混凝土裂缝自愈合国内外研究现状综述

【摘 要】本文综述了混凝土自愈合机理的研究现状，归纳了外部环境、裂缝宽度、胶凝材料等因素对混凝土自愈合影响的研究成果，汇总了混凝土裂缝自愈合的研究手段。

【关键词】混凝土；裂缝；自愈合；综述

前言

混凝土因其有良好的可塑性、高强性和耐久性而成为目前应用最广泛的工程材料，但混凝土本身脆性大，受物理收缩、内外温差等因素的影响，不可避免的会产生局部损伤和裂缝。材料产生缺陷裂纹源或裂纹源扩展，在无外界作用情况下，本身具有自我恢复，令裂纹愈合的能力，称为自愈合[1]。混凝土裂缝自愈合，指在不通过任何外界干预的条件下混凝土自身对裂缝的修复能力。

1、混凝土自愈合研究的意义和目的

由于混凝土会因为各种原因产生程度不一、形式各异的损伤，而多数损伤以裂缝的形式表现出来，统计显示由于混凝土变形产生的裂缝约占裂缝总数的80%，外荷载直接应力产生的裂缝约占20%。根据裂缝的程度和形式不同，可以将存在小于0.05mm细小裂缝的结构视为无裂缝结构，普遍认为这样的裂缝对建筑功能性影响不大；而当裂缝的程度大于这个界限时，则认为随着裂缝宽度、深度的不断增加会对建筑物的安全造成严重的损害，并对其正常使用构成显著影响。

现阶段对裂缝的预防或后期治理都基于以往对混凝土裂缝的普遍认识，以及人们不断增强的对建构筑物的安全意识和功能要求。传统的观念认为在外界影响因素的不断作用下，裂缝的发展会不断的进行，已有的裂缝会进一步恶化，因此当发现有明显的裂缝或贯穿裂缝存在时，必须予以治理。

但裂缝在形成之后其发展变化的趋势到底如何，是否存在自愈合的可能？ 混凝土自愈合研究的目的就在于换一个角度来研究混凝土损伤或者裂缝的发展变化，以及裂缝对混凝土物理力学性能的影响，重新定义裂缝的危害和利弊，为损伤或裂缝的治愈提供新的思路和途径。

2、混凝土裂缝自愈合机理

随着混凝土裂缝自愈合研究的深入，水及其在混凝土内部物理和化学的反应作用成为了影响混凝土的自愈合的重要因素，混凝土裂缝自愈合后期CaCO3晶体生成较为明显，而前期混凝土试件裂缝处的渗水量的减小，主要由裂缝处已经存在松散的颗粒在水流的冲刷下堵塞裂缝造成。而CaCO3的生成是混凝土裂缝自愈合的主要原因，裂缝处的灰尘和杂质会沉积在裂缝处，也对混凝土裂缝的自愈合产生影响，另外Ca2+的有效性不是CaCO3生成的关键因素，Ca2+的主要来源Ca（HCO3） 2和CO2都是存在于水中的，从另一个侧面说明水对混凝土裂缝自愈合的重要性。

即混凝土的自愈合的机理可归结为：1）水泥浆体未水化的水泥颗粒随渗透水一起流出并生成水泥水化产物，对裂缝自愈合起到一定的作用；2）当外界的水分通过裂缝向混凝土内渗流时，游离Ca（OH）2较容易溶解于水， CO2与渗漏水带出的Ca（OH）2结合形成CaCO3，沉积在裂缝的表面和里面，形成白色的覆盖层；3）水渗透导致混凝土内部Ca（OH）2浓度的降低，从而使与Ca（OH）2相平衡的水泥水化产物分解，并随渗透水一同溢出，附着于裂缝周围，从而使得裂缝愈合；4）在水头压力不大的情况下， CaCO3结晶体在裂缝周围得以沉淀，在裂缝的周围和空气中的灰尘等物质，也会落至渗透水中，随水流冲到裂缝处沉积，使裂缝愈合。

