幾種混凝土修補材料概述

鄭同鑫 沈霽

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

0 引言

混凝土破損產生裂縫的修補材料種類繁多，本文討論的混凝土裂縫修補材料有粉煤灰基聚合物類、形狀記憶合金類和微生物膠囊類，分別從修補材料的修復機理、應用特性及試驗分析進修闡述。粉煤灰基聚合物修補材料主要原料為粉煤灰、少量堿激發劑溶液、大量硅鋁質材料，主要原材料混合養護條件下得到凝膠材料，在堿液作用下分子結構斷裂、縮聚形成網絡狀結構無機聚合物進行連接修復[1]。形狀記憶合金修補材料利用自身超彈性恢復性能將破損混凝土裂縫拉伸修復。微生物膠囊類修補材料則通過微生物代謝作用產生修補成分來填充粘接裂縫。破損混凝土修補技術不斷發展，修補材料的優異性能逐漸被發展。

1 粉煤灰基聚合物材料修復

1.1 粉煤灰基聚合物修復機理

粉煤灰基聚合物材料具有早期抗彎拉強度高、力學強度和粘結強度高的性能。粉煤灰、少量堿激發劑溶液、大量硅鋁質材料混合養護所得凝膠材料在堿液作用下分子結構斷裂、縮聚形成網絡狀結構無機聚合物，修補混凝土裂縫。

1.2 力學試驗

制作C40 混凝土試塊，尺寸為100*100*400mm，標準養護28d齡期。樣品試塊采用一半為添加定量粉煤灰基聚合物的混凝土、另一半為原C40混凝土材料。對四組試塊分別測試5d、7d、15d、28d抗彎拉強度，公式如下：

所用設備，圖1是HJW60型混凝土試驗用攪拌機，圖2是TYE-300B型壓力試驗機。所用試模見圖3。

圖1 HJW60型混凝土試驗用攪拌機

圖2 TYE-300B型壓力試驗機

圖3 試模

1.3 結果討論

分別在不同齡期進行測試，試塊早期就能充分發揮粉煤灰基聚合物高效的粘結性能。粉煤灰基聚合物混凝土與原混凝土粘接可獲得快速高效的粘結效果，同時對工業廢料粉煤灰提高了再利用效率。這對有近似成分礦渣等工業廢料的再利用有重要啟發。

2 形狀記憶合金控制修復

2.1 形狀記憶合金修復機理

形狀記憶合金具有變形自主恢復彈性，當其受外力作用發生變形后會在彈性驅動下恢復原形狀。這種獨特性能的形狀記憶合金被應用到不同領域，包括混凝土自主修復。混凝土中預制形狀記憶合金材料，混凝土受過大外力產生裂縫，預制在混凝土中的形狀記憶合金受混凝土內部擠壓拉伸產生形變[2]。外力消失后，破損的混凝土在其內部分布的形狀記憶合金的彈性恢復作用下，裂縫結構和強度逐漸恢復，確保了混凝土結構構件的安全性和耐久性。

2.2 效果對比

試驗用同一批水泥、砂石制作混凝土試塊，對預制形狀記憶合金混凝土試塊與非預制形狀記憶合金混凝試塊土進行壓力試驗。預制形狀記憶合金混凝土試塊與非預制記憶合金混凝土試塊相同壓力下出現的裂縫尺寸相近，消除壓力后，較短時間內預制形狀記憶合金混凝土斷裂裂縫減小，如Ni-Ti記憶合金常溫下處于奧氏體狀態，恢復應變8%左右[3]。

2.3 試驗分析

不同比例形狀記憶合金預制入同一C40強度混凝土試塊中。混凝土試塊尺寸為100mm*100mm*400mm，分組是1號、2號、3號、4號，分別為無預制金屬絲、預制3根鐵絲、預制3根形狀記憶合金絲、預制7根形狀記憶合金絲，見表1。

表1 同一混凝土中預制金屬絲

圖4 金屬絲預制與混凝土試塊中示意圖

分層澆筑成型，拆模后在標準養護條件下養護至28d齡期。進行彎曲試驗，施加相同壓力使預制形狀記憶合金混凝土發生彎曲變形產生裂縫，分別測量四種不同編號混凝土試塊受壓產生裂縫尺寸，待壓力卸載后觀察并測量試塊裂縫尺寸，分析不同預制情況的效果。

2.4 結果討論

四種編號混凝土試塊在相同壓力作用下均產生裂縫。1號試塊與2號、3號、4號試塊相比，裂縫最大，即無預制金屬絲混凝土試塊受壓性能差。壓力卸載后1號、2號試塊裂縫基本無變化，3號、4號試塊裂縫產生恢復效果。無預制金屬絲混凝土試塊無恢復特性，預制鐵絲無彈性恢復，預制形狀記憶合金混凝土試塊顯示出彈性恢復特性，壓力卸載后混凝土試塊裂縫縮小，因為形狀記憶合金自動恢復原狀產生拉力逐漸恢復了混凝土裂縫。

3 微生物混凝土修復

3.1 微生物修復機理

微生物修復不在于物理或化學作用，而是采用膠囊封裝活性微生物細菌及其生長所需原料并加入混凝土中，當混凝土受壓產生裂縫擠壓載體破裂，活性微生物在混凝土材料環境下進行新陳代謝產生CaCO3沉淀，生成的碳酸鈣沉淀可填充修補裂縫[4]。有試驗采用硅膠、多孔黏土顆粒等封裝微生物，預制在混凝土結構中，當混凝土發生破壞時，封裝材料隨之發生破裂，微生物流出，在混凝土裂縫中進行代謝，產生沉淀粘結，從而達到修復目的。

3.2 應用實例

封裝膠囊中裝入土壤中常見的細菌、巴氏芽孢桿菌等，當混凝土受外力作用，內部結構變化，膠囊破裂，微生物流出，細菌引起的尿素酶水解尿素制造氨水和二氧化碳，氨釋放增加了周圍環境的pH值，導致不溶性CaCO3累積，達到混凝土裂縫粘結修補效果。

3.3 微生物修復改進

微生物修復需確保修復膠囊的質量及封裝細菌的有效性。混凝土在自然條件下因溫度變化、氣候變化對微生物修復膠囊會產生影響。微生物修復還要考慮對混凝土的副作用，是否存在代謝副產物從而侵蝕混凝土或鋼筋，以及微生物繁衍數量控制，以便能高效解決裂縫修補問題。

4 結論

通過對以上混凝土修補材料的探究可知，混凝土裂縫修補材料正向高效利用工業廢渣化、自主修復化、智能化發展。隨著建筑物數量快速增加、運行年限增長，混凝土修補需求量會越來越大。混凝土修補材料和修補技術需不斷創新發展，工業廢料重復利用應實現綠色產業化，自動恢復裂縫應安全可靠化，微生物代謝修復應實現生動化。