成新元

(海軍工程大學(xué)天津校區(qū)，天津 300450)

混凝土結(jié)構(gòu)中常會出現(xiàn)微開裂等微觀損傷，這些微裂縫如不及時修復(fù)，將會影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，并且可能發(fā)展為宏觀裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致脆性斷裂，引發(fā)嚴(yán)重事故．傳統(tǒng)的事后或定時維修的修復(fù)方式不能從根本上解決這些微觀損傷問題，因而需要尋找一種自動地對裂紋和損傷部位進(jìn)行修復(fù)的新方法[1]．

仿生自修復(fù)混凝土是模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，從而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土內(nèi)部復(fù)合了含膠黏劑的修復(fù)容器，形成的自愈合修復(fù)系統(tǒng)．當(dāng)混凝土材料出現(xiàn)裂紋時，部分修復(fù)容器破裂，膠黏劑流入裂縫并固化，從而實現(xiàn)對混凝土損傷部位的修復(fù)，圖1為內(nèi)置空心玻璃纖維管修復(fù)機(jī)理示意圖[2]．自修復(fù)混凝土可提高開裂部分的強(qiáng)度，增強(qiáng)材料延性彎曲的能力，從而提高整個混凝土結(jié)構(gòu)的性能．

圖1 玻璃纖維修復(fù)機(jī)理示意圖

筆者制作了自修復(fù)混凝土簡支梁試件，通過三分點彎曲試驗，對它們的自修復(fù)性能進(jìn)行了分析．

1 試驗方案

以 C35的自密實混凝土為梁的基材，其配合比(kg/m3)為水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶石子∶外加劑＝1.000∶0.866∶0.540∶2.667∶2.833∶0.022[3]．梁中分別放置 4根和 6根壁厚 0.8 mm，管徑 6 mm，管長800 mm的玻璃管，管中分別儲存單組分的氰凝膠黏劑和TY-6638型聚氨酯膠黏劑，制成尺寸為120 mm×200 mm×1 200 mm 的簡支梁試件進(jìn)行試驗[4]，玻璃管具體位置如圖2-3所示．

圖2 內(nèi)置四根玻璃管在梁中的放置模式

圖3 內(nèi)置六根玻璃管在梁中的放置模式

圖4 試驗裝置示意圖

采用兩點集中對稱的分級加載方式，進(jìn)行修復(fù)前后的兩次試驗，重點測量并記錄梁的開裂荷載、跨中撓度、裂縫寬度、膠黏劑流出情況等，試驗裝置如圖4所示．為便于控制加載大小，特別選擇機(jī)械千斤頂進(jìn)行手工加載．開始加載時，每級所加荷載維持在5 kN，接近估計的開裂荷載時，加載幅度降至2 kN．試驗進(jìn)程以裂縫寬度來控制，試件出現(xiàn)裂縫后，要隨時觀察其發(fā)展情況，用 20倍的讀數(shù)顯微鏡測量裂縫寬度，在寬度接近 5 mm 時，加載幅度調(diào)整到1.5 kN，直至裂縫寬度達(dá)到5 mm時，持荷0.5 h左右，讓膠黏劑充分滲透到裂縫中，第一次試驗即結(jié)束．試件撤下并放置 3 d后，進(jìn)行第二次試驗，方案與第一次試驗完全相同，試驗數(shù)據(jù)記錄點保持一致，以方便兩次試驗結(jié)果的對比．試驗時勻速加載，特別是接近重要記錄數(shù)據(jù)時，要放慢加載速度，避免加載過量．每一級加載后宜持荷 10 min左右，待變形穩(wěn)定后再進(jìn)行準(zhǔn)確的讀數(shù)和測量．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 從梁承載力方面分析

氰凝膠黏劑梁在第一次試驗加載時都有膠黏劑流出，第二次試驗加載時，絕大部分梁都有新裂縫出現(xiàn)，并且修復(fù)后的裂縫在二次試驗加載時，大部分都沒有再次開裂，說明氰凝膠黏劑的流動性和黏接強(qiáng)度較好．試驗記錄了氰凝膠黏劑梁承載力恢復(fù)情況，如表1所示．

