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國(guó)外混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)的研究近況
添加時(shí)間：2024-11-25 | 文章來(lái)源：盛天機(jī)械
混凝土構(gòu)筑物由于經(jīng)常受到設(shè)計(jì)上未加考慮的應(yīng)力作用,，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)限值以上時(shí)，則因混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫,。在 GB 50204－2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》中規(guī)定了構(gòu)件最大裂縫寬度的允許值,。雖然有些裂縫符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求，對(duì)施工性能和使用并無(wú)不利影響,，但從混凝土耐久性方面考慮,，外部環(huán)境中存在的 CO2 及 Cl- 極易滲透到混凝土內(nèi)部引起鋼筋銹蝕致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而增加了長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用,。因此在混凝土微小裂縫形成的初始階段,，能通過(guò)混凝土的自修復(fù)得到愈合是我們所期待的，以此產(chǎn)生的對(duì)混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)的研究逐漸受到人們的重視,。本文針對(duì)國(guó)外近年來(lái)在混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展作一概述,，希望能對(duì)有關(guān)工程技術(shù)人員有所啟迪。
1 混凝土裂縫自修復(fù)的分類(lèi)與評(píng)價(jià)
1.1 混凝土裂縫自修復(fù)的分類(lèi)
混凝土裂縫的自修復(fù)是指未水化的水泥基材料進(jìn)行再水化的現(xiàn)象,。人們從這種潛在的具有自己治愈微裂縫的現(xiàn)象中得到啟發(fā),，進(jìn)而利用摻合料或者在混凝土組成材料中添加、埋設(shè)其他材料,、機(jī)能性裝置,，從材料設(shè)計(jì)上促進(jìn)混凝土的自修復(fù)。在日本由數(shù)所大學(xué)及相關(guān)企業(yè)組成“JCI－TC075B 水泥系自修復(fù)的評(píng)價(jià)與利用方法研究委員會(huì)”，匯總整理了有關(guān)混凝土裂縫自修復(fù)的研究事例,，對(duì)各種混凝土裂縫的自修復(fù)現(xiàn)象進(jìn)行了分類(lèi),，見(jiàn)表 1[1]。
1.2 混凝土裂縫自修復(fù)的評(píng)價(jià)
從目前的研究報(bào)道來(lái)看,，有文獻(xiàn)認(rèn)為微裂縫的自修復(fù)寬度在 0.1mm 以下,，也有文獻(xiàn)認(rèn)為在 0.5mm 以下。以往采用的評(píng)價(jià)方法是通過(guò)荷載試驗(yàn)（如抗拉,、抗彎）或凍融循環(huán)試驗(yàn)產(chǎn)生微裂縫,，然后再次養(yǎng)護(hù)，實(shí)施同樣的試驗(yàn)以測(cè)試其強(qiáng)度,、剛性,、能量吸收（荷重－位置曲線(xiàn)下的面積）的恢復(fù)程度及相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)行評(píng)價(jià)。近年來(lái)在試驗(yàn)方法上也有通過(guò)測(cè)試透水量的變化,、氯離子侵蝕的程度,、超聲波傳播速度的變化來(lái)評(píng)價(jià)自修復(fù)的效果?？傊?，試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法較多，尚未形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo),。2 粉煤灰的火山灰反應(yīng)在混凝土裂縫自修復(fù)中的作用和評(píng)價(jià)
