自修复混凝土修复效果影响因素的试验研究

魏玉伟， 程培峰， 刘 满， 赵倩倩,2

(1.东北林业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040； 2.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150050)

水泥混凝土路面能够适应日益发展的交通运输所必需的载重量大、速度高、车流量大等要求，同时具有强度高、稳定性好、使用寿命长、维修养护费用少等许多优点.但它作为一种非匀质脆性材料，在周围环境的影响下极易在构件内部产生不规则且不连贯的微裂纹.这些微裂缝若不能及时修复的话会在外界因素影响下进一步发展成宏观裂缝，从而大大降低水泥混凝土路面的耐久性和安全性[1-2].因此，如何防治及修复水泥混凝土路面的裂缝至关重要.

目前常用的裂缝修补方法有表面修补法、灌浆嵌缝封堵法、结构加固法、混凝土置换法、电化学防护法等被动修复方式，而仿生自愈合法作为一种主动修复方式，它能够及时修复混凝土裂缝，恢复其密实性和力学性能[3-4].

当下，仿生自愈合法修复混凝土裂缝即自修复混凝土尚处于智能混凝土的初级阶段[5]，国内外学者在自修复混凝土技术方面展开了各种尝试和研究.Ryu等[6]研究了电化学自修复技术，日本学者研究了不同修复材料、不同水灰比以及不同纤维掺量对修复效果的影响[7]，习志臻等[8]对水泥砂浆试件用不同修复剂修复前后的强度和断裂韧性进行了研究，刘小艳等[9]从混凝土自身组成出发，研究了水泥强度等级、掺和料、纤维对混凝土损伤自愈合性能的影响.但目前对于裂缝修复能力影响因素的研究局限于修复材料、配合比等内因，对于如温度、荷载等外因的影响研究却较少，因此，为了达到最佳的裂缝治愈效果，将影响修复效果的内因和外因结合起来进行研究非常必要[10-11].内置玻璃纤维管的自修复混凝土作为自修复混凝土的一种，其之所以能够修复裂缝是在裂缝初始宽度、玻璃纤维管的数量及其放置位置、胶黏剂种类、外界环境等因素共同作用下完成的.为探究这些因素对混凝土自修复效果的影响，本文选取裂缝初始宽度大小、玻璃纤维管的放置方式及外界环境条件(温度)为变量，用抗折强度回复率[12]来表征修复效果，进行了混凝土自修复试验.

1 试验概况

1.1 修复材料及其载体

修复材料为长城717胶黏剂，它是一种端异氰酸基聚醚型单液型聚氨酯胶黏剂，具有较高的黏结强度和良好的流动性[13]，这种结构特点使其具有常温固化、耐温、耐油、耐酸碱等特点.

修复载体数量、修复载体与混凝土基体的力学性能是否匹配对修复效果至关重要.由于玻璃与混凝土的线膨胀系数很接近，当温度变化时，玻璃和混凝土不会因为产生相对的温度变形而破坏两者之间的黏结；而且玻璃是由多种氧化物组成的，计算表明其抗压强度一般为500～2000MPa，远高于混凝土抗压强度，能避免因荷载等作用导致玻璃管先于混凝土破裂的问题[14]；此外，玻璃的抗拉强度通常为其抗压强度的1/15左右，通过计算，可以得到在混凝土试件产生裂缝的同时使玻璃管破裂的适宜玻璃管尺寸[15].综上所述，本文采用长25cm，内径5mm，壁厚0.5mm的中空玻璃纤维管作为修复载体.

1.2 基体材料及其配合比

试验基体为钢筋混凝土，尺寸为400mm×100mm×100mm，受拉区配有2根φ8钢筋，混凝土表观密度为2406kg/m3.原材料为：P·O 42.5水泥；细度模数为2.7的中砂；5～20mm连续级配的碎石；自来水；萘系高效减水剂.混凝土配合比见表1.

表1 混凝土配合比

2 修复能力影响因素及评价指标

2.1 影响因素

(1)裂缝初始宽度.在室内试验中，对于裂缝的制取有2种方式，一是在制备试件时提前放置特定宽度的铁片，在混凝土初凝后终凝前慢慢抽出铁片形成裂缝；二是对试件进行预压，形成不同宽度的预裂缝.为了使裂缝最大程度地接近自然的不规则形状，本次试验采用预压方式来制取裂缝.室内试验表明：预压荷载为破坏荷载的50%，55%，60%，65%，70%时，与之对应的主裂缝宽度约为0.4，0.6，1.0，1.5，2.0mm(裂缝宽度采用PTS-C10智能裂纹宽度观测仪观测得到).同时为了防止试验过程中试件发生脆性破坏，在受拉区配有2根φ8钢筋.