表1 氰凝膠黏劑簡支梁修復(fù)后承載力恢復(fù)情況

從表1可以看到，修復(fù)后的氰凝膠黏劑梁承載力都可以恢復(fù)到開裂前的 92%以上，自修復(fù)效果良好．其中6管試件承載力恢復(fù)情況好于4管試件，說明流入裂縫的氰凝膠黏劑量相對較大時，修復(fù)效果較好．另外，4管試件中玻璃管梯形放置比菱形放置修復(fù)效果稍好，6管試件中玻璃管三角形放置比菱形放置修復(fù)效果稍好，說明在混凝土受拉段下部布置相對較多的玻璃管，比較有利于承載力的修復(fù)．

TY-6638型聚氨酯膠黏劑梁修復(fù)后承載力恢復(fù)情況如表2所示．從表2可以看到，聚氨酯膠黏劑的修復(fù)效果一般，原因主要在于膠黏劑流出的量太少，很難產(chǎn)生理想的修復(fù)效果．膠黏劑修復(fù)能力的降低，放大了玻璃管對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)面影響，內(nèi)置玻璃管越多，影響越大，因此 6管試件承載力的恢復(fù)比4管試件更不理想．

試驗中觀察到，聚氨酯膠黏劑梁在第一次試驗加載時，只有半數(shù)的梁有膠黏劑滲出裂縫，而且流出的膠黏劑量很少，多以點的形式滲出，并多集中在梁的受拉段最底部處．試驗后馬上敲開梁，發(fā)現(xiàn)梁內(nèi)先前斷裂的玻璃管口的確有膠流出，但大都凝固在管口附近，成半固體狀．這說明膠黏劑固化速度偏快，在裂縫寬度較小時，膠黏劑可能已經(jīng)流出，但由于過早固化，阻礙了膠的繼續(xù)流出，造成膠黏劑流出量有限，影響了修復(fù)效果，因此 TY-6638型聚氨酯膠黏劑要想作為自修復(fù)混凝土的膠黏劑，還需要進(jìn)行改良，降低固化速度，改善其流動性能．

表2 聚氨酯膠黏劑簡支梁修復(fù)后承載力恢復(fù)情況

2.2 從梁撓度方面分析

氰凝膠黏劑梁兩次試驗后的典型荷載-撓度曲線如圖5所示，聚氨酯膠黏劑梁兩次試驗后的典型荷載-撓度曲線如圖6所示．從圖5中觀察修復(fù)后試驗曲線可以發(fā)現(xiàn)：加載初期，試件撓度發(fā)展很快，與第一次試驗加載同期相比，試件撓度增大，隨著荷載的增加，梁中出現(xiàn)裂縫后，氰凝膠黏劑流出，對裂縫進(jìn)行了修復(fù)，抑制了它的發(fā)展；同一荷載下，試件撓度降低，而極限承載力提高了，說明氰凝膠黏劑取得了較好的修復(fù)效果．從圖6中可以看出，聚氨酯膠黏劑的自修復(fù)效果在曲線上體現(xiàn)的不太明顯，直到裂縫寬度較大時，撓度的發(fā)展才有所減緩，出現(xiàn)這種情況是因為聚氨酯膠黏劑流動緩慢，流出量不多，所以開裂初期，對混凝土變形的抑制不太明顯，但總的來說，梁的極限承載力提高了，聚氨酯膠黏劑起到了一定的修復(fù)作用．

圖5 氰凝膠黏劑梁荷載-撓度曲線

圖6 聚氨酯膠黏劑梁荷載-撓度曲線

3 自修復(fù)混凝土研究急待改進(jìn)的地方

上述試驗結(jié)果中，氰凝膠黏劑梁的承載力修復(fù)后最高可恢復(fù)到開裂前的 99.7%，說明只要選擇合適的膠黏劑且修復(fù)容器布置在有利的位置，就可對混凝土梁進(jìn)行有效的修復(fù)．同時也應(yīng)看到，氰凝膠黏劑梁并未實現(xiàn)最佳的自修復(fù)效果，一方面是因為膠黏劑的性能還需要提高，另一方面，需要選擇更合適的修復(fù)容器．從影響的程度來看，今后自修復(fù)混凝土的研究重點應(yīng)放在修復(fù)容器上．

