混凝土劈拉開裂和裂縫自愈合機理

王立成，武少赟

（大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

1 研究背景

水工混凝土遭受荷載或環境作用不可避免會產生裂縫。裂縫將混凝土由連續體轉變為離散體，雖不會直接影響結構的安全性，但卻改變了其傳輸特性，為有害物質（如氧氣、二氧化碳、水、氯離子、硫酸根離子等）侵入混凝土提供了便捷通道，造成水泥基質退化和鋼筋銹蝕等一系列劣化結果，產生了“劣化-開裂-再劣化”的惡性連鎖反應，最終導致混凝土結構破壞［1-3］。

1925年，Abrams［4］發現，開裂混凝土試件在戶外放置8年后，其抗壓強度變為28 d 的2 倍多，他認為混凝土發生了自愈合，也成為首次發現這一現象的學者。不可否認，裂縫自愈合可有效減緩有害物質的入侵，延長混凝土結構的服役壽命，對準確預測既有結構的使用壽命具有重要意義。

研究開裂混凝土中裂縫的自愈合規律和機理，應明確混凝土所處的環境條件。環境作用是一把雙刃劍，既可以加快混凝土內部損傷發展，也可以在一定程度上提高裂縫自愈合效果。借助微觀手段明確不同環境條件下裂縫的自愈合機理，創造最佳環境作用條件，最大程度地促進自愈合的發生，從而減少裂縫帶來的危害。盡管現在工程中也希望考慮混凝土裂縫的自愈合性能，然而，對不同環境中裂縫自愈合機理的研究尚不明確，關于裂縫自愈合效果的量化方法尚不成熟。

本文采用劈拉加載方式產生裂縫，對試件裂縫特征、加卸載過程中劈拉應力-裂縫口張開位移（COD）曲線的變化規律以及裂縫在不同環境中的恢復特征和自愈合機理進行研究，從力學性能恢復、裂縫閉合和氣體傳輸系數變化等多個量化指標評價自愈合效果，以期為復雜環境條件下（如海洋及近海環境）混凝土的耐久性分析和使用壽命預測提供依據。

2 試驗概況

2.1 原材料與試件制備試驗原材料包括：水泥為P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥（氧化鎂含量2.83%，三氧化硫含量2.59%）；粗骨料為粒徑5～10 mm 的花崗巖碎石；細骨料為細度模數2.55、堆積密度1450 kg·m-3、粒徑0～5 mm 的中砂；減水劑為聚羧酸鹽類高效減水劑。混凝土配合比如表1所示，其水膠比為0.45。試驗采用100 mm×50 mm（直徑×高度）的塑料試模，試模由底蓋、開口中環和上環組裝而成，具有便捷、易拆裝和重復利用率高等諸多優點。試件澆筑24 h 后拆模，將圓盤試件和標準立方體試件置于標準條件下養護至28 d 齡期，測得28 d 立方體抗壓強度為52.9 MPa。將試件上下表面打磨至厚度45 mm（±1 mm），一方面去除表面浮漿，另一方面保證試件表面平整和兩表面相互平行，為后續劈拉試驗和氣體滲透試驗打下基礎。

表1 混凝土配合比 （單位：kg/m3）

2.2 劈拉試驗圓盤試件的劈拉試驗在MTS Landmark 電液伺服試驗機上完成。試驗分別采用位移控制加載和力控制卸載，先后嘗試了0.012、0.024、0.05、0.1、0.2 和0.3 mm/min 的加載速率，綜合考慮加載時間和裂縫預制成功率，選用0.2 mm/min 的加載速率。試驗時在試件兩側分別安裝LVDT，測量試件在加載過程中的裂縫口張開位移。一般情況下，裂縫在兩個面上開展并非同步，這里取兩個LVDT 的平均值作為最后裂縫的測量結果，試驗加載裝置如圖1所示。

加載頭直徑、墊塊和膠合板墊條寬度均為45 mm，與試件厚度相同，并保證前后精確對中；采用激光對準儀將試件豎向直徑、加載頭中心和墊塊中心對齊，實現加載軸方向精確對中。在試件與加載頭、墊塊間設置膠合板墊條，一方面可以防止試件與加載頭接觸產生局部受壓破壞，另一方面能夠減小試件在加載過程中受到的橫向約束。

2.3 裂縫測量試驗中采用Supereyes 數碼顯微鏡測量裂縫寬度，為減小誤差，將試件表面沿加載軸方向10 等分，依次取9 個測點，如圖2所示，以測點處的裂縫寬度平均值作為該表面的主裂縫寬度，并與另一面主裂縫寬度取平均值作為該試件最終開裂后的主裂縫寬度w1。對于每側選取的9 個點，在每點處量取5 個裂縫寬度，按照去掉最大值和最小值后取平均值的原則計算該點裂縫寬度。

