国外混凝土裂缝自修复技术的研究近况

郑捷

（上海市退（离）休高级专家协会土木建筑专业委）

0 前言

混凝土构筑物由于经常受到设计上未加考虑的应力作用，当应力超过限值以上时，则因混凝土的抗拉强度远小于抗压强度而产生裂缝。在 GB 50204－2015《混凝土结构工程施工质量验收规程》中规定了构件最大裂缝宽度的允许值。虽然有些裂缝符合规范设计要求，对施工性能和使用并无不利影响，但从混凝土耐久性方面考虑，外部环境中存在的 CO2及 Cl-极易渗透到混凝土内部引起钢筋锈蚀致裂缝进一步扩大，进而增加了长期维护费用。因此在混凝土微小裂缝形成的初始阶段，能通过混凝土的自修复得到愈合是我们所期待的，以此产生的对混凝土裂缝自修复技术的研究逐渐受到人们的重视。本文针对国外近年来在混凝土裂缝自修复技术领域的研究进展作一概述，希望能对有关工程技术人员有所启迪。

1 混凝土裂缝自修复的分类与评价

1.1 混凝土裂缝自修复的分类

混凝土裂缝的自修复是指未水化的水泥基材料进行再水化的现象。人们从这种潜在的具有自己治愈微裂缝的现象中得到启发，进而利用掺合料或者在混凝土组成材料中添加、埋设其他材料、机能性装置，从材料设计上促进混凝土的自修复。在日本由数所大学及相关企业组成“JCI－TC075B 水泥系自修复的评价与利用方法研究委员会”，汇总整理了有关混凝土裂缝自修复的研究事例，对各种混凝土裂缝的自修复现象进行了分类，见表1[1]。

表1 中的愈合和修复虽然都表达了混凝土裂缝得到愈合这种现象，实际上是有区别的。前者所表示的是通过水泥基材料的再水化析出碳酸钙，包括使用适合的掺合料达到或促进裂缝愈合的现象。后者则表示人为地采用某种技术手段如发热装置、形状记忆合金等达到自动修复裂缝的目的。简而言之，混凝土裂缝的自修复可以分为两大类，即一类是起到愈合作用，如低水胶比中未水化的水泥再次水化，水工混凝土构筑物中裂缝的自然愈合，当然还包括利用磨细粉煤灰等其他掺合料或者利用生物技术促进混凝土裂缝的愈合。而另一类则是在混凝土中预先埋设如特殊的微胶囊、发热装置等，从设计角度出发在外部干预情况下达到裂缝自动修复的目的。

表1 混凝土自修复的分类

本文将重点阐述利用粉煤灰、化学短纤维以及生物技术促进裂缝愈合的研究事例，并按目前我国实际研究情况统称为混凝土裂缝自修复技术。

1.2 混凝土裂缝自修复的评价

从目前的研究报道来看，有文献认为微裂缝的自修复宽度在 0.1mm 以下，也有文献认为在 0.5mm 以下。以往采用的评价方法是通过荷载试验（如抗拉、抗弯）或冻融循环试验产生微裂缝，然后再次养护，实施同样的试验以测试其强度、刚性、能量吸收（荷重－位置曲线下的面积）的恢复程度及相对动弹性模量进行评价。近年来在试验方法上也有通过测试透水量的变化、氯离子侵蚀的程度、超声波传播速度的变化来评价自修复的效果。总之，试验评价方法较多，尚未形成统一的评价方法和指标。

2 粉煤灰的火山灰反应在混凝土裂缝自修复中的作用和评价

磨细粉煤灰作为一种广泛使用的掺合料与水泥组成复合胶凝系统。在混凝土裂缝的自修复过程中粉煤灰中的活性组分与水泥水化过程中析出的氢氧化钙进行“二次反应”。同时该“二次反应”也说明了掺入粉煤灰的混凝土具有早期强度低、后期强度高、强度增长持续时间长的特点。正因为粉煤灰的胶凝性质具有潜在水化时间长的特性，从而为混凝土微裂缝提供了自修复的可能性。

为了正确评价粉煤灰在混凝土裂缝的自修复效果，進藤義勝等[2]对添加Ⅱ级磨细粉煤灰及未添加的两种试件经压力荷载和电化学腐蚀加速劣化后，在促进自修复的环境中进行 28d 养护。然后测试混凝土的电阻值及超声波传播速度。试验要素见表2[2]。

