王立成，武少赟

（大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

1 研究背景

水工混凝土遭受荷載或環(huán)境作用不可避免會(huì)產(chǎn)生裂縫。裂縫將混凝土由連續(xù)體轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散體，雖不會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的安全性，但卻改變了其傳輸特性，為有害物質(zhì)（如氧氣、二氧化碳、水、氯離子、硫酸根離子等）侵入混凝土提供了便捷通道，造成水泥基質(zhì)退化和鋼筋銹蝕等一系列劣化結(jié)果，產(chǎn)生了“劣化-開裂-再劣化”的惡性連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞［1-3］。

1925年，Abrams［4］發(fā)現(xiàn)，開裂混凝土試件在戶外放置8年后，其抗壓強(qiáng)度變?yōu)?8 d 的2 倍多，他認(rèn)為混凝土發(fā)生了自愈合，也成為首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的學(xué)者。不可否認(rèn)，裂縫自愈合可有效減緩有害物質(zhì)的入侵，延長混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，對準(zhǔn)確預(yù)測既有結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要意義。

研究開裂混凝土中裂縫的自愈合規(guī)律和機(jī)理，應(yīng)明確混凝土所處的環(huán)境條件。環(huán)境作用是一把雙刃劍，既可以加快混凝土內(nèi)部損傷發(fā)展，也可以在一定程度上提高裂縫自愈合效果。借助微觀手段明確不同環(huán)境條件下裂縫的自愈合機(jī)理，創(chuàng)造最佳環(huán)境作用條件，最大程度地促進(jìn)自愈合的發(fā)生，從而減少裂縫帶來的危害。盡管現(xiàn)在工程中也希望考慮混凝土裂縫的自愈合性能，然而，對不同環(huán)境中裂縫自愈合機(jī)理的研究尚不明確，關(guān)于裂縫自愈合效果的量化方法尚不成熟。

本文采用劈拉加載方式產(chǎn)生裂縫，對試件裂縫特征、加卸載過程中劈拉應(yīng)力-裂縫口張開位移（COD）曲線的變化規(guī)律以及裂縫在不同環(huán)境中的恢復(fù)特征和自愈合機(jī)理進(jìn)行研究，從力學(xué)性能恢復(fù)、裂縫閉合和氣體傳輸系數(shù)變化等多個(gè)量化指標(biāo)評價(jià)自愈合效果，以期為復(fù)雜環(huán)境條件下（如海洋及近海環(huán)境）混凝土的耐久性分析和使用壽命預(yù)測提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料與試件制備試驗(yàn)原材料包括：水泥為P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥（氧化鎂含量2.83%，三氧化硫含量2.59%）；粗骨料為粒徑5～10 mm 的花崗巖碎石；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.55、堆積密度1450 kg·m-3、粒徑0～5 mm 的中砂；減水劑為聚羧酸鹽類高效減水劑。混凝土配合比如表1所示，其水膠比為0.45。試驗(yàn)采用100 mm×50 mm（直徑×高度）的塑料試模，試模由底蓋、開口中環(huán)和上環(huán)組裝而成，具有便捷、易拆裝和重復(fù)利用率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。試件澆筑24 h 后拆模，將圓盤試件和標(biāo)準(zhǔn)立方體試件置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期，測得28 d 立方體抗壓強(qiáng)度為52.9 MPa。將試件上下表面打磨至厚度45 mm（±1 mm），一方面去除表面浮漿，另一方面保證試件表面平整和兩表面相互平行，為后續(xù)劈拉試驗(yàn)和氣體滲透試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

表1 混凝土配合比 （單位：kg/m3）

2.2 劈拉試驗(yàn)圓盤試件的劈拉試驗(yàn)在MTS Landmark 電液伺服試驗(yàn)機(jī)上完成。試驗(yàn)分別采用位移控制加載和力控制卸載，先后嘗試了0.012、0.024、0.05、0.1、0.2 和0.3 mm/min 的加載速率，綜合考慮加載時(shí)間和裂縫預(yù)制成功率，選用0.2 mm/min 的加載速率。試驗(yàn)時(shí)在試件兩側(cè)分別安裝LVDT，測量試件在加載過程中的裂縫口張開位移。一般情況下，裂縫在兩個(gè)面上開展并非同步，這里取兩個(gè)LVDT 的平均值作為最后裂縫的測量結(jié)果，試驗(yàn)加載裝置如圖1所示。

