混凝土损伤自愈合能力影响因素研究

吴风稳　刘文旭　杨成玉

【摘要】混凝土以优异的耐久性被广泛用于各种工程建筑之中，也是目前使用最为普遍的一种工程材料，在国民经济建设中处于十分重要的地位。但是由于混凝土本身会受到物理收缩、内外气候温差等各种不利因素的干扰，不可避免地会造成混凝土中的一些局部的损伤，直接影响到原材料正常使用，甚至还会直接导致混凝土工程倒塌，造成一些不可预测的损失，基于此本文就混凝土的自愈合性能影响因素展开研究。

【关键词】混凝土损伤;自愈合;影响因素

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、超声波无损检测的应用

混凝土无损检验是一种泛指在不损害混凝土的内部结构和其使用特性的条件下，运用声学、光、热、电、磁、射线等直接计算测量检验手段[1]。超声波主要振动指的就是各种超声波通过各种弹性介质的机械振动在各类弹性介质之间的振动传递，本质上来说就是各种波形在通过其他超声波或者其他弹性材料之间振动传递的机械振动。超声波检测方法是目前在工业中进行无损检测中使用最广泛的一种检测方法之一，在无损检测的应用情况下，超聲波检测方法主要适用于锻造、雕刻、焊接等各种机械零部件，物理性能检测的应用情况下，可以通过使用超声波检测方法对材料的厚度、硬度和强度、结晶程度、残余应力和连接头的强度进行无损检测。超声波的频率指向性技术相对来说应该是一个很好的技术选择，频率用的越多时其指向性也就越好。超声波音频传播的化学能量大，对于各种化学物质和金属材料的运动贯通性和穿透作用能力强，超声波的高频音速、振幅、频率等技术优势为我们深入进行现代超声波音频技术及其应用科学研究工作提供了广泛的应用数据。超声波检查检测技术不仅具有其对空气环境适应性强、感知灵敏、对于水和人体健康安全无害、设备简单轻便、成本低廉等多大优点，可立即地快速获得各种检测设备探伤的准确结果，可对于科学实验室及野外等多种复杂环境下的检测工作和日常操控环境中的检测设备和相关器件情况进行远程网络化的实时在线视频检查。

2、化学环境的影响

2.1 水的影响

混凝土中不经水化或部分被水化的泥块颗粒等就会因渗透剂的作用及第二次水化，产生钙、矾土凝胶等被水化的产物，通过充电作用及粘结作用促进裂缝的逐步愈合。预制地裂缝混凝土样品放到水里已经放了很多年，通过4分弯曲的测试发现它是有自我修复的现象，但是空气中滋养着的样品并未发生这种情况。研究证实，在潮湿的环境下，混凝土材料会迅速膨胀，导致裂缝缩短，甚至难以愈合。特别是针对宽度不大于1mm的裂缝较为明显[2]。与清水养护及标准规范养护情况进行了较量。实验结果证实，用清水进行养护的钢筋混凝土试件，从裂缝中开始断裂的应力和拉伸强度根据年龄不同，远远大于标准要求进行养护。但是混凝土裂缝的自愈并非仅仅是未经水化的水泥颗粒物质的第二次水化作用过程，也是裂缝原始凝胶颗粒物质的第二次水化作用过程。水或者湿润的环境虽然有助于对混凝土裂缝的快速愈合，但只有当水或者湿润的条件下，混凝土中的自愈性现象才可能会持续很长一段时间，因此对于混凝土结构受到损害的快速愈合并没有什么帮助。

2.2 co2的性能影响

硅酸ca（oh）2在钢筋混凝土中的孔隙水溶液中稍微不易溶于油和水的一种但也可以被我们称为水合物的产品硅酸ca（oh）2与具有渗透性的水和溶于空气环境中的硅酸co2进行水合反应，生成的硅酸caco3晶体性质为一种无色可溶性硅酸盐，它的分子体积随其大小比原来用于反应物质的体积大小膨胀约17%，堆积在晶体裂缝中难以完全愈合。通过实验研究不同介质浓度下的-co2对钢筋混凝土的自愈保护能力的重要影响。结果表明，co2浓度为3%时，掺有弹性纳米或高级弹性粘土的纳米钢筋混凝土浆对裂缝的自愈修复效果最佳。但是，当水中co2含量高时，一定程度上增加固体碳酸盐对其进入水和co2溶液具有促进作用。反之，如果水中co2含量减少，那么对于相应多余的碳酸盐便可能堆积到裂缝中。因此，为了大幅度地提高混凝土自愈效果，必须调整水中co2的溶液容量[3]。