圖1 劈拉開裂試驗裝置簡圖

圖2 測點分布

2.4 氣體滲透試驗試驗中通常采用滲透試驗來評價混凝土內部孔隙率和孔隙的連通性。滲透試驗一般以水、酒精或氣體作為傳輸介質。酒精的強揮發性使其作為滲透介質難度較大，而水會與未水化的水泥顆粒發生再水化反應，對評價自愈合效果產生一定干擾，綜合考慮，本文試驗采用氮氣滲透試驗來研究裂縫的自愈合規律，不僅能克服其他介質的缺陷，而且氣體對微觀結構變化的敏感度高，可用于評價細小裂縫的滲透特性，測量可在較低壓力梯度下快速進行，減少對材料內部結構的二次損傷，能夠更準確地反映混凝土裂縫的自愈合效果［5-9］。

試驗采用的氣體滲透裝置主要包括壓力源、試件盒和計量設備三部分。

（1）壓力源由儲氣罐、減壓閥、截止閥和6 位數顯精密壓力表組成，能夠為試驗提供精確恒定的氣體壓力。選取高純氮氣作為滲透氣體，一方面氮氣是結構所處環境的重要組成氣體，另一方面氮氣為惰性氣體，試驗過程中不會帶來安全隱患。

（2）試件盒用來固定和密封試件，設計大體經歷了圖3所示的3 個階段：A 圖側面為柔性硅膠套和剛性鐵圈，硅膠套在豎向壓力作用下發生橫向膨脹，通過試件、硅膠套和鐵圈之間的相互擠壓來保證側面氣密性，但卻改變了初始裂縫寬度；B 圖側面為柔性硅膠套，不會對初始裂縫產生影響，但側面氣密性無法保證；C 圖側面為環氧樹脂，既能保證側面密封性，也不會對預制裂縫產生擠壓。

圖3 試件盒設計

（3）計量設備采用量程為50 L/min 的MF4008 型數顯氣體流量計。

全部氣體滲透裝置示意圖如圖4所示，上蓋和下蓋通過螺栓連接，硅膠墊嵌入上下蓋中，保證上下面的氣密性；采用環氧樹脂密封試件側面，保證側面的氣密性；進氣口和出氣口均采用快插接口實現密封。

圖4 氣體滲透裝置和試件盒

裂縫處滲透系數的測量步驟如下。

（1）試件在50℃下烘干12 h 后冷卻至室溫。烘干溫度由自愈合產物的分解溫度確定，Picandet 等［5］發現，飽和度分別為3%和35%的帶裂縫高性能混凝土試件，氣體滲透性無明顯差異。因此，僅需去除裂縫中自由水，避免其對氣體滲透的影響即可。經過12 h 的烘干處理，裂縫表面即可達到干燥狀態。

（2）將試件裝入試件盒并對稱擰緊螺栓，確保上、下面的氣密性。

（3）通過減壓閥將氣壓降至0.05 MPa，氣體從試件下表面進入，上表面流出，試驗時在裝置與試件接觸部位通過噴灑肥皂水檢測裝置氣密性。Picandet 等［5］通過試驗發現，對于完好和中度受損試件，氣體壓力為0.05～0.30 MPa；對于裂縫寬度較大的試件，氣體壓力范圍可為0.01～0.10 MPa。

（4）試驗發現，當主裂縫寬度在50～150 μm 范圍內，0～40 min 內氣體流量的相對變化值在2%以下，說明氣體體積流量隨時間基本不變，氣體可以很快達到穩定狀態。因此，將通氣1 min 后的流量視為穩態流量。通過流量計測量氣體流量，進而利用下式計算混凝土的氣體滲透系數k：

式中：k 為混凝土氣體滲透系數，m2；Q 為氣體體積流量，m3·s-1；A 為試件滲透面積，m2；P1為出口壓力，N·m-2；P2為入口壓力，N·m-2；L 為試件厚度，m；η為黏性系數，s·N·m-2，15 ℃氮氣η值為1.73×10-5s·N·m-2。

2.5 愈合環境將劈拉開裂后的試件分別置于海水、淡水（自來水）和標準養護室環境中，使裂縫發生自愈合，分析愈合環境對自愈合效果的影響規律，探索不同環境中裂縫的自愈合機理。

