水泥砂浆裂缝在不同养护条件下的自愈合效果

李海川，荣　辉，杨久俊（.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特　0000；天津城建大学 材料科学与工程学院，天津　300384；3.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州　50640）

水泥砂浆裂缝在不同养护条件下的自愈合效果

李海川1，荣辉2，3，杨久俊2
（1.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特010010；2天津城建大学 材料科学与工程学院，天津300384；3.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州510640）

研究了不同宽度的水泥砂浆裂缝在自然养护、标准养护和水中养护3种养护条件下的自愈合效果，并采用X射线衍射、扫描电镜等微观测试技术对其效果进行分析。研究结果表明:对于宽度为0.01 mm的水泥砂浆裂缝，在水中养护28 d后可愈合90%，强度增长率最高，可达9.31%，水化产物最多，而在标准养护和自然养护下愈合程度分别为50%和0，强度增长率分别为5.77%和2.17%；对于宽度为0.02 mm的水泥砂浆裂缝，在水中养护28 d后可愈合20%，而在标准养护和自然养护下愈合程度分别为10%和0。

养护条件；水泥砂浆；裂缝；裂缝宽度；自愈合；微观产物

裂缝作为混凝土结构最为常见的破坏形式，直接影响了混凝土工程的耐久性和使用寿命。宏观破坏性裂缝的出现意味着材料整体失效。分析裂缝成因并提前采取预防措施是防止不可逆转裂缝出现的一种有效方法［1］，但该方法比较繁琐。被广泛采用的方法是在破坏性裂缝出现之前发现其位置［2］并及时采用合适方法进行修复。当前，混凝土裂缝修复方法很多，主要分为外部修复（电解沉积、渗透结晶、结晶沉淀）和内部自修复［3］2类。其中，自修复方法主要包括向混凝土中加入中空纤维（管）［4-5］、微胶囊［6-7］、膨胀剂［8］、形状记忆合金［9］、微生物［10-11］等材料来实现混凝土的自修复。在上述自修复方法中，利用混凝土自身的组成特点，通过改变混凝土的养护环境，刺激其内部未水化水泥颗粒的继续水化来实现裂缝修复的研究较少，并且在现有的不同修复方法中，明确探讨不同宽度下裂缝自愈合效果的文章并不多。因此，本文研究了不同宽度的水泥砂浆裂缝在自然养护、标准养护及水中养护条件下的自愈合效果，并对其影响机理进行分析，以期通过改变水泥基材料所处的养护环境，进而激发未水化水泥继续水化的潜能，最终确定水泥基材料获得最佳自愈合效果的养护条件，以及在这些养护条件中裂缝实现自修复的阈值。

1　试验过程

1.1原材料

水泥为天瑞集团郑州水泥有限公司生产的P.O 42.5水泥，其28 d实测抗折强度为8.0 MPa，抗压强度为52.9 MPa，比表面积为340 m2/kg，初凝时间为197 min，终凝时间为253 min。水泥的化学组成如表1所示。细骨料为普通河砂，其细度模数为2.94，满足中砂的级配要求。水为自来水。

表1　水泥的化学组成 %

1.2水泥砂浆样品制备

按水泥∶砂∶水=1∶4∶0.55的配比制作砂浆样品，具体成型方法及强度检测按《水泥胶砂强度检测方法》（GB/T 17671—1999）进行。试件尺寸为100 mm ×100 mm×300 mm。

1.3裂缝制作及观测

试件脱模并在标准养护条件下养护28 d后进行裂缝制作。在砂浆样品上粘贴应变片，当压力机对样品缓慢施压时，通过观察应变值的变化及试件表面的开裂程度，制作≤0.02 mm的裂缝。具体步骤如下：

1）样品表面处理：用酒精棉清洁需要粘贴应变片部位，用环氧树脂及固化剂调和的胶体对擦过酒精的地方进行打底处理，使其表面平整并涂上A，B胶。

2）粘贴应变片：将应变片粘贴在 A，B胶上，注意防止产生气泡。

3）连线：通过导线联结应变仪与应变片。过程中注意保护应变片，防止受潮变形。为了防止温度对应变值的影响，需要在应变仪上接一个试样做温度补偿。

4）裂缝压制：将联结好的砂浆试样垂直放在电液式压力试验机上进行压制。压制过程中注意观察应变仪上数据的变动，及时用裂缝测宽仪观察试样上裂缝的扩展，当裂缝扩展到符合试验要求时，及时卸载，读取此时的应变值以及荷载值。

