自修復混凝土修復效果影響因素的試驗研究

魏玉偉， 程培峰， 劉 滿， 趙倩倩,2

(1.東北林業大學 土木工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150050)

水泥混凝土路面能夠適應日益發展的交通運輸所必需的載重量大、速度高、車流量大等要求，同時具有強度高、穩定性好、使用壽命長、維修養護費用少等許多優點.但它作為一種非勻質脆性材料，在周圍環境的影響下極易在構件內部產生不規則且不連貫的微裂紋.這些微裂縫若不能及時修復的話會在外界因素影響下進一步發展成宏觀裂縫，從而大大降低水泥混凝土路面的耐久性和安全性[1-2].因此，如何防治及修復水泥混凝土路面的裂縫至關重要.

目前常用的裂縫修補方法有表面修補法、灌漿嵌縫封堵法、結構加固法、混凝土置換法、電化學防護法等被動修復方式，而仿生自愈合法作為一種主動修復方式，它能夠及時修復混凝土裂縫，恢復其密實性和力學性能[3-4].

當下，仿生自愈合法修復混凝土裂縫即自修復混凝土尚處于智能混凝土的初級階段[5]，國內外學者在自修復混凝土技術方面展開了各種嘗試和研究.Ryu等[6]研究了電化學自修復技術，日本學者研究了不同修復材料、不同水灰比以及不同纖維摻量對修復效果的影響[7]，習志臻等[8]對水泥砂漿試件用不同修復劑修復前后的強度和斷裂韌性進行了研究，劉小艷等[9]從混凝土自身組成出發，研究了水泥強度等級、摻和料、纖維對混凝土損傷自愈合性能的影響.但目前對于裂縫修復能力影響因素的研究局限于修復材料、配合比等內因，對于如溫度、荷載等外因的影響研究卻較少，因此，為了達到最佳的裂縫治愈效果，將影響修復效果的內因和外因結合起來進行研究非常必要[10-11].內置玻璃纖維管的自修復混凝土作為自修復混凝土的一種，其之所以能夠修復裂縫是在裂縫初始寬度、玻璃纖維管的數量及其放置位置、膠黏劑種類、外界環境等因素共同作用下完成的.為探究這些因素對混凝土自修復效果的影響，本文選取裂縫初始寬度大小、玻璃纖維管的放置方式及外界環境條件(溫度)為變量，用抗折強度回復率[12]來表征修復效果，進行了混凝土自修復試驗.

1 試驗概況

1.1 修復材料及其載體

修復材料為長城717膠黏劑，它是一種端異氰酸基聚醚型單液型聚氨酯膠黏劑，具有較高的黏結強度和良好的流動性[13]，這種結構特點使其具有常溫固化、耐溫、耐油、耐酸堿等特點.

修復載體數量、修復載體與混凝土基體的力學性能是否匹配對修復效果至關重要.由于玻璃與混凝土的線膨脹系數很接近，當溫度變化時，玻璃和混凝土不會因為產生相對的溫度變形而破壞兩者之間的黏結；而且玻璃是由多種氧化物組成的，計算表明其抗壓強度一般為500～2000MPa，遠高于混凝土抗壓強度，能避免因荷載等作用導致玻璃管先于混凝土破裂的問題[14]；此外，玻璃的抗拉強度通常為其抗壓強度的1/15左右，通過計算，可以得到在混凝土試件產生裂縫的同時使玻璃管破裂的適宜玻璃管尺寸[15].綜上所述，本文采用長25cm，內徑5mm，壁厚0.5mm的中空玻璃纖維管作為修復載體.

1.2 基體材料及其配合比

試驗基體為鋼筋混凝土，尺寸為400mm×100mm×100mm，受拉區配有2根φ8鋼筋，混凝土表觀密度為2406kg/m3.原材料為：P·O 42.5水泥；細度模數為2.7的中砂；5～20mm連續級配的碎石；自來水；萘系高效減水劑.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比

2 修復能力影響因素及評價指標

2.1 影響因素

(1)裂縫初始寬度.在室內試驗中，對于裂縫的制取有2種方式，一是在制備試件時提前放置特定寬度的鐵片，在混凝土初凝后終凝前慢慢抽出鐵片形成裂縫；二是對試件進行預壓，形成不同寬度的預裂縫.為了使裂縫最大程度地接近自然的不規則形狀，本次試驗采用預壓方式來制取裂縫.室內試驗表明：預壓荷載為破壞荷載的50%，55%，60%，65%，70%時，與之對應的主裂縫寬度約為0.4，0.6，1.0，1.5，2.0mm(裂縫寬度采用PTS-C10智能裂紋寬度觀測儀觀測得到).同時為了防止試驗過程中試件發生脆性破壞，在受拉區配有2根φ8鋼筋.

