第43卷第2期 山 西建筑 Vol.43No.22 0 1 7 年 1 月 SHANXI ARCHITECTURE Jan. 2017 • 117 •
文章编号：1009-6825 (2017) 02-0117-02水泥基材料裂缝自愈合行为研究机理+
史林1高祥彪1於孝牛2:15(1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏南京210028; 2.温州大学建筑工程学院，浙江温州325035)摘要:综述了国内外近年来水泥基材料微裂缝自修复机理研究的相关文献，归纳了对水泥基材料微裂缝自修复机理的主要研究 成果及自修复机理的主要研究方法，指出水泥基材料微裂缝自修复机理和技术是国内外近年来的研究热点,该技术对提高水泥基 材料的耐久性和可靠性意义重大。关键词:水泥基材料，自愈合机理，混凝土裂缝中图分类号:TU528.041 文献标识码:A
1背景由于当代经济和科学技术的发展，建筑行业快速发展，应用 最广泛的是水泥基材料[1]。水泥基材料裂缝是其重要缺陷，严重 时可引起建筑物倒塌，酿成重大事故。据文献调查报道，美国和 英国每年花费数千亿美元修复水泥基材料裂缝[2]。我国大部分 混凝土建筑物都存在不同程度的裂缝，在全国调查的32座大坝
中，均存在不同程度的混凝土裂缝。本文对自修复机理进行概 述，自修复是将水泥基材料置于一定环境下，不依靠人为力量，进 行自主修复，对裂缝的预防和处理有重大的意义。2水泥基材料裂缝自愈合机理
水泥基材裂缝自愈合机理主要包括结晶沉淀[3]、渗透结 晶[4]、微生物矿化修复[5]等，涉及复杂的化学、生物过程。1) CaC03结晶沉淀修复水泥基材料机理。Edvardsen C[4]研 究提出CaC03结晶沉淀修复水泥基材料裂缝，在CaC03-C02-H20 组成的物质体系中，根据方程（1),方程(2)形成CaC03晶体。Ca2 + + CO? - ^CaC03 (7.5 < PHwater < 8) (1)Ca2+ + HC03- ^CaC03 (7.5 < pHwater < 8) (2)2) 微生物矿化修复水泥基材料裂缝机理。微生物矿化引起 的矿物沉积过程中所发生的复杂的化学反应可以简化为：底物B+菌种酶化—COl
Ca2 + + Cell—►Cell-Ca2 +Cell-Ca2+ +C〇3~—Cell-CaC03以水为载体，通过渗透使微生物在水泥基材料中复活，催化 尿素水解生成COf，与水泥基材料中Ca2+反应,形成不溶性的
CaC03 晶体[6]。3水泥基材料裂缝自修复研究现状近年来，国内外对水泥基材料裂缝自修复取得了良好的成 果[7]。对水泥基材料裂缝进行快速及时的修复，还需要进一步研究[8’9]。3.1国外研究现状在国外，Abrams最早开始研究水泥基材料裂缝自修复。Abd_ Elmoaty等[1°]研究了聚合物改性混凝土的自愈合机理和相关参 数。1^(；11)〇〇111等[11]研究通过持续水化或者(：^03的生成影响混 合组分在自主裂缝愈合的程度。Sahmamn等[12]研究结合不同辅 助凝胶材料的水泥基辅材料的自愈合，力学损伤关于工程水泥基 复合材料(ECCS)包含不同的补充胶凝材料（SCMs)的分裂拉伸
变形，固化条件和氯离子渗透性。大量实验证明微生物修复水泥基材料的裂缝尺寸范围一般 在0 mm ~ 1 mm,最佳修复范围是0. 4 mm ~0. 5 mm。Wiktor 等=13=
关于研究新细菌基础上自愈合混凝土裂缝愈合定量分析，量化裂 纹愈合潜力和嵌人在多孔膨胀粘土颗粒的新的双组分生化自愈 合试剂，充当蓄积粒子和替代部分混凝土集料，如图1和图2所 示。裂纹形成后的双组分组成的细菌孢子和乳酸钙的生物化学 剂从颗粒释放由裂纹进人水中。随后的细菌引导碳酸钙的形成， 结果物理封闭微裂纹。实验结果表明淹没在水中100 d之后裂纹 愈合，在细菌混凝土中宽高达0.46 mm愈合，至少宽0.18 mm宽 的裂缝愈合。由此可知，在湿环境下这种新颖的生化自修复剂对 提高混凝土耐久性方面的潜力。Zemskov等[14]用两个数学模型 考虑细菌自愈合裂缝过程。在混凝土中研究嵌人结构中细菌是 作为自愈合过程的催化剂，自主修复混凝土裂缝的能力。Wang
等[15]利用硅藻土作为微生物保护媒介研究混凝土自愈合，研究的 主要目标是应用微生物沉淀CaC03愈合混凝土中的裂缝，因为微 生物碳酸钙与水泥基材料有更好的兼容性和相对于通常使用的 聚合物材料更环境友好。硅藻土用来保护高pH环境的微生物， 实验结果表明在水泥中硅藻土能够很好地保护微生物。在水泥 浆体中相对未固结微生物来说，硅藻土固结微生物有更高的尿素 分解活性。硅藻土最佳固结浓度是60% ,在光学显微镜下自愈合 过程是可视化的。
