纖維增強混凝土自修復性能的研究現狀★

陳佳寧 劉鳳東 王冬梅 王建恒 李趙相

(天津市建筑材料科學研究院，天津 300381)

1 概述

混凝土材料作為建筑工程中使用最為廣泛的材料，具有成本低廉、力學性能優良等一系列優點。但混凝土材料本身彈性模量高、韌性差的特點導致在外界環境的影響下，容易產生疲勞損傷和細小裂縫，影響其耐久性、降低使用壽命。為了提高混凝土材料的性能，先后開發了減水劑、早強劑、緩凝劑等一系列外加劑產品，這些技術手段無法完全解決混凝土材料韌性差、疲勞損傷的缺陷。在1925年,Abrams把破壞后混凝土試件在戶外放置一段時間后發現混凝土試件裂縫存在自修復能力。此后如何快速地修復混凝土材料的損傷[1]，以及對混凝土的自修復機理的研究，越來越受到重視。國內外學者對混凝土材料自修復性能進行了大量的實驗研究，研究方法主要包括:內置纖維膠液管自修復方法、內置膠囊自修復方法、形狀記憶合金自修復方法、細菌修復方法等。混凝土的自修復性能已經研究了很長一段時間，最近的研究發現纖維增強混凝土材料具有更好的自修復性能。本文對混凝土在自然條件下自修復以及纖維增強混凝土的自修復性能的研究狀況進行了介紹。

2 混凝土材料自然條件下自修復過程

早在1836年法國科學院首先發現了混凝土材料本身具有自修復功能，認為混凝土材料中Ca(OH)2與空氣中溶解于水的二氧化碳反應生成CaCO3沉淀結晶是混凝土具有自修復能力的主要原因。國外學者Lauer等在1956年通過試驗研究證實混凝土材料存在自修復性能[2]。

Lauer等通過試驗研究了混凝土齡期、養護條件以及石灰石和粉煤灰的添加量對自修復性能的影響，研究結果表明：隨著水灰比的增加，混凝土材料自愈性能增加，石灰石和粉煤灰對混凝土材料自修復后強度性能有所降低，混凝土材料自修復能力的產物包括CaCO3和Ca(OH)2，沒有發現水泥水化產物，混凝土的自修復性能需要有水的存在條件下才能發揮作用。在1973年Dhir等人研究了水泥砂漿材料的放置時間以及原材料配合比對自修復性能的影響，研究結果表明：在7 d～120 d的試驗范圍內，水泥砂漿試塊的自修復性能隨時間的推移而降低，水泥摻量大的水泥砂漿試塊具有更好的自修復性能[3]。

Hearn(1997)對26年的混凝土進行了滲透性試驗，實驗結果證明：混凝土材料由于長期干燥收縮引起的細微裂紋用水潤濕后的自修復效果得到顯著提高，抗滲性能得到了明顯改善[4]。

Ramm等在1998年對水滲透鋼筋混凝土中裂縫的大小、水的pH值、水壓力對混凝土自修復性能和對鋼筋銹蝕的影響進行研究，得出以下結論[5]：鋼筋混凝土裂縫寬度小于0.1 mm條件下，混凝土材料具有良好的自修復能力，鋼筋不會發生銹蝕現象；當裂縫寬度為0.2 mm的條件下混凝土材料自修復性能降低，鋼筋開始發生銹蝕現象并且隨著pH值的降低銹蝕現象加重。當裂縫寬度達到0.4 mm時，混凝土材料自修復能力進一步下降，銹蝕程度增大，當pH值為5.2時，銹蝕程度最為嚴重。在文章中Ramm等提出混凝土材料可能存在以下自修復的機理：