磨細(xì)粉煤灰作為一種廣泛使用的摻合料與水泥組成復(fù)合膠凝系統(tǒng)。在混凝土裂縫的自修復(fù)過(guò)程中粉煤灰中的活性組分與水泥水化過(guò)程中析出的氫氧化鈣進(jìn)行“二次反應(yīng)”。同時(shí)該“二次反應(yīng)”也說(shuō)明了摻入粉煤灰的混凝土具有早期強(qiáng)度低,、后期強(qiáng)度高,、強(qiáng)度增長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。正因?yàn)榉勖夯业哪z凝性質(zhì)具有潛在水化時(shí)間長(zhǎng)的特性,，從而為混凝土微裂縫提供了自修復(fù)的可能性,。為了正確評(píng)價(jià)粉煤灰在混凝土裂縫的自修復(fù)效果，進(jìn)藤義勝等[2] 對(duì)添加Ⅱ級(jí)磨細(xì)粉煤灰及未添加的兩種試件經(jīng)壓力荷載和電化學(xué)腐蝕加速劣化后,，在促進(jìn)自修復(fù)的環(huán)境中進(jìn)行 28d 養(yǎng)護(hù),。然后測(cè)試混凝土的電阻值及超聲波傳播速度。試驗(yàn)要素見(jiàn)表 2[2],。
3 化學(xué)纖維在混凝土裂縫自修復(fù)中的作用和評(píng)價(jià)
化學(xué)纖維作為水泥基的復(fù)合材料可以有效控制各種因素引起的裂縫,，改善混凝土材料的脆性，防止混凝土原生裂縫的形成和擴(kuò)大,。在混凝土自修復(fù)技術(shù)方面化學(xué)纖維在促進(jìn)混凝土微小裂縫愈合上又將起到怎樣的作用,，是人們所關(guān)心的。崔希燮等[3] 選取 PVA（聚乙烯醇）、PE（聚乙烯）,、PP（聚丙烯）三種纖維,，對(duì)于事先由抗拉荷載引發(fā)的微小裂縫試件給予一定的養(yǎng)護(hù)條件，分析混凝土試件表面,、內(nèi)部的組織變化,，測(cè)定其透水性及析出物的數(shù)量，判斷混凝土裂縫自修復(fù)的效果,。3.1 試驗(yàn)概要
試件尺寸為 85mm×85mm×25mm,，成型后置于溫度為 20℃，濕度為 60% 的恒溫恒濕環(huán)境下,，在水中養(yǎng)護(hù) 28d 后取出,。經(jīng)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)導(dǎo)入 0.3mm 的微小裂縫。試驗(yàn)要素及條件如表 3[3] 所示,。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)與分析
3.2.1 透水性能
為了比較各種纖維在促進(jìn)養(yǎng)護(hù)條件下的自修復(fù)效果,，分別對(duì)試件進(jìn)行透水試驗(yàn)，測(cè)定其裂縫發(fā)生后及促進(jìn)養(yǎng)護(hù)后單位時(shí)間失水量,，并觀察透水系數(shù)的變化,。結(jié)果顯示，PVA 纖維試件的透水系數(shù)最低,，其次是 PE 纖維試件,，而摻 PP 纖維的試件透水系數(shù)最高。在所選用的摻入 PVA 纖維試件在水+微氣泡自修復(fù)養(yǎng)護(hù) 7d 后防水性能恢復(fù)程度達(dá)到試驗(yàn)產(chǎn)生裂縫時(shí)的 40 倍,。而在 Ca(OH)2 ＋微氣泡自修復(fù)養(yǎng)護(hù) 7d 后其防水性能恢復(fù)程度達(dá) 460 倍,，三種纖維防水性能優(yōu)劣順序?yàn)?PVA＞PE＞PP。試驗(yàn)表明對(duì)于 0.3mm 微小裂縫而言,，Ca(OH)2 ＋微氣泡的促進(jìn)自修復(fù)養(yǎng)護(hù)效果明顯要好于水+微氣泡的養(yǎng)護(hù)環(huán)境,。3.2.2 裂縫的愈合情況
應(yīng)用光學(xué)顯微鏡對(duì)試件表面觀察裂縫愈合效果發(fā)現(xiàn)無(wú)論采用水+微氣泡或 Ca(OH)2 ＋微氣泡所進(jìn)行的自修復(fù)養(yǎng)護(hù)，表面都有白色析出物質(zhì),。經(jīng)拉曼光譜分析確認(rèn)為碳酸鈣,。只不過(guò)摻入 PVA 纖維的試件表面裂縫完全愈合，PE 纖維試件部分愈合,，而 PP 纖維試件基本沒(méi)有白色物質(zhì)析出,。同時(shí)在所析出的碳酸鈣量化上也印證了自修復(fù)效果依次為 PVA＞PE＞PP。如前所述,，在有水分供給的環(huán)境下,，對(duì)于微小裂縫經(jīng)水泥基材料的再水化而析出的碳酸鈣可以充填裂縫取得愈合的效果。這種自修復(fù)的化學(xué)反應(yīng)式如下所示[3]：
4 微生物在混凝土裂縫自修復(fù)中的作用和評(píng)價(jià)