表2 试验要素

在促进混凝土裂缝自修复的养护条件下，分析养护开始后至第8 周的超声波传播速度及电阻值的变化。

（1）由于超声波在混凝土中传播速度的快慢与混凝土的密实度有直接关系。对于相同原材料、同一配合比，且龄期、测试距离一定的试件，声速高则混凝土密实，当存在裂缝或空隙时，混凝土试件的整体性受到破坏，传播路径增大传播速度必然下降。试验结果表明掺入粉煤灰的混凝土试件经压力荷载后，在 40℃水中促进自修复养护后超声波传播速度得到恢复，速度增加率显著增大。

（2）混凝土电阻值的测定是在混凝土试件促进自修复养护 8 周取出后进行的，由于试件的含水状态对电阻测定有较大影响，因此试件需在 20℃的恒温室内静置一周后测定。试验结果说明掺加粉煤灰的试件其电阻值要明显大于未掺粉煤灰的试件，而且掺加粉煤灰的试件的电阻值随着促进自修复养护时间的增加而增大。

（3）试验还表明经过促进自修复养护后的试件比未经劣化的健全试件的抗压强度增长率要大，而且在40℃水中养护后的试件抗压强度增长率显著增大。

在促进自修复的养护环境下，粉煤灰的“二次水化”反应发挥了自修复作用，粉煤灰的充填效应以及后期的水化反应使混凝土内部的空隙组织致密化。

3 化学纤维在混凝土裂缝自修复中的作用和评价

化学纤维作为水泥基的复合材料可以有效控制各种因素引起的裂缝，改善混凝土材料的脆性，防止混凝土原生裂缝的形成和扩大。在混凝土自修复技术方面化学纤维在促进混凝土微小裂缝愈合上又将起到怎样的作用，是人们所关心的。崔希燮等[3]选取 PVA（聚乙烯醇）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）三种纤维，对于事先由抗拉荷载引发的微小裂缝试件给予一定的养护条件，分析混凝土试件表面、内部的组织变化，测定其透水性及析出物的数量，判断混凝土裂缝自修复的效果。

3.1 试验概要

试件尺寸为 85mm×85mm×25mm，成型后置于温度为 20℃，湿度为 60% 的恒温恒湿环境下，在水中养护 28d 后取出。经抗拉强度试验导入 0.3mm 的微小裂缝。试验要素及条件如表3[3]所示。

表3 试验要素与条件

3.2 试验结果的评价与分析

3.2.1 透水性能

为了比较各种纤维在促进养护条件下的自修复效果，分别对试件进行透水试验，测定其裂缝发生后及促进养护后单位时间失水量，并观察透水系数的变化。结果显示，PVA 纤维试件的透水系数最低，其次是 PE 纤维试件，而掺 PP 纤维的试件透水系数最高。在所选用的掺入 PVA 纤维试件在水+微气泡自修复养护 7d 后防水性能恢复程度达到试验产生裂缝时的 40 倍。而在 Ca(OH)2＋微气泡自修复养护 7d 后其防水性能恢复程度达 460 倍，三种纤维防水性能优劣顺序为 PVA＞PE＞PP。试验表明对于 0.3mm 微小裂缝而言，Ca(OH)2＋微气泡的促进自修复养护效果明显要好于水+微气泡的养护环境。

3.2.2 裂缝的愈合情况

应用光学显微镜对试件表面观察裂缝愈合效果发现无论采用水+微气泡或 Ca(OH)2＋微气泡所进行的自修复养护，表面都有白色析出物质。经拉曼光谱分析确认为碳酸钙。只不过掺入 PVA 纤维的试件表面裂缝完全愈合，PE 纤维试件部分愈合，而 PP 纤维试件基本没有白色物质析出。同时在所析出的碳酸钙量化上也印证了自修复效果依次为 PVA＞PE＞PP。

