混凝土修复技术研究进展

田云中 孙 浩

(河北省石津灌区管理局，河北 石家庄 052160)

1 混凝土的侵蚀成因

1.1 碳化作用

水泥与水发生水化反应使得混凝土最终呈碱性，与空气中的二氧化碳长期接触发生碳化反应，致使混凝土结构疏松，孔隙率发生改变，结构承载力降低。混凝土结构所处环境往往不仅仅存在一种侵蚀因素，国内外对复杂环境下混凝土的损伤进行了大量研究，牛荻涛、孙丛涛[1]对氯离子和碳化联合作用下的混凝土结构进行了试验，将试块交替进行氯盐浸泡和碳化作用，结果表明：碳化作用对氯离子在混凝土试块中的扩散有促进作用，并使更多的氯离子得以进入混凝土内部。

1.2 硫酸盐侵蚀作用

硫酸盐对混凝土结构的侵蚀也是非力学影响的另一主要原因，学者从机理出发，通过研究硫酸盐溶液对水泥水化生成物、混凝土孔隙分布变化等的影响，提出了提高抗硫酸盐侵蚀混凝土主要可从添加粉煤灰等矿物掺合料、增强混凝土致密程度两方面出发。

1.3 酸性环境侵蚀

水泥与水发生水化反应，生成呈碱性的氢氧化钙、C-S-H凝胶等物质，若混凝土长期处于酸性环境中，会逐渐侵蚀混凝土结构，混凝土是多孔结构，H+不仅会对表面混凝土造成不利影响，仍会进入结构内部。影响酸性环境对混凝土侵蚀作用的因素有很多，包括水泥特性、骨料品质、配合比等因素[2]。由机理出发，认为通过降低混凝土水灰比减少水化反应产物C-S-H凝胶和氧化铝的含量、提高混凝土的致密性可以提高混凝土抗酸性侵蚀能力。

1.4 氯盐侵蚀

氯盐的侵蚀主要出现在长期与海水接触的混凝土结构中，在冬天使用的融雪剂主要也为氯盐[3]，因此，众学者[4]在进行氯盐侵蚀研究时，不仅考虑了氯盐对混凝土破坏机理的研究，经常结合混凝土冻融循环[5]。在建立了氯离子多种扩散模型基础上，提出了多因素耦合作用下抗氯盐侵蚀模型[6]，有效提高了混凝土的耐久性。除了从组织氯离子扩散层面出发提高混凝土的抗氯盐侵蚀能力，仍可利用CFRP等新型纤维复合材料提高性能[7]。

1.5 混凝土裂缝

混凝土中的裂缝生成原因多样，混凝土裂缝类型及成因[8]。包括荷载裂缝、干缩裂缝、温度裂缝、塑性收缩裂缝、沉陷裂缝、钢筋锈蚀裂缝等。它们可能仅影响外观，或者它们可能表明显著的结构困难或缺乏耐久性。裂缝可能代表损害的总体范围，或者它们可能指向更大幅度的问题。它们的重要性取决于结构的类型以及开裂的性质。例如，建筑物可接受的裂缝在保水结构中可能是不可接受的。裂纹的正确修复取决于了解原因并选择考虑到这些原因的修复程序；否则，修理可能只是暂时的。成功的长期维修程序必须自己解决裂缝的起因以及裂缝。

2 混凝土破坏主要修复手段

2.1 环氧树脂

陆洲导，孙慧等[9]利用环氧树脂修复混凝土裂缝的断裂试验，将混凝土试件进行楔入劈拉试验，之后采用环氧树脂注胶技术修复试件，然后再次对试件进行楔入劈拉试验，结果表明：修复后试件破坏界面未发生在粘结界面；注胶修复技术能够有效推迟裂缝的再开展，改善混凝土的断裂性能。建议将起裂韧度作为评定注胶修复效果的断裂参数，研究成果可为注胶修复混凝土结构的工程应用提供依据。混凝土经环氧树脂胶修复后，破坏界面发生在未开裂区而不是初次破坏界面。

在裂缝修复方法中，通过注入或重力填充的方式使用环氧树脂，以便粘合裂缝并恢复其结构完整性[10]。在使用环氧化合物之前，由于其多功能性和广泛的环氧树脂体系的可用物理和化学性能，在进入环氧树脂试件之前必须完全了解情况;除了裂缝修复之外，环氧树脂在混凝土行业也有广泛的用途。