(2)玻璃纤维管的放置方式.试件内部加入中空玻璃纤维管后必然会降低试件的抗折强度，试验表明放置4根玻璃纤维管引起的抗折强度降幅明显比放置6根玻璃纤维管时低，且放置方式为菱形和梯形时的抗折强度降幅分别为5.7%，6.1%，较其他放置方式降幅小，说明玻璃纤维管放4根、以菱形和梯形布置时对基体混凝土抗折强度造成的副作用最小.此外，玻璃纤维管的位置不能设置得太低或太高，否则胶黏剂不能修复设置位置以上的裂缝或是胶黏剂容量不足以流至裂缝底部[16].研究表明裂缝主要在试件纵向中部区域产生，且呈现由下向上的发展趋势，因此，试验中玻璃纤维管放4根，以菱形和梯形布置在试件的中下部，如图1所示.

(3)外界环境条件.中国幅员辽阔，环境条件相差较大；此外，水泥混凝土路面是具有特定厚度的路面结构，路面板不同厚度处的温度会随着空气温度的变化而不断变化.因此，为了尽可能体现不同季节在不同面板厚度处的环境条件(温度为主要环境指标)，本文搜集了哈尔滨地区近年各月份的温湿度等数据资料(哈尔滨地区2～6月份温度呈上升趋势，湿度呈下降趋势)，并参考陈延国等的研究成果[17]，选定了如表2所示的5种环境条件，这5种环境条件既可对中国各地区的平均温度状况进行描述，也可以对哈尔滨地区在不同季节、不同面板厚度处的温度状况进行描述.

表2 裂缝自愈合环境条件

2.2 评价指标

修复效果用修复后试件的抗折强度f1与对照组试件初始抗折强度f的比值η(即抗折强度回复率)来表征.抗折强度测试采用10t液压式万能试验机，跨中三分点双集中等荷载加载，支点间跨度为300mm，计算公式见式(1).抗折强度计算应精确至0.1MPa，由于试件是非标准试件，故计算抗折强度时要乘以尺寸换算系数0.85.

(1)

式中：P为试件破坏荷载，N；l为支座间跨度，mm；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面高度，mm.

抗折强度回复率η(%)的计算见式(2)：

(2)

3 试验方案

3.1 试件制取

玻璃纤维管中胶黏剂的灌注及密封分3步进行：(1)用GLUE GUN GT-10热熔胶胶枪向玻璃纤维管内注射约3mm热熔胶以封闭玻璃纤维管一端，封闭完的玻璃纤维管如图2所示，之后待热熔胶凝固后再用环氧树脂AB胶涂抹用热熔胶封闭后的端口以起到双层封闭作用；(2)采用医用注射器协同剪断的医用输液带向玻璃纤维管中注射胶黏剂，边注射边提升输液带以加快注射速度，同时最大限度地避免空气柱的出现；(3)封闭注满胶黏剂的玻璃纤维管另一端，方法同步骤(1).

图2 热熔胶封闭完的玻璃纤维管Fig.2 Closed fiberglass tubes

钢筋以及注满胶黏剂的玻璃纤维管在浇筑混凝土时按照相应的位置放置，试件的制取过程如图3所示。

图3 制取试件过程Fig.3 Specimen preparation

3.2 试验技术路线

制取好的试件在标准养护条件下养护28d后进行预压，将预压完成后的试件置于外界环境条件下进行自修复，7d后测其抗折强度.为了使得裂缝修复条件与实际环境条件一致，试验分5次进行，每次取12个试件，其中10个试件进行预压，另外2个进行标准抗折试验.以室内30℃恒温烘箱这个环境条件为例，12个试件中，玻璃纤维管放置方式为菱形、梯形的试件各6个，其破坏荷载分别为PA1，PB1，则10个预压试件的预加荷载分别为50%PA1，55%PA1，60%PA1，65%PA1，70%PA1和50%PB1，55%PB1，60%PB1，65%PB1，70%PB1.其他4种坏境条件下的试验同理.

4 试验结果分析

4.1 外界环境条件的影响

图4为玻璃纤维管放置方式分别为菱形和梯形，预压程度为50%～70%破坏荷载时，不同外界环境条件(温度)下试件的抗折强度回复率与外界环境条件(温度)的关系曲线.

图4 抗折强度回复率随外界环境条件的变化Fig.4 Flexural strength recovery rate varies with the external environmental conditions

由图4可见，无论玻璃纤维管的放置方式是菱形还是梯形，在特定的预压条件(预压程度为50%～70%破坏荷载)下，试件的抗折强度回复率都随着环境温度的升高而升高，且随着温度的升高，抗折强度回复率增速整体呈加快趋势.其中，当玻璃纤维管的放置方式为菱形，预压程度为55%破坏荷载时，30℃ 下的抗折强度回复率要比-15℃下的抗折强度回复率提高13.3%；当玻璃纤维管的放置方式为梯形，预压程度为55%破坏荷载时，30℃下的抗折强度回复率要比-15℃下的抗折强度回复率提高12.9%；另外，当玻璃纤维管的放置方式为梯形，预压程度为50%破坏荷载时，30℃下的抗折强度回复率达到最高值93%.这说明外界环境条件的变化对混凝土自愈合效果影响很大，一定温度范围内，外界环境温度越高，混凝土自愈合效果越好.