加載頭直徑、墊塊和膠合板墊條寬度均為45 mm，與試件厚度相同，并保證前后精確對中；采用激光對準(zhǔn)儀將試件豎向直徑、加載頭中心和墊塊中心對齊，實(shí)現(xiàn)加載軸方向精確對中。在試件與加載頭、墊塊間設(shè)置膠合板墊條，一方面可以防止試件與加載頭接觸產(chǎn)生局部受壓破壞，另一方面能夠減小試件在加載過程中受到的橫向約束。

2.3 裂縫測量試驗(yàn)中采用Supereyes 數(shù)碼顯微鏡測量裂縫寬度，為減小誤差，將試件表面沿加載軸方向10 等分，依次取9 個(gè)測點(diǎn)，如圖2所示，以測點(diǎn)處的裂縫寬度平均值作為該表面的主裂縫寬度，并與另一面主裂縫寬度取平均值作為該試件最終開裂后的主裂縫寬度w1。對于每側(cè)選取的9 個(gè)點(diǎn)，在每點(diǎn)處量取5 個(gè)裂縫寬度，按照去掉最大值和最小值后取平均值的原則計(jì)算該點(diǎn)裂縫寬度。

圖1 劈拉開裂試驗(yàn)裝置簡圖

圖2 測點(diǎn)分布

2.4 氣體滲透試驗(yàn)試驗(yàn)中通常采用滲透試驗(yàn)來評價(jià)混凝土內(nèi)部孔隙率和孔隙的連通性。滲透試驗(yàn)一般以水、酒精或氣體作為傳輸介質(zhì)。酒精的強(qiáng)揮發(fā)性使其作為滲透介質(zhì)難度較大，而水會(huì)與未水化的水泥顆粒發(fā)生再水化反應(yīng)，對評價(jià)自愈合效果產(chǎn)生一定干擾，綜合考慮，本文試驗(yàn)采用氮?dú)鉂B透試驗(yàn)來研究裂縫的自愈合規(guī)律，不僅能克服其他介質(zhì)的缺陷，而且氣體對微觀結(jié)構(gòu)變化的敏感度高，可用于評價(jià)細(xì)小裂縫的滲透特性，測量可在較低壓力梯度下快速進(jìn)行，減少對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二次損傷，能夠更準(zhǔn)確地反映混凝土裂縫的自愈合效果［5-9］。

試驗(yàn)采用的氣體滲透裝置主要包括壓力源、試件盒和計(jì)量設(shè)備三部分。

（1）壓力源由儲氣罐、減壓閥、截止閥和6 位數(shù)顯精密壓力表組成，能夠?yàn)樵囼?yàn)提供精確恒定的氣體壓力。選取高純氮?dú)庾鳛闈B透氣體，一方面氮?dú)馐墙Y(jié)構(gòu)所處環(huán)境的重要組成氣體，另一方面氮?dú)鉃槎栊詺怏w，試驗(yàn)過程中不會(huì)帶來安全隱患。

（2）試件盒用來固定和密封試件，設(shè)計(jì)大體經(jīng)歷了圖3所示的3 個(gè)階段：A 圖側(cè)面為柔性硅膠套和剛性鐵圈，硅膠套在豎向壓力作用下發(fā)生橫向膨脹，通過試件、硅膠套和鐵圈之間的相互擠壓來保證側(cè)面氣密性，但卻改變了初始裂縫寬度；B 圖側(cè)面為柔性硅膠套，不會(huì)對初始裂縫產(chǎn)生影響，但側(cè)面氣密性無法保證；C 圖側(cè)面為環(huán)氧樹脂，既能保證側(cè)面密封性，也不會(huì)對預(yù)制裂縫產(chǎn)生擠壓。

圖3 試件盒設(shè)計(jì)

（3）計(jì)量設(shè)備采用量程為50 L/min 的MF4008 型數(shù)顯氣體流量計(jì)。

全部氣體滲透裝置示意圖如圖4所示，上蓋和下蓋通過螺栓連接，硅膠墊嵌入上下蓋中，保證上下面的氣密性；采用環(huán)氧樹脂密封試件側(cè)面，保證側(cè)面的氣密性；進(jìn)氣口和出氣口均采用快插接口實(shí)現(xiàn)密封。