(2)玻璃纖維管的放置方式.試件內部加入中空玻璃纖維管后必然會降低試件的抗折強度，試驗表明放置4根玻璃纖維管引起的抗折強度降幅明顯比放置6根玻璃纖維管時低，且放置方式為菱形和梯形時的抗折強度降幅分別為5.7%，6.1%，較其他放置方式降幅小，說明玻璃纖維管放4根、以菱形和梯形布置時對基體混凝土抗折強度造成的副作用最小.此外，玻璃纖維管的位置不能設置得太低或太高，否則膠黏劑不能修復設置位置以上的裂縫或是膠黏劑容量不足以流至裂縫底部[16].研究表明裂縫主要在試件縱向中部區域產生，且呈現由下向上的發展趨勢，因此，試驗中玻璃纖維管放4根，以菱形和梯形布置在試件的中下部，如圖1所示.

(3)外界環境條件.中國幅員遼闊，環境條件相差較大；此外，水泥混凝土路面是具有特定厚度的路面結構，路面板不同厚度處的溫度會隨著空氣溫度的變化而不斷變化.因此，為了盡可能體現不同季節在不同面板厚度處的環境條件(溫度為主要環境指標)，本文搜集了哈爾濱地區近年各月份的溫濕度等數據資料(哈爾濱地區2～6月份溫度呈上升趨勢，濕度呈下降趨勢)，并參考陳延國等的研究成果[17]，選定了如表2所示的5種環境條件，這5種環境條件既可對中國各地區的平均溫度狀況進行描述，也可以對哈爾濱地區在不同季節、不同面板厚度處的溫度狀況進行描述.

表2 裂縫自愈合環境條件

2.2 評價指標

修復效果用修復后試件的抗折強度f1與對照組試件初始抗折強度f的比值η(即抗折強度回復率)來表征.抗折強度測試采用10t液壓式萬能試驗機，跨中三分點雙集中等荷載加載，支點間跨度為300mm，計算公式見式(1).抗折強度計算應精確至0.1MPa，由于試件是非標準試件，故計算抗折強度時要乘以尺寸換算系數0.85.

(1)

式中：P為試件破壞荷載，N；l為支座間跨度，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm.

抗折強度回復率η(%)的計算見式(2)：

(2)

3 試驗方案

3.1 試件制取

玻璃纖維管中膠黏劑的灌注及密封分3步進行：(1)用GLUE GUN GT-10熱熔膠膠槍向玻璃纖維管內注射約3mm熱熔膠以封閉玻璃纖維管一端，封閉完的玻璃纖維管如圖2所示，之后待熱熔膠凝固后再用環氧樹脂AB膠涂抹用熱熔膠封閉后的端口以起到雙層封閉作用；(2)采用醫用注射器協同剪斷的醫用輸液帶向玻璃纖維管中注射膠黏劑，邊注射邊提升輸液帶以加快注射速度，同時最大限度地避免空氣柱的出現；(3)封閉注滿膠黏劑的玻璃纖維管另一端，方法同步驟(1).

圖2 熱熔膠封閉完的玻璃纖維管Fig.2 Closed fiberglass tubes

鋼筋以及注滿膠黏劑的玻璃纖維管在澆筑混凝土時按照相應的位置放置，試件的制取過程如圖3所示。

圖3 制取試件過程Fig.3 Specimen preparation

3.2 試驗技術路線

制取好的試件在標準養護條件下養護28d后進行預壓，將預壓完成后的試件置于外界環境條件下進行自修復，7d后測其抗折強度.為了使得裂縫修復條件與實際環境條件一致，試驗分5次進行，每次取12個試件，其中10個試件進行預壓，另外2個進行標準抗折試驗.以室內30℃恒溫烘箱這個環境條件為例，12個試件中，玻璃纖維管放置方式為菱形、梯形的試件各6個，其破壞荷載分別為PA1，PB1，則10個預壓試件的預加荷載分別為50%PA1，55%PA1，60%PA1，65%PA1，70%PA1和50%PB1，55%PB1，60%PB1，65%PB1，70%PB1.其他4種壞境條件下的試驗同理.

4 試驗結果分析

4.1 外界環境條件的影響

圖4為玻璃纖維管放置方式分別為菱形和梯形，預壓程度為50%～70%破壞荷載時，不同外界環境條件(溫度)下試件的抗折強度回復率與外界環境條件(溫度)的關系曲線.

圖4 抗折強度回復率隨外界環境條件的變化Fig.4 Flexural strength recovery rate varies with the external environmental conditions

由圖4可見，無論玻璃纖維管的放置方式是菱形還是梯形，在特定的預壓條件(預壓程度為50%～70%破壞荷載)下，試件的抗折強度回復率都隨著環境溫度的升高而升高，且隨著溫度的升高，抗折強度回復率增速整體呈加快趨勢.其中，當玻璃纖維管的放置方式為菱形，預壓程度為55%破壞荷載時，30℃ 下的抗折強度回復率要比-15℃下的抗折強度回復率提高13.3%；當玻璃纖維管的放置方式為梯形，預壓程度為55%破壞荷載時，30℃下的抗折強度回復率要比-15℃下的抗折強度回復率提高12.9%；另外，當玻璃纖維管的放置方式為梯形，預壓程度為50%破壞荷載時，30℃下的抗折強度回復率達到最高值93%.這說明外界環境條件的變化對混凝土自愈合效果影響很大，一定溫度范圍內，外界環境溫度越高，混凝土自愈合效果越好.

