混凝土裂缝自修复与人工修复方法的效果评价及实施建议

王 硕

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

0 引言

混凝土具有令人满意的抗压强度，但抗拉强度低。在外界环境作用下混凝土内部拉伸应力大于其抗拉强度时，就会形成裂缝[1]。混凝土表面产生裂纹会导致其完整性降低，如果不及时进行修复，在内外应力以及环境介质的作用下混凝土结构会加速恶化，出现表面裂纹扩展，混凝土脱落，甚至于界面断裂[2-3]。因此，为避免混凝土结构在裂缝产生后继续恶化，裂缝修补技术无疑是一种有效的手段。修补裂缝不仅可以恢复混凝土的结构完整性，甚至还可以改善混凝土的性能，表现出比普通混凝土更高的断裂韧度和韧性[4]，但这也要建立在选择正确的修补材料的前提下。

由于外界影响因素不同，混凝土裂纹表现方式也不同。一些微小裂缝一般采用自修复[5-6]，但当混凝土结构受内外应力影响而出现深度裂缝时，或者混凝土出现脱落、开裂等比较严重的情况时，一般采用人工修复[7]。因此，需根据不同的结构破坏情况和破坏程度采取不同的修复方式，更有利于混凝土修复效果。本文就混凝土裂缝的自修复与人工修复方法进行介绍，评价其效果，并提出合理化建议。

1 常用混凝土裂缝修复材料优缺点分析

目前常用混凝土裂缝修复材料可分为4 类：环氧树脂类、水泥基材料、酯类聚合物及菌株菌液[8]。其中，环氧树脂类包括油性环氧树脂及各种改性水性环氧树脂等[4]；水泥基材料包括硅灰改性超细水泥、水泥砂浆、纤维增强水泥基复合材料（ECC）和应变硬化水泥基复合材料（SHCC）等[9-10]；聚合物包括聚合材料EMP——一种采用IPN 技术合成的使用广泛的聚合物，包括环氧丙烯酸酯（EA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）和聚氨酯（PU）预聚物[8]；菌株菌液包括嗜碱芽孢杆菌和耐碱枯草芽胞杆菌M9 等[11,12-14]。表1 总结不同类型修复材料的优缺点，实践中应根据混凝土结构裂缝情况以及所处环境选择合适的修复材料。

表1 典型修复材料特点

2 混凝土自修复

微生物修复混凝土作为一项新技术在过去几十年中得到了迅速发展，其原理是在微生物的诱导下加速细菌形成碳酸钙沉淀[15-17]。这些微生物通过诱导碳酸盐沉积，从而在混凝土裂缝中形成方解石、球墨石和文石，以此来修复混凝土[16]。孙晓浩等[5]采用巴氏链球菌在Luria Bertani培养基中培养成菌液，再通过小瓶和滴管将菌液滴入裂缝中进行混凝土修复；孙丽等[18]采用智能材料形状记忆合金（SMA）嵌入混凝土中，当混凝土产生裂缝时对SMA加热使其恢复至原状就可进行混凝土裂缝修复；Prima Yane Putri 等[19]采用酵母、葡萄糖和醋酸钙混合在Tris 缓冲液中，以这种菌液作为修复材料，在混凝土裂缝中产生碳酸钙沉淀以进行混凝土修复。

上述几种方法虽然是所选菌株经受微生物诱导形成碳酸钙沉淀，但还是需在混凝土产生裂缝时手动滴入菌液以修复裂缝。而How-Ji Chen 等[12]研究了一种当裂缝产生时自主修复的方法，采用环境友好的巴氏杆菌，以轻质骨料作为细菌载体混合到混凝土混合物中，一旦混凝土产生裂缝，满足混凝土内部细菌的生长条件，菌株的活力就可以恢复，然后经受微生物诱导产生碳酸钙沉淀，进行混凝土裂缝自修复；苏依林[20]将嗜碱芽孢杆菌作为细菌菌株，乙酸和氢氧化钠溶液腐蚀后的陶粒作为载体混合到混凝土中，当裂缝产生时，陶粒的内部空间通过机械破碎释放细菌孢子，且都散布于裂缝空隙中，产生碳酸钙沉淀以使得混凝土自愈；冯军等[13]采用耐碱枯草芽胞杆菌M9 作为自愈混凝土制备剂，制备自愈混凝土梁，再利用引气剂在水泥浆体混合物中产生微孔，为微生物提供生态位，裂缝产生时已完成混凝土裂缝自修复；Eleni Tsangouri 等[21]采用一种自愈胶囊嵌入混凝土中，胶囊中填充为聚氨酯试剂，当裂缝形成时会破裂，药剂释放到裂缝空隙中时会快速固化，从而实现裂缝密封和机械修复；Kim Van Tittelboom 等[22]采用填充PU（聚氨酯）试剂的自愈胶囊嵌入到水泥基质中，裂纹形成时胶囊破裂流出试剂，快速固化，来实现裂缝自主修复；高礼雄[23]等采用脲酶细菌固化在硅胶上嵌入到水泥基质中，从而混凝土基质中的细菌分解尿素形成碳酸盐离子，在钙离子存在下，CaCO3会在裂缝中沉淀。

