几种混凝土修补材料概述

郑同鑫 沈霁

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

0 引言

混凝土破损产生裂缝的修补材料种类繁多，本文讨论的混凝土裂缝修补材料有粉煤灰基聚合物类、形状记忆合金类和微生物胶囊类，分别从修补材料的修复机理、应用特性及试验分析进修阐述。粉煤灰基聚合物修补材料主要原料为粉煤灰、少量碱激发剂溶液、大量硅铝质材料，主要原材料混合养护条件下得到凝胶材料，在碱液作用下分子结构断裂、缩聚形成网络状结构无机聚合物进行连接修复[1]。形状记忆合金修补材料利用自身超弹性恢复性能将破损混凝土裂缝拉伸修复。微生物胶囊类修补材料则通过微生物代谢作用产生修补成分来填充粘接裂缝。破损混凝土修补技术不断发展，修补材料的优异性能逐渐被发展。

1 粉煤灰基聚合物材料修复

1.1 粉煤灰基聚合物修复机理

粉煤灰基聚合物材料具有早期抗弯拉强度高、力学强度和粘结强度高的性能。粉煤灰、少量碱激发剂溶液、大量硅铝质材料混合养护所得凝胶材料在碱液作用下分子结构断裂、缩聚形成网络状结构无机聚合物，修补混凝土裂缝。

1.2 力学试验

制作C40 混凝土试块，尺寸为100*100*400mm，标准养护28d龄期。样品试块采用一半为添加定量粉煤灰基聚合物的混凝土、另一半为原C40混凝土材料。对四组试块分别测试5d、7d、15d、28d抗弯拉强度，公式如下：

所用设备，图1是HJW60型混凝土试验用搅拌机，图2是TYE-300B型压力试验机。所用试模见图3。

图1 HJW60型混凝土试验用搅拌机

图2 TYE-300B型压力试验机

图3 试模

1.3 结果讨论

分别在不同龄期进行测试，试块早期就能充分发挥粉煤灰基聚合物高效的粘结性能。粉煤灰基聚合物混凝土与原混凝土粘接可获得快速高效的粘结效果，同时对工业废料粉煤灰提高了再利用效率。这对有近似成分矿渣等工业废料的再利用有重要启发。

2 形状记忆合金控制修复

2.1 形状记忆合金修复机理

形状记忆合金具有变形自主恢复弹性，当其受外力作用发生变形后会在弹性驱动下恢复原形状。这种独特性能的形状记忆合金被应用到不同领域，包括混凝土自主修复。混凝土中预制形状记忆合金材料，混凝土受过大外力产生裂缝，预制在混凝土中的形状记忆合金受混凝土内部挤压拉伸产生形变[2]。外力消失后，破损的混凝土在其内部分布的形状记忆合金的弹性恢复作用下，裂缝结构和强度逐渐恢复，确保了混凝土结构构件的安全性和耐久性。

2.2 效果对比

试验用同一批水泥、砂石制作混凝土试块，对预制形状记忆合金混凝土试块与非预制形状记忆合金混凝试块土进行压力试验。预制形状记忆合金混凝土试块与非预制记忆合金混凝土试块相同压力下出现的裂缝尺寸相近，消除压力后，较短时间内预制形状记忆合金混凝土断裂裂缝减小，如Ni-Ti记忆合金常温下处于奥氏体状态，恢复应变8%左右[3]。

2.3 试验分析

不同比例形状记忆合金预制入同一C40强度混凝土试块中。混凝土试块尺寸为100mm*100mm*400mm，分组是1号、2号、3号、4号，分别为无预制金属丝、预制3根铁丝、预制3根形状记忆合金丝、预制7根形状记忆合金丝，见表1。

表1 同一混凝土中预制金属丝

图4 金属丝预制与混凝土试块中示意图

分层浇筑成型，拆模后在标准养护条件下养护至28d龄期。进行弯曲试验，施加相同压力使预制形状记忆合金混凝土发生弯曲变形产生裂缝，分别测量四种不同编号混凝土试块受压产生裂缝尺寸，待压力卸载后观察并测量试块裂缝尺寸，分析不同预制情况的效果。

2.4 结果讨论

四种编号混凝土试块在相同压力作用下均产生裂缝。1号试块与2号、3号、4号试块相比，裂缝最大，即无预制金属丝混凝土试块受压性能差。压力卸载后1号、2号试块裂缝基本无变化，3号、4号试块裂缝产生恢复效果。无预制金属丝混凝土试块无恢复特性，预制铁丝无弹性恢复，预制形状记忆合金混凝土试块显示出弹性恢复特性，压力卸载后混凝土试块裂缝缩小，因为形状记忆合金自动恢复原状产生拉力逐渐恢复了混凝土裂缝。

3 微生物混凝土修复

3.1 微生物修复机理

微生物修复不在于物理或化学作用，而是采用胶囊封装活性微生物细菌及其生长所需原料并加入混凝土中，当混凝土受压产生裂缝挤压载体破裂，活性微生物在混凝土材料环境下进行新陈代谢产生CaCO3沉淀，生成的碳酸钙沉淀可填充修补裂缝[4]。有试验采用硅胶、多孔黏土颗粒等封装微生物，预制在混凝土结构中，当混凝土发生破坏时，封装材料随之发生破裂，微生物流出，在混凝土裂缝中进行代谢，产生沉淀粘结，从而达到修复目的。

3.2 应用实例

封装胶囊中装入土壤中常见的细菌、巴氏芽孢杆菌等，当混凝土受外力作用，内部结构变化，胶囊破裂，微生物流出，细菌引起的尿素酶水解尿素制造氨水和二氧化碳，氨释放增加了周围环境的pH值，导致不溶性CaCO3累积，达到混凝土裂缝粘结修补效果。

3.3 微生物修复改进

微生物修复需确保修复胶囊的质量及封装细菌的有效性。混凝土在自然条件下因温度变化、气候变化对微生物修复胶囊会产生影响。微生物修复还要考虑对混凝土的副作用，是否存在代谢副产物从而侵蚀混凝土或钢筋，以及微生物繁衍数量控制，以便能高效解决裂缝修补问题。

4 结论

通过对以上混凝土修补材料的探究可知，混凝土裂缝修补材料正向高效利用工业废渣化、自主修复化、智能化发展。随着建筑物数量快速增加、运行年限增长，混凝土修补需求量会越来越大。混凝土修补材料和修补技术需不断创新发展，工业废料重复利用应实现绿色产业化，自动恢复裂缝应安全可靠化，微生物代谢修复应实现生动化。