海水環境中，考慮到不同海域海水成分有差異，為便于自愈合效果和機理的分析，參考文獻［10］采用人工合成海水，其主要成分如表2所示。

表2 合成海水成分［10］ （單位：g/L）

采用塑料箱作為海水環境下試件的養護池，每箱盛放25 L 合成海水，試驗中為保證試件與海水充分接觸，在水箱底部放置墊塊，試件之間交錯放置；每7 d 更換一次海水，確保人工合成海水中各組分及離子的濃度相對穩定，以便更好地模擬原位條件；將塑料箱打開，保證在試驗過程中氣體在水氣交界面自由擴散，如圖5所示。

采用兩個塑料盆作為淡水環境下試件的養護池，試驗中同樣將盆口暴露于空氣中，保證自愈合所需的CO2氣體供應，從而更好地促進自愈合發生（見圖5）。

標準養護條件是將試件置于標準養護室中，試件下方放置墊塊，保證試驗過程中裂縫處有充足的空氣供應。

3 試驗結果與分析

圖5 海水和淡水愈合環境

3.1 劈拉裂縫形態試驗通過數碼相機采集試件劈拉開裂后的裂縫形態圖，采用Photoshop 軟件進行處理，得到劈拉開裂的典型裂縫形態圖如圖6所示。

圖6 典型裂縫

從圖6可以看出，劈拉試驗產生的加載裂縫具有曲折性、粗糙性和連通性等特點，更能體現混凝土的真實裂縫形態。加載過程中，由于試件中部范圍內拉應力最大，且分布均勻，試件中部首先開裂，然后沿垂直方向朝試件上下邊緣擴展，主裂縫產生后，隨著荷載繼續增大，裂縫產生分支并形成細小附屬裂縫，同時主裂縫繼續擴展，最終貫穿至試件上下支承點。

試驗發現，裂縫擴展速度與混凝土強度有關。加載初期混凝土內累積能量小于開裂所需能量，這些能量僅會造成混凝土損傷，但這種損傷對其滲透性基本沒影響；隨著荷載繼續增大，試件內累積能量大于混凝土開裂所需能量，試件開裂。而且混凝土強度越高，試件脆性越大，裂縫擴展速度也越快。

試驗設計了4 種目標主裂縫寬度，分別為50、100、150 和200 μm，實際裂縫寬度誤差控制在±15 μm 范圍內，試件正反兩面裂縫寬度測量結果如圖7所示。圖7每個測點處柱狀圖由兩段組成，下段為該測點處反面裂縫寬度實測值，上段為對應的正面裂縫寬度實測值。從圖7可以看出：不論在哪種主裂縫寬度下，從1 號到9 號測點，裂縫寬度先增大后減小，最大裂縫寬度在4—6 號測點區域，裂縫均呈中間寬、兩頭窄的形態特征。

圖7 表面裂縫寬度

3.2 應力-裂縫張開位移曲線試驗發現，最大加載位移和卸載位移間存在一定的數量關系，試驗中根據兩者間的關系較為準確地控制卸載時間，得到了不同設計卸載位移下的劈拉應力-裂縫口張開位移曲線，如圖8所示，設計卸載位移分別為50、100、150、200、250 和300 μm。

劈拉應力根據下式計算：

式中：σt為垂直于荷載方向的最大拉應力，MPa；P 為試件所受荷載，N；L 為試件長度或厚度，mm；D 為圓盤試件的直徑，mm。

從圖8可以看出，曲線在開始階段接近直線，隨著應力的增加，在峰值應力前，曲線不再保持直線，但如果在此階段卸載，位移基本可以恢復。Wang 等［11］發現，當試件在峰值應力前卸載，卸載后約80%的裂縫可恢復，殘余裂縫非常小，而且對滲透性基本沒有影響。當超過峰值應力，裂縫迅速擴展，承載能力降低，應力減??；當應力下降到峰值應力的75%左右，裂縫口張開位移增加，應力基本不變，出現了類似鋼筋屈服的現象。試驗中一旦裂縫達到預設寬度，立即卸載，卸載曲線為一條直線，滿足卸載定律。不難發現，卸載階段曲線斜率均小于初始加載曲線斜率，這主要是由混凝土開裂導致自身剛度降低所致，并且裂縫口張開位移越大，混凝土內部結構損傷越大，剛度降低越多。

圖8 不同設計卸載位移下的拉應力-裂縫口張開位移曲線

圖9 卸載后裂縫口張開位移恢復

圖9給出了加載曲線上最大加載位移和卸載后殘余位移的關系，試驗中最大殘余位移為300 μm。當完全卸載后，裂縫口張開位移會減小，所能恢復的部分為材料彈性變形，殘余位移即為裂縫擴展所產生的不可逆塑性變形。從圖9可以看出，二者之間的差值隨加載位移的增大而增大，這是由于加載產生的裂縫口張開位移越大，混凝土受損越嚴重，導致塑性變形比例增大，彈性變形所占比例減小。