1)混凝土中未水化的水泥的進一步反應；

2)混凝土裂縫中膠凝材料的反應膨脹；

3)混凝土中CaCO3的沉淀結晶；

4)滲入混凝土中的水分里的固體物質堵塞裂縫；

5)混凝土裂縫引起的松散顆粒的剝落。

Edvardsen通過實驗研究證明混凝土材料出現裂縫后隨著時間的推移裂縫有自修復能力,能夠產生自修復的原因在于CaCO3的沉淀結晶[6]。在1999年Edvardsen對普通混凝土進行了一系列滲透性測試，并研究了自愈對混凝土裂縫滲水的影響。他發現在水暴露的前3 d～5 d內發生最大的自愈效應，并且裂縫中CaCO3晶體的沉淀實際上是裂縫自愈的唯一原因。CaCO3晶體的生長速率與裂縫寬度和水壓有關，而水對混凝土組成和類型對自愈率沒有影響。Edvardsen還認為CaCO3的形成對兩種不同的晶體生長過程有反應。在水暴露的初始階段，晶體生長的動力學是一種表面控制的晶體生長，但后來改變為擴散控制的晶體生長。

Jacobsen等人(1996)將混凝土試塊水中浸泡3個月后進行凍融循環產生了1 μm～10 μm的微裂紋，對產生的裂縫進行自修復后的動彈性模量和抗壓強度變化進行了研究[7]。試驗結果表明：混凝土經過凍融循環后產生的微裂紋放置一段時間后，動彈性模量得到恢復，抗壓強度只恢復了一部分。通過X射線分析后，產生自修復的物質組成為C-S-H凝膠、CaCO3和鈣礬石。

通過文獻綜述表明：混凝土材料本身存在自修復性能，產生自修復能力的主要原因在于：混凝土材料中水泥水化產物Ca(OH)2與溶解于水中的CO2反應生成CaCO3結晶沉淀；混凝土自修復性能受到裂縫寬度的影響，隨著裂縫寬度的增大，混凝土材料自修復性能降低；混凝土自修復性能受到所處環境溫度、濕度以及膠凝材料含量、水膠比、粉煤灰和石灰石含量等因素的影響；如果混凝土中存在沒有水化完全的水泥顆粒發生二次水化生成C-S-H凝膠，提高混凝土材料的自修復能力；在高性能混凝土材料中，由于減水劑和膨脹劑等外加劑的引入，自修復物質中有鈣礬石出現。

3 纖維增強混凝土材料自修復過程

纖維增強混凝土材料是指為了改善混凝土的性能在混凝土中摻加了纖維的混凝土材料，為了提高改善混凝土材料的脆性缺陷，在20世紀60年代初期開發出纖維增強混凝土(FRC)，用于改善混凝土性能纖維包括玻璃纖維、鋼纖維、天然纖維以及合成纖維等。80年代初，科學家開始關注FRC的延展性和韌性，而后開發出具有應變硬化和多縫開裂特性的高性能纖維增強復合混凝土材料(HPFRCC)。工程用水泥復合材料(ECC)是HPFRCC的一個特殊類型，具有適度的拉伸強度(4 MPa～6 MPa)和非常高的延展性(3%～5%)。由于纖維的加入，纖維增強混凝土不僅改善了普通混凝土脆性的缺陷，而且具有很好的自修復性能。國內外學者通過用超聲共振頻譜、抗滲壓力、抗壓強度變化等方法對纖維增強混凝土的自修復效果進行了研究評價，并采用EDX分析、拉曼光譜分析以及電子探針分析等技術對產生自修復的物質進行了分析。

3.1 FRC纖維增強混凝土自修復性能

在1983年Hannant等對摻加聚丙烯纖維的水泥薄板的彈性模量和拉伸強度的自修復性能進行了試驗研究，結果表明[8]：在自然養護的條件下，水泥薄板上平均寬度為7 μm的裂縫經過7月～24月的自然放置過程，彈性模量基本得到完全恢復，抗拉強度恢復50%左右。Gray等(1984)通過實驗研究了鋼纖維增強砂漿中纖維界面的自修復現象。通過對嵌入在水泥固化的試樣中的單纖維的拉拔試驗來檢查纖維和砂漿之間的界面結合處自修復程度[9]。試驗結果表明：鋼纖維增強砂漿纖維界面自修復程度遠遠優于普通砂漿。

