自修复混凝土梁弯曲试验的若干影响因素

成新元

(海军工程大学 天津校区，天津 300450)

自修复混凝土梁弯曲试验的若干影响因素

成新元

(海军工程大学 天津校区，天津 300450)

以 TY-6638型聚氨酯和氰凝为胶粘剂，以玻璃管为修复容器，进行了自修复混凝土梁的弯曲试验，并结合试验结果，从材料、修复容器的位置、试验加载和测量几方面分析了对试验效果的影响．

自修复混凝土；胶粘剂；修复容器；弯曲试验

自修复混凝土是模仿生物骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理，在混凝土内部复合含胶粘剂的修复容器，形成自愈合修复系统．当混凝土结构出现裂纹时，部分修复容器破裂，胶粘剂流入裂缝并固化，从而实现对混凝土损伤部位的修复[1]．自修复混凝土可以提高结构微开裂部分的强度，从而改善整个结构的性能，更重要的是它能替代传统修复方法解决微观损伤修复的技术难题，因而具有广阔的应用前景[2]．

目前，国内外对于自修复混凝土的研究仍处于试验阶段．一般是通过梁的弯曲试验来研究混凝土的自修复性能，但试验得到的结论各有差异，造成研究进度缓慢．本文通过对自制的自修复混凝土简支梁试件(见图 1)进行三分点弯曲试验，结合试验结果，分析了若干影响因素．

图1 自修复混凝土梁模型

1 自修复混凝土弯曲试验

以 C35的自密实混凝土为基材，梁中分别放置4根和 6根壁厚 0.8,mm、管径 6,mm、管长 800,mm的玻璃管，管中分别储存单组分的氰凝胶粘剂和TY-6638型聚氨酯胶粘剂，制成尺寸为 120,mm×200,mm×1,200,mm的简支梁试件，对其进行试验[3]．

试验分为两个过程，采用两点集中对称的加载方式，重点测量并记录梁的开裂荷载、跨中挠度、裂缝宽度、胶粘剂流出情况等．试验装置见图 2．第一次加载过程以玻璃管破裂、管内修复胶粘剂流出为目的，当梁的裂缝宽度达到 5,mm时，持荷 30,min左右，让胶粘剂充分渗透到裂缝中，试验即可结束．撤下试件放置 3,d后，进行第二次加载，此次加载过程主要是验证混凝土自修复后的效果．

图2 试验装置示意

2 影响试验效果的几个因素

2.1 材料

混凝土是依靠复合在其内部的修复容器来实现自修复功能的，因此，胶粘剂及储存胶粘剂的修复容器这两种材料是影响混凝土自修复效果的主要因素．

2.1.1 胶粘剂

胶粘剂是混凝土自修复过程中最关键的一点，任何自修复模式的设想都要通过它去实现．由于修复容器破裂后需要胶粘剂自行流出，流出后也不能进行人工处理，因此，自修复混凝土最好选用单组分、流动性较好、固化条件简单的胶粘剂，并且保证要有足够的黏结强度[4]．

试验选择的是氰凝和TY-6638型聚氨酯两种胶粘剂．操作过程中发现，胶粘剂重点要在以下三个方面满足自修复混凝土的需要．

(1)胶粘剂的流动性．所选胶粘剂首先必须有较好的流动性能，在修复容器破裂后，能及时流入混凝土裂缝中．氰凝胶粘剂的黏度只有1,Pa·s左右，其流动性较好，第一次加载后发现各试件都有胶流出裂缝，达到了预期的效果；TY-6638型聚氨酯胶粘剂黏度超过了40,Pa·s，在裂缝中流动困难，试验前利用丙酮溶液对其进行了稀释，将黏度降低到了15,Pa·s左右，第一次加载后发现只有半数的梁有胶渗出裂缝，说明TY-6638型聚氨酯胶粘剂的流动性能还需改进．

需要注意的是，胶粘剂的黏度越低，流动性越好，但一味地降低黏度而追求流动性能，可能会降低胶粘剂的黏结强度．因此，选择时应兼顾流动性和黏结强度，试验时最好选择低黏度、高强度的胶粘剂．

(2)胶粘剂的固化速度．胶粘剂的固化速度对修复效果的影响也很大．固化速度过快，胶粘剂流入混凝土裂缝的面积会减少，不能形成全面修复；固化速度太慢，则会错失最佳修复时机，在裂缝宽度增大之前不能形成有效修复．

氰凝胶粘剂在室温下 2,h左右可初步固化，从试验效果来看，固化速度比较合适；TY-6638型聚氨酯胶粘剂固化速度较快，在室温下 10,min左右胶体已基本呈固态．通过对试验后试件的研究，发现正是由于固化速度偏快，先期流出的胶粘剂过早固化，阻碍了胶的继续流出，造成胶粘剂流出量有限，最终导致聚氨酯胶粘剂梁修复效果一般．

(3)胶粘剂的强度．胶粘剂在满足充分流出的条件下，最终的修复效果要靠它的强度来实现．一是它的黏结强度要高，另外自身也应具有较高的强度．

胶粘剂的强度只能在自修复试验前测定．将自制的自密实混凝土立方体试块三个为一组，分别涂上两种胶粘剂后进行两两黏结，将两边两个试块用支架支撑，在中间试块上加载，进行剪切实验．破坏时发现，试件都沿中间试块斜向断裂，断裂面都在混凝土中，胶粘剂黏结面并未被剪开，说明两种胶粘剂在自身强度及其与混凝土的黏结强度方面，都基本满足自修复混凝土的需要，破坏情况见图3．