3.3 愈合后力學性能分析自愈合試驗均在卸載條件下進行，采用主裂縫寬度w1=100 μm 的開裂試件，實際裂縫寬度誤差仍控制在±15 μm 范圍內。為了對比愈合前后開裂混凝土的力學性能，對愈合后的試件開展了劈拉試驗。試驗中保證最大加載位移與裂縫預制階段基本相同，仍通過位移控制加載，記錄應力-裂縫口張開位移曲線。主要分析的指標包括：初始剛度K0、首次卸載剛度KX0、愈合后初始剛度K1、愈合后卸載剛度KX1、裂縫預制階段峰值應力σ0和愈合后峰值應力σ1等，通過對比試件愈合前后剛度和強度的變化，定量評價不同環境中裂縫自愈合的效果。

海水、淡水環境和標準養護條件下，愈合后二次加卸載曲線分別如圖10所示，圖中同時給出了初始加卸載曲線，以便進行對比。

定義愈合前后強度比α=σ1/σ0，愈合后初始加載剛度恢復量β=（K1-KX0）/KX0，兩次加卸載得到的主要力學性能指標如表3所示。

由圖10和表3可知，經過28 d 愈合后，最大強度比α均未超過0.5，自愈合對劈拉強度恢復效果較差，說明自愈合產物與混凝土基體黏結強度較低，愈合產物更多起填充作用。愈合后初始加載剛度K1均比愈合前卸載剛度KX0有所提高，說明經過28 d 愈合，試件剛度有所恢復，但恢復值相對于初始剛度較小。

圖10 裂縫愈合前后力學性能比較

表3 裂縫愈合前后力學性能比較

3.4 不同環境中自愈合機理分析為對比愈合前后和愈合過程中裂縫形態的發展變化，試驗中對試件上固定位置的某一段裂縫進行跟蹤觀測，跟蹤觀測部位為隨機選取，以便得到的結果更具有說服力。不同環境中混凝土試件的典型裂縫愈合過程圖如圖11所示。

圖11 不同愈合環境中的典型裂縫愈合

從圖11可以看出，環境條件對自愈合效果有顯著影響，隨著愈合時間的延長，愈合產物不斷增多，自愈合填充效果也越為明顯。

不同環境中裂縫自愈合的效果評價如圖12所示。由圖12可以看出，在不同愈合環境中，裂縫寬度和氣體流量隨時間逐漸減小，說明裂縫愈合水平隨時間逐漸提高，但隨著時間的增長，愈合水平將趨于穩定。因為愈合早期，裂縫寬度較大，自愈合所需原料比較充足，可以源源不斷地傳輸到裂縫表面，促進自愈合的發生，這個階段，化學反應速率決定了愈合速率；愈合后期，水泥顆粒基本水化完成，裂縫處愈合原料減少，而且裂縫寬度的減少也阻礙了水中離子向裂縫處的傳輸，導致自愈合進程變緩，這一階段，原料的擴散成為影響自愈合速率的主要因素。

由圖12還可以看出，海水環境中自愈合效果最好，淡水環境次之，標準養護環境中自愈合效果最差。相比于水養護環境，標準環境中自愈合效果差，主要是液態水供應不足所致。因為化學反應需要有水參與，另外細小顆粒的傳輸也需要借助于水的流動。Jacobsen 等［12］和?avija［13］在研究中也發現，液態水是自愈合發生的必需條件，潮濕或水環境有利于自愈合的發生。

圖12 混凝土自愈合效果與愈合環境的關系

由于標準養護環境中自愈合效果較差，本文僅對淡水和海水養護環境中裂縫的自愈合產物進行了微觀檢測，掃描電鏡圖（SEM）和X 射線衍射圖（XRD）分別如圖13和圖14所示。圖13中A—C 為淡水環境中的SEM 圖，對應的XRD 圖為14（a）；圖13中D—I為海水環境中SEM 圖，對應的XRD 圖為14（b）。

淡水愈合環境中，通過SEM 圖可以看到，裂縫表面附著絮狀硅酸鈣凝膠、六方板狀氫氧化鈣、斜方雙錐文石和顆粒狀或塊狀方解石；利用Jade 軟件分析XRD 衍射圖譜，可以發現愈合產物主要為碳酸鈣、氫氧化鈣、硅酸鈣以及未水化的水泥顆粒。綜合分析，淡水環境中裂縫自愈合產物主要有文石或方解石（碳酸鈣）、氫氧化鈣、硅酸鈣以及未水化的水泥顆粒（硅酸二鈣及硅酸三鈣）。