2.2 自修复混凝土

混凝土裂缝长时间受潮会自行愈合，但这仅限于狭窄裂缝。在实践中，裂纹会导致结构的泄漏并损害性能。长期以来，混凝土的自愈性研究[11-14]刚刚起步，一些工程技术对混凝土的自愈能力有很大的促进作用。

例如，纤维增强水泥基复合材料[15](FRCC)比普通混凝土有更高的潜在自愈能力；矿物沉淀细菌应用在现在也是可用的；和各种矿物掺合料是有用的实际应用。此外，根据智能材料的设计理念，提出了自修复混凝土的新概念。自修复混凝土是指为实现智能材料的三个关键功能所采用的设备，一传感，二加工，三驱动。

NR Buenfeld[16]利用超吸收性聚合物(SAP)通过转运实验，在显微镜下模拟研究了这些裂缝自密封的潜力。在压力梯度下，40个包 含SAP和贯穿厚度裂缝的样品经受0.12%NaCl以模拟地下水渗流。结果表明SAP可以重新膨胀并密封裂缝，例如在0.3 mm裂纹，分别减少峰值流量和总流量85%和98%。增加SAP剂量会加速密封，但会导致强度损失，这限制了实际应用。建模表明SAP的有效性可以通过增加其再膨胀率和粒径以及抑制其初始肿胀来增强。这些变量增加了裂缝中暴露的SAP以及可用于密封它的凝胶体积。

2.3 新型修复手段

李沛豪等[17]提出生物沉积修复混凝土裂缝的方法。通过XRD,SEM，混凝土抗压及抗弯试验，研究细菌诱导碳酸钙晶体在混凝土表层沉积的晶相、微观形貌及生物沉积对混凝土裂缝的修复效果。

储洪强[18]基于电化学技术的裂纹钢筋混凝土的电沉积修复方法。本文研究的目的是评估添加剂对混凝土裂缝中电沉积物形成的影响。结果表明：在实验条件下，随着添加剂添加量的增加，表面涂层和裂纹填充深度增加，而裂纹闭合速率降低。此外，电沉积物变得更致密，微结构随着添加剂含量而变化，而电沉积物的组成不变。

随着学科交叉的深入，将医学、电学及材料学等相关学科引入混凝土研究中，使得混凝土修复技术有了更行之有效的措施。

2.4 计算机复制系统

借用计算机辅助裂缝诊断系统[15]，有助于非专家对结构一般检查专家的裂缝成因进行诊断。系统采用模糊集理论来反映模糊条件，既有裂纹征兆，又有脆集难以处理的特征。该系统的输入主要是关于裂纹症状的语言变量和混凝土、环境条件的一些数值数据。使用这些输入数据和基于内置规则，所提出的系统执行模糊推理来评估正在考虑的裂缝原因。内置规则是从专家知识中提取出来的，主要是关于混凝土和混凝土裂缝的技术书籍。我们在计算机程序中用图形用户界面实现了实际业务领域的实际使用。当应用于专家们实际诊断的裂缝时，该系统提供了类似于专家们所获得的结果。

3 混凝土修复技术存在的主要问题

在过去的二十年中，纤维增强聚合物(FRP)[19]在混凝土结构改造中的应用得到了广泛的研究。然而，初始混凝土损伤对混凝土柱FRP加固效果的影响研究还很有限，特别是当初始损伤严重时。对于FRP约束的混凝土柱，混凝土内部的断裂过程被FRP覆盖，在使用期间对检查人员是不可见的。Gao Ma，Hui Li等研究了FRP约束预应力混凝土柱的修复效果。FRP约束混凝土柱的断裂过程特征可以通过AE技术来确定，即使混凝土被FRP覆盖。在FRP约束混凝土柱的压缩试验过程中，混凝土的破坏模式由开裂型转为破碎混合型。

4 混凝土修复技术展望

混凝土所处环境复杂，对于单因素影响下的混凝土侵蚀机理等已进行了充分研究，对多因素影响下的混凝土性能研究[20]也是当今研究热门。未来仍需要更加准确地模拟混凝土所处环境，在混凝土设计初期就应当结合环境特点提出有效的改进混凝土特性的手段和措施，在混凝土设计阶段针对未来混凝土结构耐久性应有相应规范。

5 结语

混凝土作为当今社会最常用的耐久性材料，在建筑完成后常年受到外界环境的侵蚀作用。混凝土结构中的裂缝一直对混凝土的耐久性构成巨大威胁。混凝土开裂是一个随机过程，变化很大，并受很多因素的影响。分析裂缝产生原因，并进行对应的补救措施，才能保证混凝土结构的稳定性。