如前所述，在有水分供给的环境下，对于微小裂缝经水泥基材料的再水化而析出的碳酸钙可以充填裂缝取得愈合的效果。这种自修复的化学反应式如下所示[3]：

受上式启发，在促进自修复养护期间给试件增加 CO2微泡沫水溶液或 Ca(OH)2微泡沫水溶液，增加 Ca2+，将促使析出更多新的 CaCO3矿化物，有助于微小裂缝的愈合。以上试验还说明具有亲水极性基的 PVA 纤维与不具有亲水极性基的 PE、PP 纤维相比较裂缝愈合效果显著，这是因为 PVA 纤维良好的亲水性能使得与水泥浆体的粘附力优于其他种类的纤维。

4 微生物在混凝土裂缝自修复中的作用和评价

谈及微生物，人们对硫酸盐还原菌（SRB）对下水道混凝土的腐蚀有深刻的印象。由于 SRB 在繁殖过程中释放出 H2S，而 H2S 与 O2的结合形成的硫酸会对钢筋混凝土产生腐蚀作用，这是微生物导致腐蚀破坏的一个典型事例。与此同时人们也发现某些微生物的繁殖活动在一定条件下具有析出 CaCO3的功能，从而为混凝土裂缝的自修复打开了另一扇门。

利用微生物修复混凝土裂缝主要是通过微生物的代谢作用与混凝土中的钙离子反应生成 CaCO3晶体使裂缝闭合而达到修复的目的，从而为混凝土裂缝的修复提供了新的技术途径。Xu 等[4]将所导入的裂缝宽度为 5mm 的试件在不能分解尿素的细菌中分别加入乳酸钙溶液和谷氨酸钙溶液中浸渍 30d 然后评价其裂缝愈合的效果。结果显示在细菌中加入谷氨酸钙的试件愈合效果要好于加入乳酸钙的试件。可能的原因是两者钙离子转化为 CaCO3的效率有显著差异。

Wiktor 等[4]对地下停车场因裂缝而漏水的混凝土楼板进行微生物修补试验，由碱性细菌、硅酸钠、葡萄酸钠组成的 A 溶液与碱性细菌、硝酸钙组成的 B 溶液交替喷涂在裂缝处达饱和状态，经 2 个月后裂缝完全闭合。

利用微生物修复混凝土裂缝需要关注的是混凝土是一种高碱性材料，对微生物的活性有制约作用而影响了微生物的代谢，因此如何在高碱环境下营造出一种能适合微生物菌群正常代谢活动的内部环境，保持微生物的矿化活性是利用微生物修复的关键。Farmani 等[4]利用微硅粉置换 20% 的水泥以降低混凝土的 pH 值。试验所用的微生物是芽胞八叠球菌属并获得了成功。Wang 等[4]提出将孢子化的细菌装入直径为 5μm 的微胶囊作为一种保护方法，微胶囊能经受搅拌并和水泥浆体充分结合，当试件遭破坏产生裂缝时，只要裂缝中有水分流入，遭破坏胶囊内的细菌孢子就能发芽析出 CaCO3使裂缝自动愈合。

5 结语

并不是所有的混凝土微小裂缝在形成初期会给结构安全或使用功能带来影响，但微小裂缝造成的渗水现象将直径导致混凝土长期性能的损害。尤其在商品住宅建造中关系到住户的切身利益，施工过程中不可忽视。

以上所概述的粉煤灰、化学纤维、微生物技术用于混凝土裂缝自修复技术的研究，至少可以给到我们以下几点启示：

第一，对于粉煤灰、化学纤维等外掺料人们往往从改善混凝土各项性能的角度加以关注，实际上这些材料所存在的潜在功能还远未被我们认识，这恰恰需要我们不断地去挖掘、发现。

第二，微生物技术看似与混凝土无关，但近年来微生物技术用于砂质地基加固、用于除冰剂所造成混凝土路面破裂的修复等等都取得了显著的成果。因此微生物与传统混凝土技术相结合可以产生出新的联想空间，也给混凝土技术创新打开了新的思路。

混凝土内部或表面所生成的微小裂缝虽然极其微小实则危害甚大，而且肉眼难以捕捉，若用仪器探测需要耗费大量人力物力，因此从这个意义上讲开展混凝土裂缝自修复技术的研究是非常有必要的。目前，尽管该项技术的研究应用取得了一定的成果，但是离实际工程应用还有距离，随着研究工作的推进，相信混凝土裂缝自修复技术必将在工程中得到应用。