海水愈合環境中，通過SEM 圖可以看到裂縫表面附著絮狀硅酸鈣凝膠、六方板狀氫氧化鈣或氫氧化鎂、斜方雙錐文石、顆粒狀或塊狀方解石、短柱型石膏和棒狀鈣礬石；利用Jade 軟件分析XRD衍射圖譜，可以發現愈合產物主要為碳酸鈣、氫氧化鈣、硅酸鈣、鈣礬石、二水硫酸鈣、氫氧化鎂以及未水化的水泥顆粒。綜合分析，海水環境中裂縫自愈合產物主要有文石或方解石、氫氧化鈣、鈣礬石、石膏、水鎂石、水化硅酸鈣和未水化的水泥顆粒（硅酸二鈣和硅酸三鈣）。

海水和淡水愈合環境生成的愈合產物不同，主要與離子來源、種類和數量等有關。淡水中離子含量較低，CO32-有限，Ca2+和Mg2+基本可以忽略，自愈合礦物主要是文石或方解石（CaCO3），Ca2+由混凝土提供，溶液中CO32-的含量成為限制CaCO3生成的主要因素。海水中富含Ca2+、Mg2+、SO42-和CO32-等，這些離子可形成文石或方解石（CaCO3）、水鎂石（Mg（OH）2）、鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）、石膏（CaSO4·2H2O）等礦物，形成的這些礦物能夠大大增強裂縫的自愈合效果。

圖13 愈合產物SEM 分析結果

圖14 不同環境中愈合產物XRD 分析結果

當然裂縫自愈合過程并不僅僅是化學反應，還包括物理、力學等多種機制?？傮w而言，裂縫自愈合是各種物理和化學過程綜合作用的結果，其機理主要包括再水化作用、結晶作用、分解作用和堵塞作用［13-15］。

（1）再水化作用。未水化的水泥顆粒（硅酸二鈣和硅酸三鈣等）在硬化混凝土中再次水化，生成水化產物；硅酸鈣水化物的膨脹作用。

（2）結晶作用。淡水環境中，水化產物氫氧化鈣與水、二氧化碳反應生成文石或方解石堵塞裂縫；在海水中，由于鈣離子、鎂離子、碳酸根離子和硫酸根離子等存在，會形成文石或方解石、石膏、鈣礬石和水鎂石等結晶物，這些礦物能夠大大增強裂縫的自愈合效果。

（3）分解作用。裂縫處滲流作用導致氫氧化鈣損失，化學平衡被破壞，使水泥水化產物分解，匯集在裂縫處，導致裂縫自愈合的發生。

（4）堵塞作用。裂縫表面松散顆粒、空氣和水中的雜質等產生的堵塞作用使裂縫愈合。

自愈合機理的示意圖如圖15所示。

圖15 不同自愈合機理

4 結論

本文通過試驗研究了混凝土在劈拉加載過程中的裂縫發展特征、形態以及不同環境中裂縫的自愈合規律和機理，主要結論如下：（1）劈拉裂縫從試件中部向邊緣擴展，最終貫穿至試件上下支承點。裂縫呈中間寬、兩頭窄的形態特征，其曲折性、粗糙性和連通性等特點更能體現混凝土的真實裂縫形態。（2）混凝土劈拉開裂導致自身剛度降低，卸載階段曲線斜率均小于初始斜率，并且裂縫口張開位移越大，混凝土內部結構損傷越大，剛度降低越多。（3）愈合后劈拉強度恢復效果較差，自愈合產物與混凝土基體黏結強度較低，愈合產物更多起填充效果。愈合后初始加載剛度K1均比愈合前卸載剛度KX0有所提高，試件剛度有所恢復，但恢復值相對于初始剛度較小。（4）環境條件對自愈合效果有顯著影響，標準養護條件中由于液態水供應不足，導致自愈合效果最差。海水環境中自愈合效果優于淡水，主要與離子來源、種類和數量等有關。淡水中自愈合礦物主要是文石或方解石，海水中可形成文石、方解石、水鎂石、鈣礬石、石膏等礦物，這些礦物能夠大大增強裂縫的自愈合效果。（5）裂縫自愈合過程并不僅僅是化學反應，還包括物理、力學等多種機制?？傮w而言，裂縫自愈合是各種物理和化學綜合作用的結果，其機理主要包括水泥的再水化作用、結晶作用、水泥水化產物的分解作用和顆粒雜質等的堵塞作用。