圖4 氣體滲透裝置和試件盒

裂縫處滲透系數(shù)的測量步驟如下。

（1）試件在50℃下烘干12 h 后冷卻至室溫。烘干溫度由自愈合產(chǎn)物的分解溫度確定，Picandet 等［5］發(fā)現(xiàn)，飽和度分別為3%和35%的帶裂縫高性能混凝土試件，氣體滲透性無明顯差異。因此，僅需去除裂縫中自由水，避免其對氣體滲透的影響即可。經(jīng)過12 h 的烘干處理，裂縫表面即可達(dá)到干燥狀態(tài)。

（2）將試件裝入試件盒并對稱擰緊螺栓，確保上、下面的氣密性。

（3）通過減壓閥將氣壓降至0.05 MPa，氣體從試件下表面進(jìn)入，上表面流出，試驗(yàn)時(shí)在裝置與試件接觸部位通過噴灑肥皂水檢測裝置氣密性。Picandet 等［5］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于完好和中度受損試件，氣體壓力為0.05～0.30 MPa；對于裂縫寬度較大的試件，氣體壓力范圍可為0.01～0.10 MPa。

（4）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主裂縫寬度在50～150 μm 范圍內(nèi)，0～40 min 內(nèi)氣體流量的相對變化值在2%以下，說明氣體體積流量隨時(shí)間基本不變，氣體可以很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，將通氣1 min 后的流量視為穩(wěn)態(tài)流量。通過流量計(jì)測量氣體流量，進(jìn)而利用下式計(jì)算混凝土的氣體滲透系數(shù)k：

式中：k 為混凝土氣體滲透系數(shù)，m2；Q 為氣體體積流量，m3·s-1；A 為試件滲透面積，m2；P1為出口壓力，N·m-2；P2為入口壓力，N·m-2；L 為試件厚度，m；η為黏性系數(shù)，s·N·m-2，15 ℃氮?dú)猞侵禐?.73×10-5s·N·m-2。

2.5 愈合環(huán)境將劈拉開裂后的試件分別置于海水、淡水（自來水）和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室環(huán)境中，使裂縫發(fā)生自愈合，分析愈合環(huán)境對自愈合效果的影響規(guī)律，探索不同環(huán)境中裂縫的自愈合機(jī)理。

海水環(huán)境中，考慮到不同海域海水成分有差異，為便于自愈合效果和機(jī)理的分析，參考文獻(xiàn)［10］采用人工合成海水，其主要成分如表2所示。

表2 合成海水成分［10］ （單位：g/L）

采用塑料箱作為海水環(huán)境下試件的養(yǎng)護(hù)池，每箱盛放25 L 合成海水，試驗(yàn)中為保證試件與海水充分接觸，在水箱底部放置墊塊，試件之間交錯(cuò)放置；每7 d 更換一次海水，確保人工合成海水中各組分及離子的濃度相對穩(wěn)定，以便更好地模擬原位條件；將塑料箱打開，保證在試驗(yàn)過程中氣體在水氣交界面自由擴(kuò)散，如圖5所示。

采用兩個(gè)塑料盆作為淡水環(huán)境下試件的養(yǎng)護(hù)池，試驗(yàn)中同樣將盆口暴露于空氣中，保證自愈合所需的CO2氣體供應(yīng)，從而更好地促進(jìn)自愈合發(fā)生（見圖5）。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件是將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，試件下方放置墊塊，保證試驗(yàn)過程中裂縫處有充足的空氣供應(yīng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 海水和淡水愈合環(huán)境

3.1 劈拉裂縫形態(tài)試驗(yàn)通過數(shù)碼相機(jī)采集試件劈拉開裂后的裂縫形態(tài)圖，采用Photoshop 軟件進(jìn)行處理，得到劈拉開裂的典型裂縫形態(tài)圖如圖6所示。

