预埋管对自修复混凝土基体强度的影响

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(天津广播电视大学，天津 300191)

引言

混凝土仿生自修复是模仿动物的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，当混凝土出现裂缝时，部分修复容器破裂，胶粘剂流入裂缝固化，从而控制裂缝开裂并修复。这一新型的自修复系统可以解决采用传统修补方法难以解决或不能解决的关键技术问题，如在重大土木基础设施的及时修复以及减轻台风、地震的冲击等方面，处于危险条件下构筑物的自修复，如有毒、有污染物质的处理设施，炸弹掩体，核反应设施等都有很大的潜力。此外，混凝土自修复系统将免去有效的监测、评估和外部修补所需的高额费用，节省建筑结构运行费用，因而具有广阔的应用前景[1]。但目前国内外对于自修复混凝土的研究仍处于试验探索阶段，自修复过程的许多相关理论还有待进一步地完善，修复中的许多细节问题还未得到很好的解决，比如修复容器与混凝土性能的匹配性、修复容器强度与混凝土基体强度的匹配性、修复容器的掺入对混凝土基体强度的影响等。

本研究以玻璃管作为自修复混凝土的修复容器，假定玻璃管与界面混凝土基体构成理想的刚塑性体，建立微分单元体的受力平衡，推算出与混凝土基体强度相匹配的玻璃管壁厚，以保证在混凝土基体开裂的同时玻璃管开裂。通过试验测定不预埋玻璃管及预埋不同数量玻璃管后的混凝土抗折试块强度值，以抗折强度损失率定量估算玻璃管对混凝土基体强度的影响，并指导选择适宜的预埋管数量。

1 预埋玻璃管的适宜性

玻璃是典型的脆性材料，没有屈服阶段，当负荷达到其极限强度时立即破裂；玻璃的线膨胀系数(约为1.0×10-5)与混凝土的线膨胀系数(约为1.0×10-5～1.4×10-5)十分相似，当温度变化时，两者不至于产生相对的温度变形而破坏相互的粘结；另外，玻璃管的化学性质稳定，能长期保存在混凝土中而不影响混凝土的性能，对水、酸、盐和各种化学试剂有良好的抗侵蚀能力，能长时间稳定地储存各种修复胶粘剂[2]。因此，玻璃管可作为混凝土基体灌浆通道的预埋管。

但玻璃管作为修复容器还存在诸多不足，比如以下几个问题：

(1)玻璃管要随混凝土的浇筑按预定位置放置，如何保证玻璃管不被破坏？若设定保护措施，必将增加施工工序，极大地降低混凝土的生产效率。

(2)混凝土一旦开裂，玻璃管同时破裂、胶粘剂及时流出才能有效控制裂缝，如何有效地选择玻璃管的尺寸，保证其与混凝土基体强度基本一致。

(3)玻璃管破裂、胶粘剂流出后，玻璃管处形成空洞，玻璃管越多，形成的空洞也越多，如何确定玻璃管的适宜掺量，在满足修复要求的前提下尽量减小对混凝土基体强度的影响。

2 预埋玻璃管适宜尺寸的选择

匡亚川等[3]从玻璃纤维管微分单元的平衡状态(如图1所示)列出平衡方程式(1)，假定玻璃管与界面混凝土基体构成理想的刚塑性体，推算得到混凝土开裂、玻璃纤维管及时发挥修复作用的壁厚计算公式(2)：

[πr2-π(r-t)2]σf+(2πr·dx)τ=
[πr2-π(r-t)2](σf+dσf)

(1)

(2)

图1 玻璃管微分单元体的受力平衡

式中：r——玻璃纤维管的半径；t——玻璃纤维管的壁厚，2rt≫t2；c——混凝土净保护层厚度；d——受拉钢筋直径；ρet——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向钢筋配筋率，当ρet<0.01时，取ρet=0.01；v——钢筋表面的特征系数，对变形钢筋取v=0.7，对光面钢筋取v=1.0；τy——混凝土基体剪应力的屈服值；σfu——玻璃纤维管的极限拉伸强度。 参照(2)式，对预埋玻璃管的壁厚进行估算。以强度等级为C40，受拉区配置2Ф 4 mm钢丝的混凝土抗折试块作为自修复混凝土基体为例，取c=20 mm，d=4 mm，取ρet=0.01，光圆钢筋表面特征系数v=1.0，τy取混凝土抗拉强度(C40混凝土的抗拉强度ft=1.71 MPa)，σfu取玻璃的极限抗拉强度(约为85 MPa)，由(2)式得：t=1.26 mm。考虑浇筑试块时的误差及裂缝间距的离散性，可选择1.0～1.5 mm壁厚的玻璃管。