这些研究表明，细菌或者菌液在被滴入裂缝中或从混凝土内部破裂暴露空气中时，都会形成相似的化学反应，然后再经受微生物的诱导形成碳酸钙沉淀，有效且充分地填补混凝土裂缝，以达到修复混凝土裂缝的效果。对于自修复裂缝技术而言，虽然在大多数情况下没有人工修复裂缝效果好，但自主修复机制会在裂缝出现后自动愈合，能够及时修复裂缝以保持混凝土完整性。微生物修复混凝结构的效果如图1所示。

图1 微生物修复混凝结构图

3 混凝土人工修复

3.1 裂缝修复

对于裂缝开裂比较严重的混凝土结构，一般采用人工修复。比如在修复水泥混凝土路面裂缝时，会采用填充灌浆法将修复材料倒入裂缝中，并且使其完全闭合，等待修复材料凝固使混凝土恢复其完整性即可[9]。人工修复方法除了填充灌浆法以外，还有混凝土置换法、表面修补法、结构加固法[9,15]。这些方法因其施工工艺简便，在混凝土结构修复中越来越受欢迎。

3.2 界面修复

混凝土结构受外界环境影响，经常会出现开裂现象，如果不及时进行修复，就可能会导致混凝土断裂的情况[2-3]。对此，一些研究人员也采用了相对应的措施，Yu-Cheng Kan[4]等人采用环氧树脂作为修复材料，将断裂成两块的混凝土块放置在水平平台上，使用注射器从底部端口注入树脂，并从出口输出，以确保裂纹区域完全充满树脂，直到树脂或砂浆水平上升至缺口底部，所有断裂表面都填充了修复材料，完成混凝土界面修复；吴浩[8]等采用一种IPN 聚合技术，将环氧丙烯酸酯（EA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）和聚氨酯（PU）合成了一种材料EMP 来作为混凝土界面修复材料，将断裂的基底与修复材料粘合在一起来进行混凝土界面修复；庞博[26]等采用纳米二氧化硅改性水性材料进行混凝土界面修复研究；李玥[9]等采用FRP（裂缝胶和纤维增强塑料）和纳米改性环氧树脂来修复混凝土，将修复材料均匀涂抹在混凝土断裂表面，将其粘合即可完成修复。

用修复材料粘结使两部分混凝土恢复其完整性，这就涉及到新旧混凝土或者旧混凝土与修复材料粘结性能的研究[24-26]。王彭刚[24]、刘博文[25]等都研究了应变硬化水泥基复合材料（SHCC）用于修补混凝土结构的可行性，研究表明，当SHCC用作修补材料时，在收缩应力的作用下，修补层中出现许多细小裂纹，而不是局部裂纹，界面脱层得到有效控制。Carlo Pellegrino[26]等采用聚合物改性水泥砂浆，使用聚合物改性修复材料修复实验室条件下建造的未受损构件，试件已在尽可能靠近现场构件的条件下建造，现场构件通常通过凿除不良混凝土、喷砂钢筋，然后用修补材料填充空隙进行修补，证明了聚合物改性水泥砂浆作为修补材料良好的修复性能。人工修复混凝结构效果如图2所示。

图2 人工修复混凝土结构图

4 修复后混凝土力学性能试验

混凝土修复材料在用于实际工程之前，都会在实验室内对修复材料以及修复试件的力学性能和强度进行研究，以保证修复材料的最佳配合比和修复后混凝土结构的安全性。

为了得到修复后试件的评价指标，一些学者对修复后混凝土进行了三点弯曲和四点弯曲加载力学性能测试，裂缝及界面在修复后的加载试验示意图分别见图3、图4所示。

图3 裂缝修复后的加载试验

图4 界面修复后的加载试验

Yu-Cheng Kan 等[4]使用环氧树脂作为修补材料，进行界面修复，对修复后试件进行三点弯曲测试，发现与原始混凝土相比，修复后的混凝土的断裂韧性和断裂能分别提高到122%和228%；冯军等[13]采用耐碱枯草芽胞杆菌M9作为自愈混凝土制备剂，制作了抗弯强度为4.2MPa的自愈混凝土，在28d的自愈后，通过三点弯曲测试发现混凝土梁弯曲强度提高了0.34MPa，即约14%的强度恢复；Eleni Tsangouri 等[26]采用一种自愈胶囊的形式嵌入混凝土中，胶囊中填充为聚氨酯试剂，当裂缝形成时会破裂，药剂释放到裂缝空隙中时会快速固化，从而实现裂缝密封和机械修复，在混凝土试块完全修复之后，对其进行三点弯曲测试，发现胶囊对荷载响应起到了有益的作用，并提高了其断裂能以及断裂韧度。

由此可看出，无论是人工修复或是微生物修复，相对于原始混凝土试件都有明显的强度提升。这两种修复技术，在混凝土可持续发展领域都具有不错的前景。

5 结束语

本文对混凝土人工修复与自修复进行归纳和总结，并对完成修复后的强度及断裂韧度进行了对比分析，总结如下：

（1）混凝土自修复适用于普通环境下可能产生微小裂缝的结构，这种修复方式能够及时修复裂缝，甚至在结构破坏之前就发生化学反应形成碳酸钙沉淀，以防止结构进一步开裂。

（2）人工修复是混凝土修复领域比较常见的一种修复方式，由于其修复工艺比较成熟，能够针对不同材料、不同破坏情况、不同环境下进行修复，可最大限度恢复混凝土结构的强度以及断裂韧度。

（3）采用自修复与人工修复相结合的技术，会是一种更完善的修复体系。自修复防患于未然，人工修复解决结构破坏比较严重的情况，这对于建筑可持续性发展具有重要意义。