出現上述現象的原因是長城717膠黏劑的固化受環境條件、黏結面形狀等多種因素影響。當溫度升高時，填充于裂縫中的長城717膠黏劑能夠較早地發生固化，與鋼筋混凝土重新形成一個牢固的整體，提高了界面黏結強度，進而使得混凝土抗折強度得到一定程度的回復。而且，由于長城717膠黏劑的固化具有一定的時限性，溫度高時，填充于裂縫中的長城717膠黏劑能夠在固化時限內較早地發生固化，因而，隨著溫度的升高，試件的抗折強度回復率增速整體呈加快趨勢。

4.2 裂縫初始寬度的影響

圖5示出了不同環境溫度下，玻璃纖維管放置方式分別為菱形、梯形時，預壓程度為50%～70%破壞荷載的試件抗折強度回復率與預壓程度大小的關系.

圖5 抗折強度回復率隨預壓程度(裂縫初始寬度)的變化Fig.5 Flexural strength recovery rate varies with the preload degree(initial crack width)

由圖5可以看出：無論玻璃纖維管的放置方式為菱形還是梯形，預壓程度為50%破壞荷載時，混凝土的自修復能力均最強，說明裂縫初始寬度越小，混凝土自修復能力越強；當預壓程度由60%破壞荷載變為65%破壞荷載時，抗折強度回復率均有一個突降，說明內置玻璃纖維管的自修復混凝土對裂縫寬度為1.0mm(預壓程度為60%破壞荷載所對應的裂縫寬度)及以下范圍內的微裂縫修復效果較好.

出現上述現象的原因是當預制裂縫寬度小于1.0mm時，膠黏劑與混凝土間的界面結合程度較好，跟表面無裂縫的混凝土界面過渡區處骨料與水泥石之間的致密程度相差無幾；當裂縫寬度為1.0mm 以上時，膠黏劑與混凝土間的界面結合程度較差，使得其修復能力大幅降低[18].

4.3 玻璃纖維管放置方式的影響

為了探究玻璃纖維管放置方式對混凝土自修復能力的影響，在玻璃纖維管的放置方式分別為菱形、梯形的條件下，對試件進行不同程度的預壓，然后讓受到損傷的試件在不同的環境條件下進行自修復，得到其抗折強度回復率與玻璃纖維管放置方式的關系，如圖6所示.

圖6 抗折強度回復率隨玻璃纖維管放置方式的變化Fig.6 Flexural strength recovery rate varies with the placement method of fiberglass tubes

由圖6可以看出，當預壓程度和外界環境條件給定，玻璃纖維管的放置方式為梯形時，試件的抗折強度回復率均高于放置方式為菱形時，其中預壓程度為70%破壞荷載(對應裂縫寬度約2.0mm)時，在不同外界環境條件下，玻璃纖維管放置方式為梯形的試件抗折強度回復率要比放置方式為菱形的試件平均高2.7%，說明當預壓程度達到70%破壞荷載時，玻璃纖維管的放置方式對自修復效果起主導作用.

出現上述現象的原因是當玻璃纖維管為梯形放置時，下部布置的玻璃纖維管較多，當試件受到外部作用時，下部首先產生裂縫，布置在下部的玻璃纖維管破裂后流出的膠黏劑能夠較好地修復下部裂縫，而玻璃纖維管為菱形放置時對下部裂縫修復程度較弱.當預壓程度達到70%破壞荷載時，初始裂縫寬度最大，此時玻璃纖維管放置方式即從載體中流出的膠黏劑容量能否完全填充帶裂縫的界面是主要影響因素，外界環境條件的影響則是次要的，而玻璃纖維管布置為梯形時正好能夠提供較多的膠黏劑來修復下部裂縫，所以當裂縫初始寬度達到約2.0mm時，在一定程度上，玻璃纖維管的放置方式對自修復效果起主導作用.

5 結論

(1)以長城717為修復膠黏劑，以長25mm，內徑5mm，壁厚0.5mm的玻璃纖維管為修復載體的混凝土自修復試件抗折強度回復率最高可達93%.

(2)混凝土自修復試件的抗折強度回復率隨著溫度的升高而增加，在特定的玻璃纖維管放置方式和預壓荷載條件下，30℃時的抗折強度回復率最高可比-15℃ 時的抗折強度回復率提高13.3%.

(3)在一定裂縫寬度范圍內，混凝土自修復試件的裂縫初始寬度越小，自修復效果越好，自修復混凝土能夠修復裂縫初始寬度為1.0mm及以下范圍內的微裂縫.

(4)玻璃纖維管的放置方式為梯形時，混凝土自修復試件的抗折強度回復率高于放置方式為菱形時的抗折強度回復率;當裂縫初始寬度達到約2.0mm時，玻璃纖維管的放置方式對自修復效果起主導作用.