Homma等為了研究纖維增強的自修復性能，對聚乙烯纖維增強混凝土、鋼纖維增強混凝土材料以及聚乙烯纖維和鋼纖維復合混凝土進行了對比試驗研究[10]。纖維混凝土通過抗壓方法出現裂縫后在水中養護28 d，通過抗滲性能測試、抗壓強度測試以及背散射電子成像分析結果表明：聚乙烯纖維的摻量提高，自修復性能增加。在混凝土裂縫中聚乙烯纖維比鋼纖維具有更好起到橋接作用，有利于CaCO3結晶沉淀形成，從而具有更好的抗滲壓力恢復抗壓強度恢復性能。

Snoeck等采用亞麻纖維制作成混凝土對其自修復性能進行了研究，研究結果表明：亞麻纖維增強混凝土材料具有更好的彈性模量和抗壓強度，當裂縫寬度小于30 μm時候，能夠完全自修復。當裂縫寬度在30 μm～150 μm之間能夠部分自修復[11]。

3.2 高性能纖維增強復合混凝土材料(HPFRCC)自修復性能

Victor C Li等在1998年對工程用水泥基復合材料(ECC)的自愈能力進行了實驗研究，并得出結論：ECC混凝土自修復能力受到裂縫寬度大小的影響，通過超聲共振頻譜波檢測證明ECC混凝土自修復后剛度性能得到明顯的修復[12]。Yang等人(2009)采用超聲共振頻譜方法研究了工程用水泥復合材料(ECC)在干濕循環條件下的自修復性能,被破壞產生裂紋的ECC材料共振頻率值恢復到初始數值的76%～100%并且剛性也得到了明顯的修復[13]。Herbert(2012)報道了在自然環境條件下ECC材料自修復能力的研究結果。得出的結論:在自然環境中的ECC材料存在自我修復能力，與在受控的實驗室條件下觀察的自修復能力相比存在差距[14]。

Ferrara等對纖維增強混凝土中的鋼纖維分布情況以及混凝土試塊經過不同養護條件下對自修復性能的影響進行了研究[15]。纖維分布采用平行分布和豎向分布兩種方式，混凝土試塊經過4點彎曲方法破壞成不同寬度的裂縫，然后采用在水中浸泡，不同濕度的空氣養護，以及干濕循環養護條件，在1個月～6個月內對高性能纖維增強混凝土的自修復性能進行了研究評價。試驗結果表明：高性能纖維增強混凝土由于低的水灰比和高的膠凝材料量在鋼纖維的存在下具有良好的自修復能力。在水中浸泡的條件下或者在濕度較高的空氣養護條件下，高性能纖維混凝土中沒有水化的水泥顆粒發生二次水化反應封閉裂縫，產生自修復能力。不同的養護條件對自修復能力具有明顯的影響，在水中浸泡的和干濕循環的養護方式，混凝土試塊具有較好的自修復結果，在空氣養護的條件下，空氣濕度對自修復效果具有明顯的影響，濕度越低，自修復效果越差。

Nishiwaki等對高性能纖維增強混凝土的自修復性能進行了試驗研究[16]，他們把高性能纖維增強混凝土試塊采用單軸抗壓破壞形成裂紋后，放入水中養護一段時間通過顯微鏡觀察裂縫的寬度和自修復性能，通過EDX和拉曼光伏分析發生自修復作用的物質的化學組成。研究結果表明：超高性能纖維增強混凝土具有良好的自修復性能，在裂紋存在的條件下進行水養護沒有鋼纖維銹蝕現象出現。通過EDX分析和拉曼光譜分析產生自修復能力的主要物質為CaCO3結晶沉淀。