2.3 负离子的影响

碱溶液可通过反应来促进钙矾土的基本结构单位生成，反应溶液中oh离子浓度越高，钙矾土的基本结构单元形成的驱动力就越明显。因此，我们可以推测oh离子有助于刺激未经水化、一些已经被水化得较高密度的水泥粒子。从裂缝中添加重水化后产物的含量，逐步进行细化和愈合裂缝，oh-离子的浓度越高，对水泥浆进行水化的刺激效果越明显。然而，其浓度不宜太高[4]。否则，混凝土中的酸碱过剩将引起碱骨料的反应，导致钢筋混凝土的开裂。

然而，cl离子的含量较低对于水泥石在地下层中的水化作用也是有促进的，cl含量太低则会直接导致混凝土结构中出现不同程度的腐蚀或者倒塌。据调查，如果量太大，强度就会下降。研究结果表明，将nacl加入用矿渣粉法配制的二氧化碳硅酸盐混合材料的水泥中时，如果初始使用量不到1%，水泥石的初始使用强度就可能会得到明显地提高，具有明显的活性激励和调节强度的作用。在实践中，nacl对于水泥进行水化的催化刺激作用机制类似naoh。

3、物理环境的影响

3.1 温度对混凝土自愈能力的影响

在这种高温的工作环境下，水泥原料进行了高温水化，凝结和水泥硬化的过程速度快，水化处理过程严重。因此，高温的环境会对水泥混凝土中裂缝的防止和自愈产生一定程度的促进效果。实验结果显示，水的气体温度和湿度越大，裂缝所引起的自我修复反应速度也就越快，愈合效果也就越好。比较了三种保护条件下水泥地基材料的自愈性能的影响。实验结果显示，在三种养护方法下，所有的水泥地基材料压缩强度均可以有明显地增加[5]。其中热养护条件在建筑中对水泥地基材料进行愈合是最有效的，标准化养护则是最佳效果其次。分析原因，这主要是因为在热养护的条件下，温度高，水泥基材料中未溶于水的部分在水泥基材料中被水化过程迅速地加快。因此与试样中含有ca（oh）2反应，生成caco3，防止裂纹和孔洞。混凝土作为建筑主体结构所使用需要的和服务周围的环境温度水平越高，水泥的深层水化处理效率越好，裂缝的自愈修复速度越快。然而，温度不一定可能过高。否则，高温下由于污水介质水化后的产物诸如ca（oh）2等经过高温脱水，产生大量的热水蒸汽，导致防水混凝土的最大体积和厚度膨胀，促进了凝土裂纹的不断扩展，降低了防水混凝土的使用强度。同时，钢筋混凝土的长期施工更加让人喜欢长期处于高热低温期，这主要因素是因为施工外部环境的水化温度就会变得越低，水泥浆的未经过高热水化和低温反应速度就会变得越慢，未经过低温水化的钢筋水泥砂浆中的颗粒体积变得愈来越多，混凝土自愈能力越大。

3.2 水压力及其流速的影响

水压梯度越高，当溶解于混凝土中的ca（oh）2在其溶液中慢慢达到饱和时，使得混凝土的水体系统暂时停止进行溶解或者破坏[6]。但是内部流动着的水随之被溶解ca（oh）2的逐步拿走，不断地打破这个平衡的状态，混凝土中ca（oh）2逐步流失，内部的酸碱度减少，导致混凝土的结构越来越差。并且，水的流动速度就会变大，这种损害的作用就越明显，对于混凝土中裂缝自愈就越不利。将预制出有裂缝的混凝土样品放到一个水源平衡稳定、水压力恒定的专门仪器中，混凝土裂缝的宽度可以在水力冲刷下逐步减少，单位时间内的渗水量可以逐步减少。结果表明，初期混凝土样品裂缝中漏水数量降低主要归功于在水的冲洗下，裂缝中已有松散的颗粒阻断裂缝，后期混凝土的裂缝中出现了caco3充填性裂缝[7]。