5）裂缝观测：通过40倍GTJ-FKY裂缝测宽仪观测砂浆试样裂缝宽度。将镜头紧靠裂缝，调整探头方向，当裂缝与主机显示器刻度尺垂直时，标记并读出裂缝的宽度。

6）养护：随后将制备的带有不同裂缝宽度的水泥砂浆样品分别在自然养护、标准养护和水中养护条件下养护28 d，然后再观测其裂缝宽度。

1.4力学性能、微观结构及矿物组成

水泥砂浆在不同养护条件下的力学性能测试按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）进行。同时为了探明裂缝在不同养护条件下的愈合产物化学成分及形貌特征，用砂纸对愈合后的裂缝表面轻微摩擦得到不同养护环境中的水化产物，并采用X射线衍射分析仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析裂缝处形成的矿物成分及微观结构。

2　结果与讨论

2.1愈合前后尺度对比及阈值的确定

裂缝宽度分别为0.01，0.02 mm的砂浆试样分别在自然养护、标准养护、水中养护条件下养护28 d，其愈合前后的效果如图1、图2所示。

图1　不同养护条件下0.01 mm裂缝愈合前后对比

图2　不同养护条件下0.02 mm裂缝愈合前后对比

由图1、图2可以看出，在自然养护环境中，0.01 mm与0.02 mm的裂缝几乎没有愈合的趋势；在标准养护环境中，由于空气湿度增加，0.01 mm与0.02 mm的裂缝分别有50%和10%发生愈合；随着湿度继续增加，在水溶液中尽管0.02 mm的裂缝愈合效果不太好，仅有20%左右的裂缝发生愈合，但是0.01 mm的裂缝已经几乎完全愈合，愈合率达90%以上。

由以上试验可知，裂缝发生愈合的关键条件是水的存在。在水中养护条件下，≤0.01 mm的裂缝能够完全愈合。

2.2愈合前后强度与养护条件的关系

愈合后砂浆试样的强度增长率=（愈合后强度-愈合前强度）/愈合前强度。不同湿度养护条件下预制裂缝（0.01 mm）砂浆试样愈合前后的抗压强度及愈合后砂浆试样的强度增长率如表2所示。可知，开裂试样在不同湿度养护条件下养护28 d后，强度都有所提升，其中自然养护条件下，砂浆试样的强度增长率最低，仅有2.17%，而水中养护条件下，砂浆试样的强度增长率则达到了9.31%，是这3种养护环境中强度增长率最高的一组。可见，随着养护环境湿度的升高，预制裂缝试样的强度增长率也有所升高。这是由于未水化的水泥颗粒能够继续水化的基本条件是水的存在，在自然养护环境和标准养护环境中，虽然空气中存在一定的水分，但是这样的湿度仅仅能够促使裂缝表面少量的未水化水泥颗粒继续水化，这样少量的水化产物不足以填堵裂缝，因此不能实现裂缝的愈合；在水中养护环境下，预制裂缝表面完全与水接触，大量未水化的水泥颗粒在这样优越的条件下得以继续水化，相对于前面的两种养护环境，水中养护环境下得到的水化产物更多，这些产物不断在裂缝处聚集、交叉、堆叠，最终使得0.01 mm裂缝实现了愈合，但是这些水化产物的生成量难以将0.02 mm裂缝堵塞，因此不能实现愈合。

表2　裂缝愈合前后抗压强度及愈合后试样的强度增长率

2.3自愈合产物微观分析

为了弄清不同湿度环境下裂缝处的生成产物，采用XRD对养护28 d后裂缝表面的生成物进行分析，试验结果见图3。图中2θ为衍射角。

图3　不同湿度条件下愈合产物XRD图

由图3可知，在不同湿度的养护环境中，裂缝处的生成产物没有特别大的区别，主要包括以下几种：5CaO·3SiO2·2H2O（简写为C-S-H），CH，AFt及CaCO3等。其中在水中养护环境中C-S-H，CH的特征峰最为明显，标准养护环境次之，自然养护环境下的衍射峰没有前两者明显。这是由于，养护一定龄期的砂浆试样其内部组成物水化的比例是一样的，经预制裂缝后，暴露出来的未水化部分在合适的条件下将继续水化，而水分的存在是未水化部分继续水化的必要条件。水中养护环境中，充足的水分有力地促使水化反应的进行，因此生成大量的水化产物 C-S-H和 CH，同时空气中一部分CO2溶入水中，与裂缝处生成的部分CH反应生成了不溶于水的CaCO3，有利于裂缝的愈合。