談及微生物，人們對(duì)硫酸鹽還原菌（SRB）對(duì)下水道混凝土的腐蝕有深刻的印象,。由于 SRB 在繁殖過(guò)程中釋放出 H2S,，而 H2S 與 O2 的結(jié)合形成的硫酸會(huì)對(duì)鋼筋混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，這是微生物導(dǎo)致腐蝕破壞的一個(gè)典型事例,。與此同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn)某些微生物的繁殖活動(dòng)在一定條件下具有析出 CaCO3 的功能,，從而為混凝土裂縫的自修復(fù)打開(kāi)了另一扇門(mén)。利用微生物修復(fù)混凝土裂縫主要是通過(guò)微生物的代謝作用與混凝土中的鈣離子反應(yīng)生成 CaCO3 晶體使裂縫閉合而達(dá)到修復(fù)的目的,，從而為混凝土裂縫的修復(fù)提供了新的技術(shù)途徑,。Xu 等[4] 將所導(dǎo)入的裂縫寬度為 5mm 的試件在不能分解尿素的細(xì)菌中分別加入乳酸鈣溶液和谷氨酸鈣溶液中浸漬 30d 然后評(píng)價(jià)其裂縫愈合的效果。結(jié)果顯示在細(xì)菌中加入谷氨酸鈣的試件愈合效果要好于加入乳酸鈣的試件,?？赡艿脑蚴莾烧哜}離子轉(zhuǎn)化為 CaCO3 的效率有顯著差異。Wiktor 等[4] 對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)因裂縫而漏水的混凝土樓板進(jìn)行微生物修補(bǔ)試驗(yàn),，由堿性細(xì)菌,、硅酸鈉、葡萄酸鈉組成的 A 溶液與堿性細(xì)菌,、硝酸鈣組成的 B 溶液交替噴涂在裂縫處達(dá)飽和狀態(tài),，經(jīng) 2 個(gè)月后裂縫完全閉合。利用微生物修復(fù)混凝土裂縫需要關(guān)注的是混凝土是一種高堿性材料,，對(duì)微生物的活性有制約作用而影響了微生物的代謝,，因此如何在高堿環(huán)境下?tīng)I(yíng)造出一種能適合微生物菌群正常代謝活動(dòng)的內(nèi)部環(huán)境，保持微生物的礦化活性是利用微生物修復(fù)的關(guān)鍵,。Farmani 等[4]利用微硅粉置換 20% 的水泥以降低混凝土的 pH 值,。試驗(yàn)所用的微生物是芽胞八疊球菌屬并獲得了成功。Wang 等[4]提出將孢子化的細(xì)菌裝入直徑為 5μm 的微膠囊作為一種保護(hù)方法,，微膠囊能經(jīng)受攪拌并和水泥漿體充分結(jié)合,，當(dāng)試件遭破壞產(chǎn)生裂縫時(shí)，只要裂縫中有水分流入,，遭破壞膠囊內(nèi)的細(xì)菌孢子就能發(fā)芽析出 CaCO3使裂縫自動(dòng)愈合,。5 結(jié)語(yǔ)
并不是所有的混凝土微小裂縫在形成初期會(huì)給結(jié)構(gòu)安全或使用功能帶來(lái)影響，但微小裂縫造成的滲水現(xiàn)象將直徑導(dǎo)致混凝土長(zhǎng)期性能的損害,。尤其在商品住宅建造中關(guān)系到住戶(hù)的切身利益,，施工過(guò)程中不可忽視,。以上所概述的粉煤灰、化學(xué)纖維,、微生物技術(shù)用于混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)的研究,，至少可以給到我們以下幾點(diǎn)啟示：第一，對(duì)于粉煤灰,、化學(xué)纖維等外摻料人們往往從改善混凝土各項(xiàng)性能的角度加以關(guān)注,，實(shí)際上這些材料所存在的潛在功能還遠(yuǎn)未被我們認(rèn)識(shí)，這恰恰需要我們不斷地去挖掘,、發(fā)現(xiàn),。第二，微生物技術(shù)看似與混凝土無(wú)關(guān),，但近年來(lái)微生物技術(shù)用于砂質(zhì)地基加固,、用于除冰劑所造成混凝土路面破裂的修復(fù)等等都取得了顯著的成果。因此微生物與傳統(tǒng)混凝土技術(shù)相結(jié)合可以產(chǎn)生出新的聯(lián)想空間,，也給混凝土技術(shù)創(chuàng)新打開(kāi)了新的思路,。混凝土內(nèi)部或表面所生成的微小裂縫雖然極其微小實(shí)則危害甚大，而且肉眼難以捕捉,，若用儀器探測(cè)需要耗費(fèi)大量人力物力,，因此從這個(gè)意義上講開(kāi)展混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)的研究是非常有必要的。目前,，盡管該項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用取得了一定的成果,，但是離實(shí)際工程應(yīng)用還有距離，隨著研究工作的推進(jìn),，相信混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)必將在工程中得到應(yīng)用,。