3.3 其他物理因素的影响

混凝土开裂越早，试件养护后抗压强度的增加越明显。在7d上对有裂纹的混凝土进行养护，发现4套纯水泥、粉煤灰含量平均分别达到30%、40%和50%的样品，压缩强度平均提高了30%。另外，根据建筑混凝土结构的荷载种类，裂缝的自愈效应也是各种不一样的。静载损伤对混凝土的自愈性效果有影响研究。结果表明，试件的负载水平越高，裂纹自愈的疗效越明显。研究结果显示，在低频泥浆上施加低频轴向压力循环载荷后，测量孔隙率，使低频轴向压力循环载荷不会对泥浆产生损伤或微裂纹，提高泥浆的强度或促进泥浆结构紧密性。研究了预加载样品对于混凝土本身的自愈合能力的影响，发现在预加载过程中拉伸和变形量的大小会对样品愈合效果产生很大的影响[8]。在工程中应用时拉伸变形越少，样品的愈合效果就越好。

3.4 水灰比的影響

3.4.1水灰比对强度的影响

在不同的水灰比条件下，混凝土在28天内受到预制性的损伤，一组是在水中养护，另一组则是在空气中养护，28天后测定其抗压强度，通过检查抗压强度恢复情况，表征了混凝土试件的自愈性和抗压能力。结果显示，混凝土受到自愈损伤的愈合能力随着水灰比的提高而呈上升和增加趋势，水灰比设定为0.55时混凝土受到自愈损伤的抗压强度最强，但是在混凝土受到自愈损伤前后相对较小。水灰比系数为0.55时，水会费比较大，混凝土中所有残留水分也就较多。在钢筋混凝土试件开裂等破坏性损伤事故发生后，未水化的胶凝材料和水相互接触，产生的水化物来填补裂缝等，起到了自愈和减轻破坏性损害的作用。另外，混凝土水化后剩余的水泥颗粒和矿渣可以在损坏事故发生后继续养护条件下重新进行水化。同样也会产生伤害自身而造成严重的结构损坏，大的水灰比可以提高混凝土早期强度，但较大的水灰比则可以提高对混凝土造成损伤自治能力。

3.4.2损伤愈合前后波速的变化

从利用超声波对不同厚度水灰比的各种混凝土材料试件超声传播率在速度上的变化情况可以清楚地明显看出，在水中进行养护和不在空气中养护进行超声养护的各种混凝土材料试件在适当一段时间内或在愈合前后的传播超声和微波波速因其增长率均匀而会因不同水灰比的波速增长而有所增大。

结语：

本文综述了近年来国内外对混凝土自愈能源环境影响因素的研究动向，预计今后的科研人员将会对进一步深入分析混凝土自愈的环境影响因素具有抛砖引玉的意义。由于混凝土结构的环境复杂，对自身愈合能力的影响不尽相同，可以通过加快混凝土内部受到损伤程度而改善，增强混凝土的自我愈合能力。目前，对于环境因子和混凝土能力的研究仍然是一个亟待解决的课题。目前国内外研究工作人员往往单独地研究各种环境因素，这与实际和客观上的应用情况不符，很难准确地分析各种环境因素相互结合作用于建筑混凝土中自愈性能的影响。因此，有必要进一步研究影响混凝土裂缝自愈的主要环境因素，为了确保混凝土结构的安全性和使用寿命，为实际应用中的混凝土设计创造最适宜的环境。要深入研究不同的环境条件下钢筋混凝土各成分（特别是胶凝材料）在不同的环境条件下对裂纹自愈合能力的影响、裂纹自愈合的激励条件和力学过程、裂纹自愈合的微观机制和宏观力学性能的影响和演化规律。

参考文献：

[1]刘斯凤，朱东明，郭泗军.硫酸盐环境下混凝土裂缝矿物自愈合性能研究[J].材料导报，2016，30（02）：108-113.

[2]王立成，邹凯.混凝土微生物自愈合技术研究进展[J].硅酸盐学报，2019，v.47;No.368（11）：135-145.

[3]李诗琦.沥青混凝土自愈合特性及评价指标研究[D].长沙理工大学，2018.