图4中（a），（b），（c）分别为预制裂缝砂浆试样在自然养护、标准养护、水中养护条件下养护28 d后，裂缝断面的扫描电镜照片。

图4　不同湿度条件下裂缝断面SEM图

由图4（a）可知，自然养护环境中，由于空气湿度低，不利于未水化水泥颗粒的继续水化，因此水化产物不明显，不利于裂缝愈合；图4（b）在标准养护环境中，当裂缝表面未水化水泥颗粒接触到空气中的水蒸气将发生水化反应，生成少量的细长针状钙矾石、团絮状C-S-H凝胶及颗粒状CaCO3，只能将裂缝的某些片段填塞，不能实现完全愈合；图4（c）水中养护环境中，裂缝表面未水化水泥颗粒完全浸没在水中，裂缝断面处形成大量絮状 C-S-H凝胶和针柱状的钙矾石，且片状CH与溢进水中的 CO2反应，生成一定量颗粒状的CaCO3，这些产物紧贴在裂缝表面，形成薄而致密的一层，有利于宽度0.01 mm以下的裂缝完全愈合。

3　结论

1）不同宽度的水泥砂浆裂缝在不同养护条件下自愈合效果不同。其中以水中养护效果最佳，其次为标准养护，最后为自然养护。

2）宽度为0.01 mm时，水泥砂浆裂缝在水中养护28 d后可愈合90%，强度增长率最高，可达9.31%，水化产物最多。而在标准养护和自然养护下，愈合程度分别为 50%和 0，强度增长率分别为 5.77%和2.17%；对于宽度为0.02 mm的水泥砂浆裂缝，在水中养护28 d可愈合20%，而在标准养护和自然养护下愈合程度分别为10%和0。

3）未水化水泥继续水化的主要原因是水分的存在。随着湿度提高，未水化水泥水化产生的 C-S-H凝胶、CH、AFt及CaCO3等水化产物增多，有助于裂缝实现愈合。

［1］岳锐强.桥梁混凝土裂缝成因分析［J］.公路，2010（5）：183-187.

［2］王炎炎，李振国，罗兴国.混凝土裂缝的修复技术简述［J］.混凝土，2006（3），91-93.

［3］蒋正武.国外混凝土裂缝的自修复技术［J］.建筑技术，2003，34（4）：261-262.

［4］THAO T D P，JOHNSON T J S，TONG Q S，et al.Implementation of Self-healing in Concrete-Proof of Concept［J］.Civil Structure Engineering，2009，2（2）：116-125.

［5］匡亚川，欧进萍.内置纤维胶液管钢筋混凝土梁裂缝自愈合行为试验和分析［J］.土木工程学报，2005，38（4）：53-59.

［6］BOH B，SUMIGA B.Microencapsulation Technology and its Applications in Building Construction Materials［J］.Materials Geoenvironmental，2008，55（3）：329-344.

［7］欧进萍，匡亚川.内置胶囊混凝土的裂缝自愈合行为分析和试验［J］.固体力学学报，2004，25（3）：320-324.

［8］SISOMPHONA K，COPUROGLU O，KOENDERS E A B.Selfhealing of Surface Cracks in Mortars with Expansive Additive and Crystalline Additive［J］.Cement and Concrete Composites，2012（34）：566-574.

［9］TAWIL S E，ROSALES J O.Prestressing Concrete Using Shape Memory Alloy Tendons［J］.ACI Structural Journal，2004，101（6）：846-851.

［10］TITTELBOOM K V，BELIE N D，MUYNCK W D，et al.Use of Bacteria to Repair Cracks in Concrete［J］.Cememt and Concrete Research，2010（40）：157-66.

［11］SERGUEY V Z，HENK M J，FRED J V.Amathematical Model for Bacterial Self-healing of Cracks in Concrete［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2012（3）：1-9.

（责任审编周彦彦）

Self-Healing Effects of Cement Mortar Crack Under Different Curing Conditions

LI Haichuan1，RONG Hui2，3，YANG Jiujun2
（1.Neimenggu Traffic Design and Research Institute Co.，Ltd.，Huhehaote Neimenggu 010010，China；2.School of Material Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；3.State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510640，China）

T he self-healing effects of cement mortar crack with different width under natural environment，standard curing and water curing were studied and the effects were analyzed by micro measurement technology including X-ray diffraction（XRD）and scanning electron microscope（SEM）.T he results show that the healing rate of cement mortar crack with width of 0.01 mm is 90%under the water curing for 28 d，the strength growth rate reaches 9.31%and is the highest and there are the most hydration products，the healing rate of cement mortar crack is 50% and 0 and strength growth rate is 5.77%and 2.17%under the standard curing and natural environment respectively，the healing rate of the cement mortar crack with width of 0.02 mm is 20%under the water curing for 28 d，and the healing rate is 10%and 0 under the standard curing and natural environment respectively.

Curing condition；Cement mortar；Crack；Crack width；Self-healing；M icro-product

李海川（1977— ），男，高级工程师。

TU528

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.35

1003-1995（2016）07-0143-04

2016-02-19；

2016-04-23

国家自然科学基金（51372163）；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室开放基金（2016ZB23）