3 预埋玻璃管适宜数量的确定

3.1 原材料及试验方法

(1)原材料：42.5R普通硅酸盐水泥；河产特细砂，细度模数为1.18；石灰石碎石，粒径5～25 mm；中性(白)玻管，壁厚1 mm(内径2 mm，外径4 mm)。

(2)试验方法：按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行不同强度等级(C30、C40、C50)混凝土的配制；按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，制作100 mm×100 mm×400 mm的混凝土抗折试块，将内径2 mm、外径4 mm的中性(白)玻管按预定位置与混凝土抗折试块通长配置。通过测定相同条件下不内置玻璃管与内置不同数量玻璃管的混凝土抗折强度值，按照(3)式计算抗折强度损失率，进行预埋玻璃管对混凝土基体强度影响的定量估算。

(3)

式中：fa——混凝土抗折强度损失率，%；f——未置入玻璃管的混凝土抗折强度值或平均值，MPa；f′——置入玻璃管的混凝土抗折强度值或平均值，MPa。

预埋玻璃管自修复混凝土抗折试块模型如图2所示。

图2 预埋玻璃管自修复混凝土抗折试块模型

3.2 试验结果分析

玻璃管选择内置1根、2根和3根，布置方式如图3所示。内置1根时，L1=1/2L；内置2根时，L2=(1/5～1/4)L，L3=(1/4～1/3)L；内置3根时，L1=1/2L，L2=(1/5～1/4)L，L3=(1/4～1/3)L。L=100 mm[4]。

图3 内置不同数量玻璃管的试块截面示意图

不同强度等级混凝土试块(C30、C40、C50)在不内置玻璃管(0组)与内置不同根数玻璃管(1、2、3组)，在相同的试块制作及养护条件下，3 d龄期和28 d龄期的抗折强度实测值见表1。

表1 预埋不同数量玻璃管的混凝土抗折强度 MPa

以不内置玻璃管的抗折强度值为基准强度，采用(3)式计算内置不同根数玻璃管时，各强度等级混凝土的抗折强度损失率见表2。

表2中的负值表示预埋玻璃管对混凝土试块的抗折强度起到增强作用，正值表示削弱了混凝土试块的抗折强度。预埋3根玻璃管，试块的抗折强度损失率最大达到9%，这一削弱影响已较为明显，需要采取相应的补强措施；预埋2根玻璃管，试块的抗折强度损失率最大为5%，且能满足修复的要求；预埋1根玻璃管，对基体强度影响不大，但玻璃管一旦破损或阻塞，将无法实施浆液输入。因此，在本试验条件下，最适宜的预埋玻璃管数量为2根，既可以满足修复要求，又对混凝土基体强度不造成太大的影响。

表2 不同强度等级混凝土的抗折强度损失率 %

4 结论

4.1 预埋玻璃管自修复混凝土可以通过建立微分单元体的受力平衡方程，对预埋管的壁厚(或管径)进行估算。在本试验条件下，采用中空玻璃管与混凝土抗折试块通长配置，适宜的玻璃管壁厚估算为1.26 mm，实际选用1 mm(内径2 mm，外径4 mm)，试验过程中玻璃管无提前破损，而是随混凝土试块的开裂而同时破裂。

4.2 以抗折强度损失率可指导选择出适宜的预埋管数量。本试验条件下，当预埋2根玻璃管时，混凝土试块的抗折强度损失率在5%以内；当预埋3根玻璃管时，抗折强度损失率达到9%。因预埋2根玻璃管已能满足修复的要求，故适宜的预埋玻璃管数量为2根。

4.3 从仿生自修复混凝土的研究现状来看，无论在理论上还是实际应用上均需进一步完善。在完善的过程中，可以尝试在理论上考虑研究梯度型的自修复混凝土，而在实际应用中对混凝土的局部易开裂部位采取自修复处理。预埋管自修复混凝土即是上述梯度型、局部处理探索性思维的一种体现，是一种新的尝试，可为新型仿生自修复混凝土材料的深入研究提供参考。

参考文献：

[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] 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(S1)：1752-1757.

[3] 匡亚川.具有裂缝自愈合行为的两种混凝土材料及其构件[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002.

[4] 全世海.预埋管灌浆修补混凝土裂缝试验研究[D].重庆：重庆大学，2006.