圖6 典型裂縫

從圖6可以看出，劈拉試驗(yàn)產(chǎn)生的加載裂縫具有曲折性、粗糙性和連通性等特點(diǎn)，更能體現(xiàn)混凝土的真實(shí)裂縫形態(tài)。加載過程中，由于試件中部范圍內(nèi)拉應(yīng)力最大，且分布均勻，試件中部首先開裂，然后沿垂直方向朝試件上下邊緣擴(kuò)展，主裂縫產(chǎn)生后，隨著荷載繼續(xù)增大，裂縫產(chǎn)生分支并形成細(xì)小附屬裂縫，同時(shí)主裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最終貫穿至試件上下支承點(diǎn)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂縫擴(kuò)展速度與混凝土強(qiáng)度有關(guān)。加載初期混凝土內(nèi)累積能量小于開裂所需能量，這些能量僅會(huì)造成混凝土損傷，但這種損傷對其滲透性基本沒影響；隨著荷載繼續(xù)增大，試件內(nèi)累積能量大于混凝土開裂所需能量，試件開裂。而且混凝土強(qiáng)度越高，試件脆性越大，裂縫擴(kuò)展速度也越快。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 種目標(biāo)主裂縫寬度，分別為50、100、150 和200 μm，實(shí)際裂縫寬度誤差控制在±15 μm 范圍內(nèi)，試件正反兩面裂縫寬度測量結(jié)果如圖7所示。圖7每個(gè)測點(diǎn)處柱狀圖由兩段組成，下段為該測點(diǎn)處反面裂縫寬度實(shí)測值，上段為對應(yīng)的正面裂縫寬度實(shí)測值。從圖7可以看出：不論在哪種主裂縫寬度下，從1 號到9 號測點(diǎn)，裂縫寬度先增大后減小，最大裂縫寬度在4—6 號測點(diǎn)區(qū)域，裂縫均呈中間寬、兩頭窄的形態(tài)特征。

圖7 表面裂縫寬度

3.2 應(yīng)力-裂縫張開位移曲線試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最大加載位移和卸載位移間存在一定的數(shù)量關(guān)系，試驗(yàn)中根據(jù)兩者間的關(guān)系較為準(zhǔn)確地控制卸載時(shí)間，得到了不同設(shè)計(jì)卸載位移下的劈拉應(yīng)力-裂縫口張開位移曲線，如圖8所示，設(shè)計(jì)卸載位移分別為50、100、150、200、250 和300 μm。

劈拉應(yīng)力根據(jù)下式計(jì)算：

式中：σt為垂直于荷載方向的最大拉應(yīng)力，MPa；P 為試件所受荷載，N；L 為試件長度或厚度，mm；D 為圓盤試件的直徑，mm。

從圖8可以看出，曲線在開始階段接近直線，隨著應(yīng)力的增加，在峰值應(yīng)力前，曲線不再保持直線，但如果在此階段卸載，位移基本可以恢復(fù)。Wang 等［11］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件在峰值應(yīng)力前卸載，卸載后約80%的裂縫可恢復(fù)，殘余裂縫非常小，而且對滲透性基本沒有影響。當(dāng)超過峰值應(yīng)力，裂縫迅速擴(kuò)展，承載能力降低，應(yīng)力減??；當(dāng)應(yīng)力下降到峰值應(yīng)力的75%左右，裂縫口張開位移增加，應(yīng)力基本不變，出現(xiàn)了類似鋼筋屈服的現(xiàn)象。試驗(yàn)中一旦裂縫達(dá)到預(yù)設(shè)寬度，立即卸載，卸載曲線為一條直線，滿足卸載定律。不難發(fā)現(xiàn)，卸載階段曲線斜率均小于初始加載曲線斜率，這主要是由混凝土開裂導(dǎo)致自身剛度降低所致，并且裂縫口張開位移越大，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷越大，剛度降低越多。

圖8 不同設(shè)計(jì)卸載位移下的拉應(yīng)力-裂縫口張開位移曲線

圖9 卸載后裂縫口張開位移恢復(fù)

圖9給出了加載曲線上最大加載位移和卸載后殘余位移的關(guān)系，試驗(yàn)中最大殘余位移為300 μm。當(dāng)完全卸載后，裂縫口張開位移會(huì)減小，所能恢復(fù)的部分為材料彈性變形，殘余位移即為裂縫擴(kuò)展所產(chǎn)生的不可逆塑性變形。從圖9可以看出，二者之間的差值隨加載位移的增大而增大，這是由于加載產(chǎn)生的裂縫口張開位移越大，混凝土受損越嚴(yán)重，導(dǎo)致塑性變形比例增大，彈性變形所占比例減小。