3、外部环境对混凝土裂缝自愈合能力的影响

已有研究证明混凝土裂缝自愈合的外部影响因素主要包括：干湿环境、温度、压力、CO2浓度、环境酸碱性、硫酸盐侵蚀等。其中尤其是水和溶于水中的CO2的存在是关键，这已经得到了普遍认同。水在混凝土裂缝自愈合过程中至关重要，混凝土试件放入相对湿度95%的养护环境中，裂缝愈合程度远不及完全浸入水中的试件。水是Ca（OH）2同CO2反应生成CaCO3的重要条件，若CO2不是存在于水中，而是以气体状态存在，几乎不与裂缝处的Ca（OH）2反应生成CaCO3，另外，水还是Ca（OH）2由混凝土内部移动到裂缝表面的必要条件，所以要想利用混凝土裂缝自愈合，水是必不可少的重要条件。同时，不同水温对裂缝的自愈合也会产生影响，结论显示水温越高，自愈合发生的速度越快，裂缝自愈合效果越好。如果提高裂缝周围水的压力，提高水的PH值，降低水中CO2的分压都将有利于裂缝中CaCO3的沉积，对裂缝自愈合均会起到一定帮助。

4、裂缝宽度对混凝土裂缝自愈合能力的影响

由于裂缝的愈合是混凝土内部的Ca（OH） 2的游离引起的，会对混凝土的强度及耐久性产生不利影响，因此当裂缝较宽时（>0.4-0.5mm），不可依靠混凝土自身愈合的特性来处理裂缝，而应采用灌浆法、填充法等方式修补裂缝。显然已有的研究证明裂缝宽度直接影响混凝土的自愈合能力，当裂缝宽度较大时尽管自愈合的行为会发生但愈合的过程很漫长，因此要利用自愈合的行为来对已有裂缝进行治理前，必须充分考虑其裂缝的宽度，当裂缝较宽时应该考虑采用其他治理方式，或改善外部环境以加速愈合进程。

5、胶凝材料对混凝土裂缝自愈合能力的影响

胶凝材料的添加对混凝土裂缝自愈合的会产生极为正面的影响，适当的胶凝材料掺量范围内，较早龄期出现裂缝的混凝土，相对愈合率相差无几；裂缝出现在龄期较晚的混凝土，掺量越大，混凝土愈合能力增长的趋势越高。低强度等级水泥由于其大颗粒的含量较多，使同龄期混凝土试件中未水化的水泥含量较多，所以自愈合效果好于高强度的水泥。掺入胶凝材料的混凝土试件自愈合效果要好于不胶凝材料的混凝土试件。

6、混凝土裂缝自愈合对混凝土力学性能的影响

大量试验表明，有裂缝的混凝土立方试件，通过养护后裂缝的自愈合，水泥含量多的试件强度增长较多，在一定情况下强度可以完全达到无裂缝试件强度。混凝土裂缝自愈合后，裂缝处强度增长，是由于一部分裂缝已经相互连接，裂缝处被新的生成物所填充。另外，水灰比较高的水泥混凝土试件在裂缝早期自愈合过程中，强度恢复较快，但是到了后期水灰比对试件强度有无明显影响。混凝土出现早期裂缝后，如能得到适当的养护，混凝土中的水泥将继续水化并析出Ca（OH）2，与粉煤灰中的活性化学成份产生火山灰效应，生成水化铝酸钙、水化硅酸钙、水化硫铝酸钙和少量的水化铁酸钙，生成物不断聚集充填裂缝，使裂缝部分消失或全部消失，混凝土裂缝处的抗拉强度得到恢复。对于较晚龄期出现的裂缝，此时水泥水化已达一定程度，粉煤灰二次效应已有所发展，强度的恢复程度较低。

7、主要研究方法

主要研究方法分为三种：一是混凝土力学性能试验、混凝土裂缝处渗水量的试验、以及借助放大观察及测量仪器开展的裂缝覆盖率、填充深度的研究，二是用微观观察方法，包括利用扫描电镜观察微观形貌，利用X-rad观察裂缝处新矿物的生成等，三是进行CT断层扫描，分析试件内部的裂缝分布发展等。

参考文献：

[1]刘颖，胡传斯，江，王国红，白立来.材料自愈合途径[J].北京工业大学学报.1998，2（02）

[2]程东辉，潘洪涛.混凝土裂缝自动愈合机理研究[J].森林工程.2005，21（03）.

[3]蒋正武.水泥基材料裂缝自愈合的研究进展[J].材料导报.2003，17（04）.