图3 氰凝胶粘剂强度实验试件破坏示意

2.1.2 修复容器

修复容器用来存放胶粘剂，其主要作用是在混凝土出现裂缝后，释放出胶粘剂，以实现修复的目的．修复容器影响混凝土自修复效果主要体现在两个方面：一方面修复容器需要储存适量的胶粘剂；另一方面在混凝土出现裂缝后，修复容器需要及时破裂，否则修复无从谈起．

本文选择玻璃管作为自修复混凝土的修复容器，通过控制玻璃管的尺寸和数量来降低修复容器对混凝土自修复效果的影响．壁厚是影响玻璃管能否适时破裂最重要的因素．试验中，玻璃管的壁厚通过公式(1)得到，取0.8,mm．式中：pτ为混凝土基体的抗剪强度；Fσ为玻璃管的极限抗拉强度；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；d为纵向受拉钢筋直径；teρ为纵向受拉钢筋配筋率[5-6]．通过内置空心玻璃管的混凝土试块抗压实验得到，玻璃管管径为 6～8,mm，掺入玻璃管体积率在 2.5%左右时，对混凝土力学性能的影响较小．

2.2 修复容器的位置

梁中修复容器的数量及放置位置对混凝土自修复效果有很大影响．因为混凝土材料的多相性，其裂缝的分布具有随机性，尤其加入修复容器后，它的开裂规律更需进一步研究．因此，修复玻璃管的数量及放置位置只能依靠试验来不断地摸索修正．

试验中，修复玻璃管都分层布置在梁的受拉区，每种胶粘剂梁分别采用4管道和6管道两种模式，每种模式又分两种不同的放置方式．玻璃管的具体位置见图 4和图 5．梁制作时要采取措施，保证玻璃管的位置不受扰动．

试验结果显示：氰凝胶粘剂梁自修复效果良好，承载力能恢复到 99.7%，6管道模式梁的承载力恢复明显好于4管道模式梁．原因在于氰凝胶粘剂的流动性较好，黏结强度高，内置玻璃管的数量较多时，流入裂缝的胶粘剂的量相对较大，修复效果相对较好；4管道模式中玻璃管梯形放置比菱形放置修复效果好，6管道模式中玻璃管三角形放置比菱形放置修复效果好，说明在受拉段下部布置相对较多的玻璃管，有利于修复；聚氨酯胶粘剂梁的修复效果一般，承载力大都只能恢复到 90%左右，主要是因为聚氨酯胶粘剂固化速度偏快，流出量太少，导致修复能力下降，并且内置玻璃管越多，对混凝土结构宏观性能的影响就越大，所以6管道模式梁比4管道模式梁的自修复效果要差．

图4 四管道模式

图5 六管道模式

2.3 试验加载和测量

与普通弯曲试验不同，自修复混凝土梁需要进行修复前后两次试验，通过比较两次试验结果，分析不同胶粘剂梁的自修复效果．试验中，需要通过控制加载、测量的精度，保证前后两次试验结果处于同一标准之下．

为保证加载的准确性，特别选择机械千斤顶进行手工加载．试验依据裂缝发展过程，采用分级不等幅的加载方式，开始加载时，每级所加荷载维持在5,kN，接近估计开裂荷载时，加载幅度降至 2,kN．试验进程以裂缝宽度来控制，试件出现裂缝后，要随时观察其发展情况，用 20倍的读数显微镜测量裂缝宽度．在宽度接近5,mm时，加载幅度调整到1.5,kN，直至裂缝宽度达到 5,mm 时，第一次试验结束．第二次试验的方案与第一次试验完全相同，试验数据记录点尽可能一致，以方便两次试验结果对比．

试验时匀速加载，特别是接近重要记录数据时，要放慢加载速度，避免加载过量．每一级加载后宜持荷 10,min左右，待变形稳定后再进行准确的读数和测量．

3 结 论

混凝土简支梁的弯曲试验是研究自修复混凝土修复性能的重要途径，试验结果的好坏直接影响研究的进度．通过对试验影响因素的分析，得到以下两点结论：

(1)要取得良好的试验效果，首先要提高试验的精确度，把握好试件制作、试验加载及测量等环节，尽量降低人为因素对试验结果的影响；

(2)要从影响自修复混凝土修复效果的关键因素入手，为自修复混凝土选择合适的胶粘剂和修复容器．

［1］匡亚川，欧进萍. 混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展[J]. 力学进展，2006，36(3)：406-414.

［2］罗素蓉，刘承超. 自修复智能混凝土简支梁试验研究[J]. 福州大学学报，2005，33(3)：339-345.

［3］成新元，韦灼彬. 检验混凝土自修复效果的试验研究[J]. 建筑，2008，24：48-50.

［4］成新元，朱建明，韦灼彬. 自修复混凝土研究和应用的几个问题[J]. 工业建筑，2008，7(增刊)：1 752-1 757.

［5］过镇海，时旭东. 钢筋混凝土原理和分析[M]. 北京：清华大学出版社，2003：34-36.

［6］东南大学，天津大学，同济大学. 混凝土结构设计原理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005：227-228.

Analysis of Some Influencing Factors on Bending Experiment of Self-repairing Concrete Beams

CHENG Xin-yuan
(Tianjin Branch Campus，Naval University of Engineering，Tianjin 300450，China)

TY-6638 polyester and cyanogen gel are chosen as adhesive，and glass tubes are chosen as repairing vessels to make self-repairing concrete beams，and then the bending experiment is carried out. The influencing factors on the experiment are analyzed from the aspects of material，position of repairing vessels，load and measurement.

self-repairing concrete；adhesive；repairing vessels；bending experiment

TU375.1

A

1006-6853(2010)02-0099-03

2009-09-11；

2010-03-22

成新元（1977—），男，陕西武功人，海军工程大学天津校区讲师，硕士．

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