Dong Joo Kim等對高性能鋼纖維增強混凝土的自修復進行了試驗研究，研究結果表明：高性能鋼纖維混凝土的裂縫寬度和篩子級配大小以及纖維的類型存在關系，從而對自修復性能產生影響[17]。采用細砂的高性能纖維增強混凝土裂縫寬度只有正常級配砂子的51%～58%，抗壓強度恢復程度比普通砂子級配高出17%～19%。當裂縫寬度小于20 μm時候，高性能鋼纖維混凝土很快的發生自修復，當裂縫寬度小于50 μm的時候，水中浸泡3 d后得到完全的自修復，裂縫寬度達到200 μm的條件下，試塊在水中浸泡28 d后裂縫只得到了部分修復。通過電子探針分析后發現發生自修復作用的物質除了CaCO3結晶以外，還有鈣鋁鐵鹽(Ca-Fe-O-OH,Ca-Fe-Al-O-OH)的存在，此類物質的形成受到鐵離子催化的影響。

馬輝等人驗證了五種不同化學成分的粉煤灰對工程用水泥復合材料(ECC)力學性能和自修復性能的影響，其中粉煤灰與水泥的比例為0.3,PVA纖維的摻量為0.2%(體積比)[18]。破壞后經過干濕循環后采用環境掃面電鏡(ESEM)和X射線能譜(EDS)對自修復情況和物質進行了分析。研究結果表明：鈣含量較高粉煤灰有助于提高ECC材料后期的自我修復能力，摻加高鈣粉煤灰的ECC材料在后期具有更好的自修復能力。產生自修復的物質主要為CaCO3和少量C-S-H凝膠。

Li用3%濃度的NaCl溶液浸泡ECC材料試塊的方式模擬在海水條件下的自修復性能，研究結果表明：在3%濃度的NaCl溶液中ECC材料試塊具有自修復能力，當ECC試塊裂縫寬度在45 μm～100 μm對比在空氣中養護的ECC材料試塊，抗壓強度降低了10%左右[19]。分析結果表明，氯離子與ECC材料中纖維和基體材料中界面處發生交互作用導致部分Ca(OH)2溶解，從而增加了ECC材料的孔隙。

纖維增強混凝土材料自修復性能受到纖維種類、原材料配比、水灰比以及養護條件等多種因素的影響。影響混凝土材料自修復能力的重要因素是產生裂縫的寬度，由于纖維材料的引入，纖維增強混凝土材料產生的裂縫更為細小，從而使得纖維增強混凝土材料具有更好的自修復能力，這種自修復能力水中氯離子的滲透和水分的滲入，從而增強纖維混凝土耐腐蝕性能。纖維增強混凝土產生自修復能力的物質為CaCO3結晶沉淀，由于采用較低的水灰比，纖維增強混凝土中沒有水化完全的水泥顆粒多于普通的混凝土材料，有研究報告表明在纖維混凝土早期裂縫自修復物質中有部分C-S-H凝膠存在。在纖維增強混凝土中加入了膨脹劑類物質，能夠觀察到鈣礬石存在，也有學者研究表明在高性能鋼纖維混凝土中在鐵離子存在下檢測到鈣鋁鐵鹽物質的存在。

隨著混凝土技術的進步,開發出高效減水劑、膨脹劑等一系列外加劑用于提高混凝土材料性能。對于高性能混凝土以及高性能纖維增強混凝土材料的原材料配合比、沒有水化的水泥顆粒的二次水化、膨脹劑的種類和摻量等因素對自修復性能影響研究比較缺乏。

4 結語

混凝土材料是一種脆性材料，在使用過程中受到荷載和外界環境因素的影響，不可避免的產生局部損傷和裂縫現象。纖維混凝土材料不僅在一定程度上改善了混凝材料脆性的缺陷而且有良好的自修復性能。但對高性能混凝土材料以及高性能纖維增強混凝土材料的自修復的理論和在實際工程條件下的自修復性能仍需要進一步研究。

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