玻璃管可以作為自修復(fù)混凝土的修復(fù)容器，但它還有許多不完善的地方．為提高自修復(fù)混凝土的修復(fù)效果，使之早日得到應(yīng)用，應(yīng)研制和開發(fā)新的修復(fù)容器，新修復(fù)容器應(yīng)在以下幾個方面做出改進(jìn)．

(1)降低對混凝土宏觀性能的影響．在自修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部加入修復(fù)容器，必然會對其宏觀性能產(chǎn)生影響．由于自身材料的限制和修復(fù)效果的要求，玻璃管修復(fù)容器不可能太細(xì)太短，當(dāng)它破裂而膠黏劑流出后，在玻璃管處肯定會形成小的空洞，玻璃管放的越多，空洞就越多，這勢必會影響自修復(fù)效果，也會降低混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度．新的修復(fù)容器應(yīng)在材料研究上有所突破，單個修復(fù)容器所占空間不能過大，破裂后的殘體最好能作為混凝土的粗骨料之一，從而減少修復(fù)容器破裂后形成的空隙，最大可能地降低對混凝土宏觀性能的影響．

(2)與混凝土材料斷裂性能更好地協(xié)調(diào)．為取得最佳修復(fù)效果，在混凝土結(jié)構(gòu)開裂后，修復(fù)容器需要及時破裂釋放出膠黏劑．由于玻璃的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土材料的強(qiáng)度，在混凝土結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生微裂縫時，很難保證玻璃管及時破裂，破裂如果滯后，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫已經(jīng)拓寬，膠黏劑流入裂縫也很難產(chǎn)生理想的修復(fù)效果．新的修復(fù)容器材料需要與混凝土材料斷裂性能相協(xié)調(diào)，保證破裂時機(jī)的合理性．

(3)放置更加靈活，位置更加合理．修復(fù)容器的位置直接影響到混凝土的自修復(fù)效果．由于混凝土裂縫分布的隨機(jī)性，玻璃管修復(fù)容器位置及數(shù)量的合理性很難得到保證，混凝土開裂時部分裂縫處可能不會有膠黏劑流出，從而無法產(chǎn)生理想的修復(fù)效果．新的修復(fù)容器應(yīng)采用諸如膠囊等形式[5]，其體積小，數(shù)量多，以類似粗骨料的形式，摻入混凝土構(gòu)件中，使修復(fù)容器分布面更廣，各修復(fù)容器間影響較小，一個破裂不會使其它的修復(fù)容器失效，這樣混凝土不同位置先后出現(xiàn)裂縫，都能得到修復(fù)，有效延長了自修復(fù)混凝土的使用壽命．

(4)更具實用性．自修復(fù)混凝土的研究應(yīng)著眼于實用性，修復(fù)容器的選擇也不例外．自修復(fù)混凝土構(gòu)件制作時玻璃管修復(fù)容器有諸多不便，例如容易斷裂，位置難于固定等，同時它的造價偏高，不適合大量使用．新的修復(fù)容器應(yīng)在材料上有所創(chuàng)新，把實用性放在首要位置，易于制作，經(jīng)濟(jì)性更好．

［1］ 張 雄，習(xí)志臻，王勝先，等. 仿生自愈合混凝土的研究進(jìn)展[J]. 混凝土，2001，137(3)：10-13.

［2］ 劉 鵬，賈 平，周宗輝，等. 自修復(fù)混凝土研究進(jìn)展[J]. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，20(4)：287-291.

［3］ 羅素蓉，鄭建嵐，王國杰，等. 自密實高性能混凝土力學(xué)性能的研究與應(yīng)用[J]. 工程力學(xué)，2005，22(1)：164-169.

［4］ 成新元，韋灼彬. 檢驗混凝土自修復(fù)效果的試驗研究[J]. 建筑，2008，24：48-50.

［5］ 陳大柱，何平笙，楊海洋. 具有自修復(fù)能力的聚合物材料[J]. 化學(xué)通報，2004(2)：138-142.