尔裂缝宽度测量仪进行测量，仪器型号为SW-LW-201，显微测量探头规格为2 mm。测量时，打开电源开关，将探头的2个尖脚紧靠被测裂缝，即可在液晶显示屏(LCD)上看到被放大的实时裂缝图像。保存屏幕显示的裂缝图像，并将图像导入计算机，通过仪器自带的测量软件读出裂缝宽度，精度为0.1 μm。

使用TICO牌混凝土超声波检测仪测试砂浆试块的超声波脉冲速率(UPV)，脉冲电压为1 kV，分辨率为0.1 μs，使用2个54 kHz的传感器用于发射和接收信号，2个传感器之间的距离为9.7 cm，通过该仪器可读出超声波脉冲速度。

使用北京数智意隆仪器设备有限公司提供的混凝土动弹性模量测定仪(型号DT-W18)测量自愈合前、后砂浆试块的动弹性模量。

1.2.3 自修复的微观机理分析

为了研究环境因素对砂浆裂缝自修复机理的影响，对自修复产物进行了热重(TG)和微观形貌分析。将自修复60 d的试块用无水乙醇浸泡并终止其水化，然后在60 ℃的真空干燥箱中烘干24 h。

为了确定自修复产物的类型和相对含量，将自愈合后的砂浆试块掰开，从裂缝内表面刮下粉末进行TG测试。使用差热分析仪进行测试，测试温度为30～1 000 ℃，升温速率为10 ℃/min。

从未经破坏的裂缝内表面切下5 mm×5 mm(长度×宽度)的带修复产物的区域用于微观形貌分析。使用带有能谱仪的扫描电子显微镜(SEM)进行测试，观察自修复产物的微观形貌，并对产物的化学成分进行测定分析。

2 结果分析

2.1 环境对裂缝自愈合效率的影响

2.1.1 光学显微图像分析

光学显微镜是观察裂缝修复情况的最直观的工具，既能清晰地分辨新鲜裂缝的边缘，又能清楚地观察到修复产物的填充情况。自愈合前、后砂浆裂缝表面的愈合情况的光学显微图像如图1所示。由图可以看出，不同修复环境中的裂缝闭合效果明显存在差异。对于自然空气中的愈合的砂浆裂缝，裂缝的平均宽度为217 μm，自愈合60 d后裂缝宽度基本没有变化，裂缝开口处未发现明显的修复产物生成。在相对湿度95%的标准养护室中自愈合的裂缝边缘有白色结晶产物生成，但产物生成量较少，裂缝开口平均宽度仅从222 μm减小到208 μm，且修复产物的生长不均匀，有的地方生成量多，有的位置生成量很少。相比之下，在干湿循环和浸没水中自修复的裂缝愈合效果明显很好，裂缝初始开口平均宽度约为234 μm，自愈合60 d后裂缝基本完全愈合。浸没在水中的初始裂缝开口宽度最大，平均值达到252 μm，但是其自愈合效果最好，不仅裂缝开口被完全封堵，还有结晶物质覆盖在裂缝周围的样品表面。这说明水泥基材料的自愈合程度对所处环境具有很高的要求，尤其是液态水的存在至关重要。文献[12-13]中也报道了类似的现象，浸没于水中的裂缝愈合效果要明显优于曝露于空气中的，而且，空气中的裂缝通常不会发生开口宽度的变化，进一步说明了液态水在自愈合中的重要性。

(a)自然空气(b)相对湿度95%(c)干湿循环(d)浸水图1 不同环境下砂浆裂缝自愈合情况的光学显微图像

2.1.2 超声波脉冲速度分析

超声波无损检测技术已普遍应用于混凝土结构检测中，并取得了可靠的结果[14]。超声波脉冲速度能够对裂缝的愈合情况提供有价值的信息。处于不同状态时的砂浆试块的超声波脉冲速度如图2所示。由图可以看出，完整试块和开裂试块的超声波脉冲速度存在明显差异，自愈合后的超声波脉冲速度也会不同，而且通过脉冲速度的变化情况可以大致比较裂缝修复情况。

图2 处于不同状态时的砂浆试块的超声波脉冲速度

对于28 d龄期的砂浆试块，其超声波脉冲速度普遍为3 300～3 400 m/s，由于试块内部结构存在差异，因此会有少许的差异。当试块开裂后，超声波脉冲速度普遍减小到1 700 m/s以下，且裂缝开口越大，超声波脉冲速度越小。随着自愈合的发生，超声波脉冲速度会逐渐增大，尤其是干湿循环和浸没于水中的试块，超声波脉冲速度恢复明显，达到了2 500 m/s。空气环境和相对湿度95%标准养护环境下的试块的超声波脉冲速度恢复很小。通过超声波脉冲速度的恢复情况可以推断，有液体水的裂缝处生成结晶产物并封堵裂缝，有效地实现了自愈合。置于空气中的试块，其裂缝处可能因杂质或尘埃粒子的进入而使超声波脉冲速度稍有增加。在水气环境中的裂缝也有结晶产物生成，但生成量太少，超声波脉冲速度的恢复程度很小。