C)空白组修复100 d d)试验组修复100 d图1微生物修复水泥基材料前后的显微图像3.2 国内研究现状国内对水泥基材料裂缝自修复的研究较国外晚，近些年来，
收稿日期=2016-11-03 ★:温州大学十三五规划-专项引进人才科研启动经费（项目编号:135010121111)作者简介:史林（1982-),男，工程师 通讯作者:於孝牛（1988-),男，博士，讲师• 118 •第43卷第2期2 0 1 7年1月
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也取得了 ~'定成果。李冬生等针对自愈合混凝土损伤缺乏有效研究手段的
现状，提出用声发射技术来监测它的损伤演化。李志强[17]从五 个方面探讨了愈合能力，认为在一定水灰比范围内，混凝土损伤 自愈合能力随着水灰比的增大呈现逐渐增大的趋势。黄伟 等[18]研究结果表明，掺加SJ渗透结晶复合材料的裂缝自愈合混
凝土试件抗渗性能得到明显提高，强度亦有显著改善。余剑英 等[19]采用混凝土平板试验法，结果表明渗透结晶型防水材料对 混凝土初期裂缝的产生有一定的抑制作用，并赋予混凝土优良 的裂紅丹愈合件能-
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4展望本文对水泥基材料裂缝自修复的化学、生物反应过程进行了 分析，根据国内外研究现状,提出关于水泥基材料裂缝尚未解决 的问题：1)水泥基材料裂缝碳酸钙结晶修复、微生物矿化修复裂缝尺 寸范围、深度、力学性能有待研究;2)通过X射线断层扫描、晶体 显微镜观察水泥基材料裂缝自修复过程，有待研究;3)通过基因 改造培育出适合高碱性生存的微生物对水泥基材料裂缝进行高 效修复，有待研究。参考文献：[1]张誉.混凝土结构基本原理[M].北京：中国建筑工业出national Association for Testing Materials, London Congress [C]. 1937：19-24.[10] Abd_Elmoaty M and Abd_Elmoaty. Self-healing of polymer modied concrete [ J ]. Alexandria Engineering Journal, 2011 (50) ：171-178.[11] Tittelboom,K. V. ,Gruyaert,E. ,Rahier,H. ,ect.. Influence of mix composition on the extent of autogenous crack healing by continued hydration or calcium carbonate formation [ J ]. Construction and Building Materials,2012(37) ：349-359.[12] Sahmaran. M. , Yildirim. G. ,Erdem. T. K. . Self-healing capability of cementitious composites incorporating different supplementary cementitious materials [ J ]. Cement & Concrete Composites ,2013 (35) ：89-101.[13] Wiktor，V.，Jonkers, H. M. Quanti cation of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete [ J ]. Cement & Concrete Composites ,2011 (33) ：763-770.[14] Zemskov, S. V. , Jonkers, H. M. , Vermolen,F. J.. Mathematical Models to Predict the Critical Conditions for Bacterial Self- healing of Concrete [ J ]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012:108-121.[15] Wang,J. Y. , Verstraete, D. B. W. . Diatomaceous earth as a
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