出现上述现象的原因是长城717胶黏剂的固化受环境条件、黏结面形状等多种因素影响。当温度升高时，填充于裂缝中的长城717胶黏剂能够较早地发生固化，与钢筋混凝土重新形成一个牢固的整体，提高了界面黏结强度，进而使得混凝土抗折强度得到一定程度的回复。而且，由于长城717胶黏剂的固化具有一定的时限性，温度高时，填充于裂缝中的长城717胶黏剂能够在固化时限内较早地发生固化，因而，随着温度的升高，试件的抗折强度回复率增速整体呈加快趋势。

4.2 裂缝初始宽度的影响

图5示出了不同环境温度下，玻璃纤维管放置方式分别为菱形、梯形时，预压程度为50%～70%破坏荷载的试件抗折强度回复率与预压程度大小的关系.

图5 抗折强度回复率随预压程度(裂缝初始宽度)的变化Fig.5 Flexural strength recovery rate varies with the preload degree(initial crack width)

由图5可以看出：无论玻璃纤维管的放置方式为菱形还是梯形，预压程度为50%破坏荷载时，混凝土的自修复能力均最强，说明裂缝初始宽度越小，混凝土自修复能力越强；当预压程度由60%破坏荷载变为65%破坏荷载时，抗折强度回复率均有一个突降，说明内置玻璃纤维管的自修复混凝土对裂缝宽度为1.0mm(预压程度为60%破坏荷载所对应的裂缝宽度)及以下范围内的微裂缝修复效果较好.

出现上述现象的原因是当预制裂缝宽度小于1.0mm时，胶黏剂与混凝土间的界面结合程度较好，跟表面无裂缝的混凝土界面过渡区处骨料与水泥石之间的致密程度相差无几；当裂缝宽度为1.0mm 以上时，胶黏剂与混凝土间的界面结合程度较差，使得其修复能力大幅降低[18].

4.3 玻璃纤维管放置方式的影响

为了探究玻璃纤维管放置方式对混凝土自修复能力的影响，在玻璃纤维管的放置方式分别为菱形、梯形的条件下，对试件进行不同程度的预压，然后让受到损伤的试件在不同的环境条件下进行自修复，得到其抗折强度回复率与玻璃纤维管放置方式的关系，如图6所示.

图6 抗折强度回复率随玻璃纤维管放置方式的变化Fig.6 Flexural strength recovery rate varies with the placement method of fiberglass tubes

由图6可以看出，当预压程度和外界环境条件给定，玻璃纤维管的放置方式为梯形时，试件的抗折强度回复率均高于放置方式为菱形时，其中预压程度为70%破坏荷载(对应裂缝宽度约2.0mm)时，在不同外界环境条件下，玻璃纤维管放置方式为梯形的试件抗折强度回复率要比放置方式为菱形的试件平均高2.7%，说明当预压程度达到70%破坏荷载时，玻璃纤维管的放置方式对自修复效果起主导作用.

出现上述现象的原因是当玻璃纤维管为梯形放置时，下部布置的玻璃纤维管较多，当试件受到外部作用时，下部首先产生裂缝，布置在下部的玻璃纤维管破裂后流出的胶黏剂能够较好地修复下部裂缝，而玻璃纤维管为菱形放置时对下部裂缝修复程度较弱.当预压程度达到70%破坏荷载时，初始裂缝宽度最大，此时玻璃纤维管放置方式即从载体中流出的胶黏剂容量能否完全填充带裂缝的界面是主要影响因素，外界环境条件的影响则是次要的，而玻璃纤维管布置为梯形时正好能够提供较多的胶黏剂来修复下部裂缝，所以当裂缝初始宽度达到约2.0mm时，在一定程度上，玻璃纤维管的放置方式对自修复效果起主导作用.

5 结论

(1)以长城717为修复胶黏剂，以长25mm，内径5mm，壁厚0.5mm的玻璃纤维管为修复载体的混凝土自修复试件抗折强度回复率最高可达93%.

(2)混凝土自修复试件的抗折强度回复率随着温度的升高而增加，在特定的玻璃纤维管放置方式和预压荷载条件下，30℃时的抗折强度回复率最高可比-15℃ 时的抗折强度回复率提高13.3%.

(3)在一定裂缝宽度范围内，混凝土自修复试件的裂缝初始宽度越小，自修复效果越好，自修复混凝土能够修复裂缝初始宽度为1.0mm及以下范围内的微裂缝.

(4)玻璃纤维管的放置方式为梯形时，混凝土自修复试件的抗折强度回复率高于放置方式为菱形时的抗折强度回复率;当裂缝初始宽度达到约2.0mm时，玻璃纤维管的放置方式对自修复效果起主导作用.