2.1.3 相对动弹性模量分析

混凝土的相对动弹性模量在冻融实验中普遍使用，能够反映冻融前、后混凝土内部的致密情况和裂纹发育情况，因此，相对动弹性模量在分析裂缝愈合方面也有一定的作用。

图3所示为砂浆试块在不同状态时的相对动弹性模量变化。当砂浆试块开裂后，其动弹性模量普遍下降至60%以下。开裂程度越严重，动弹性模量的损失越大。经过自愈合后，置于空气中的试块的相对动弹性模量基本没有变化，说明裂缝没有被修复。置于相对湿度95%标准养护环境中的试块的相对动弹性模量略有提升，但幅度不大。置于干湿循环和浸水环境下的试块的相对动弹性模量明显恢复，达到了70%，尤其是浸水环境的试块的恢复效果最佳，相对动弹性模量提升幅度最大。

图3 处于不同状态时砂浆试块的相对动弹性模量变化

2.2 不同环境中砂浆裂缝自愈合机理

2.2.1 TG分析

图4(a)为在不同环境中砂浆裂缝自愈合产物的TG曲线，图4(b)所示为自愈合产物TG的一阶导数曲线。由图可以看出，不同环境中砂浆裂缝自愈合产物种类和数量都存在显著差异。其中，4组样品中都在70～200 ℃有质量损失，在TG的一阶导数曲线中有明显的峰，这主要是水泥水化产物钙矾石分解和凝胶脱水所致，说明裂缝表面存在水化产物。在自然空气环境和相对湿度95%环境中，自愈合试样在该温度范围内失质量较多，原因可能是刮下了较多的原始基体中的物质。在温度为400～500 ℃时，在空气环境和相对湿度95%环境中自愈合试样出现明显的质量损失，主要是水化产物氢氧化钙分解所致；在干湿循环环境中的自愈合试样在该温度范围内有微量的质量损失，说明产物中也存在氢氧化钙，但含量较少；在浸水环境中的自愈合试样中几乎没有氢氧化钙存在。在温度为660～840 ℃时，4种环境中自愈合试样均出现了明显的失质量，说明有大量的碳酸钙分解发生。在干湿循环和浸水环境中的自愈合试样中存在更大量的碳酸钙，说明液态水的存在对水化产物碳酸化有促进作用，尤其是将氢氧化钙碳化为碳酸钙。没有液态水存在时也会发生碳化，但碳酸钙的生成量较少，因此，水泥基材料自愈合的2个主要原因(未水化水泥颗粒的进一步水化和碳酸钙的结晶沉淀)均需要液态水的存在。

(a)TG曲线

(b)TG的一阶导数曲线图4 不同环境中砂浆裂缝自愈合产物的热重(TG)曲线

2.2.2 微观形貌分析

图5 不同环境中自愈合试样的扫描电子显微镜(SEM)图像和化学成分分析

不同环境中砂浆裂缝自愈合试样的微观形貌图像和化学成分分析如图5所示。由图可看出，不同环境中的砂浆裂缝自愈合产物形貌存在巨大差异。图5(a)显示了在空气环境中的裂缝自愈合表面多为密实的水泥浆体，其钙硅质量比与浆体内部的接近，且碳含量少，说明碳化程度较低，表面的碳酸钙晶体较少。图5(b)显示潮湿的空气对裂缝表面的继续水化和碳化有一定促进作用，裂缝表面有疏松的水化产物生成，且钙硅质量比增大，碳化程度进一步加大。图5(c)显示的裂缝表面生长了一层类似凝胶的物质，但其中也夹杂着大量的碳酸钙，通过能谱分析可以看出，钙含量明显增加，这是由液态水环境中钙离子比硅离子更容易溶出并在裂缝表面富集所致。此时的自愈合产物是水泥水化和碳酸化共同作用的结果，这与TG分析结果相互印证。图5(d)所示的裂缝表面明显富集了一层碳酸钙晶体，能谱图显示有大量碳元素的存在，而水化产物可能被碳酸钙覆盖。由此可见，液态水不仅有利于未水化水泥的继续水化，还有助于碳酸钙的结晶沉淀，因此，液态水环境下的主要自愈合机制是碳酸化[15]，原因是表面裂纹生成的碳酸钙是主要愈合产物。

3 结论

环境因素会对砂浆裂缝自愈合能力产生一定的影响。裂缝处液态水的存在有利于未水化水泥的继续水化和碳酸钙生成，从而促进裂缝的自愈合。干湿循环和浸水环境能使宽度为250 μm左右的砂浆裂缝完全封闭，超声波脉冲速度和相对动弹性模量也明显恢复。在空气环境中的裂缝几乎不会愈合，因此，水下混凝土结构的裂缝比较容易自愈合，而北方干旱地区的混凝土裂缝需要采取洒水保湿等手段促进自愈合。