3.3 愈合后力學(xué)性能分析自愈合試驗(yàn)均在卸載條件下進(jìn)行，采用主裂縫寬度w1=100 μm 的開裂試件，實(shí)際裂縫寬度誤差仍控制在±15 μm 范圍內(nèi)。為了對比愈合前后開裂混凝土的力學(xué)性能，對愈合后的試件開展了劈拉試驗(yàn)。試驗(yàn)中保證最大加載位移與裂縫預(yù)制階段基本相同，仍通過位移控制加載，記錄應(yīng)力-裂縫口張開位移曲線。主要分析的指標(biāo)包括：初始剛度K0、首次卸載剛度KX0、愈合后初始剛度K1、愈合后卸載剛度KX1、裂縫預(yù)制階段峰值應(yīng)力σ0和愈合后峰值應(yīng)力σ1等，通過對比試件愈合前后剛度和強(qiáng)度的變化，定量評價(jià)不同環(huán)境中裂縫自愈合的效果。

海水、淡水環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，愈合后二次加卸載曲線分別如圖10所示，圖中同時(shí)給出了初始加卸載曲線，以便進(jìn)行對比。

定義愈合前后強(qiáng)度比α=σ1/σ0，愈合后初始加載剛度恢復(fù)量β=（K1-KX0）/KX0，兩次加卸載得到的主要力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。

由圖10和表3可知，經(jīng)過28 d 愈合后，最大強(qiáng)度比α均未超過0.5，自愈合對劈拉強(qiáng)度恢復(fù)效果較差，說明自愈合產(chǎn)物與混凝土基體黏結(jié)強(qiáng)度較低，愈合產(chǎn)物更多起填充作用。愈合后初始加載剛度K1均比愈合前卸載剛度KX0有所提高，說明經(jīng)過28 d 愈合，試件剛度有所恢復(fù)，但恢復(fù)值相對于初始剛度較小。

圖10 裂縫愈合前后力學(xué)性能比較

表3 裂縫愈合前后力學(xué)性能比較

3.4 不同環(huán)境中自愈合機(jī)理分析為對比愈合前后和愈合過程中裂縫形態(tài)的發(fā)展變化，試驗(yàn)中對試件上固定位置的某一段裂縫進(jìn)行跟蹤觀測，跟蹤觀測部位為隨機(jī)選取，以便得到的結(jié)果更具有說服力。不同環(huán)境中混凝土試件的典型裂縫愈合過程圖如圖11所示。

圖11 不同愈合環(huán)境中的典型裂縫愈合

從圖11可以看出，環(huán)境條件對自愈合效果有顯著影響，隨著愈合時(shí)間的延長，愈合產(chǎn)物不斷增多，自愈合填充效果也越為明顯。

不同環(huán)境中裂縫自愈合的效果評價(jià)如圖12所示。由圖12可以看出，在不同愈合環(huán)境中，裂縫寬度和氣體流量隨時(shí)間逐漸減小，說明裂縫愈合水平隨時(shí)間逐漸提高，但隨著時(shí)間的增長，愈合水平將趨于穩(wěn)定。因?yàn)橛显缙?，裂縫寬度較大，自愈合所需原料比較充足，可以源源不斷地傳輸?shù)搅芽p表面，促進(jìn)自愈合的發(fā)生，這個(gè)階段，化學(xué)反應(yīng)速率決定了愈合速率；愈合后期，水泥顆?；舅瓿?，裂縫處愈合原料減少，而且裂縫寬度的減少也阻礙了水中離子向裂縫處的傳輸，導(dǎo)致自愈合進(jìn)程變緩，這一階段，原料的擴(kuò)散成為影響自愈合速率的主要因素。

由圖12還可以看出，海水環(huán)境中自愈合效果最好，淡水環(huán)境次之，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中自愈合效果最差。相比于水養(yǎng)護(hù)環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中自愈合效果差，主要是液態(tài)水供應(yīng)不足所致。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)需要有水參與，另外細(xì)小顆粒的傳輸也需要借助于水的流動(dòng)。Jacobsen 等［12］和?avija［13］在研究中也發(fā)現(xiàn)，液態(tài)水是自愈合發(fā)生的必需條件，潮濕或水環(huán)境有利于自愈合的發(fā)生。

圖12 混凝土自愈合效果與愈合環(huán)境的關(guān)系

由于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中自愈合效果較差，本文僅對淡水和海水養(yǎng)護(hù)環(huán)境中裂縫的自愈合產(chǎn)物進(jìn)行了微觀檢測，掃描電鏡圖（SEM）和X 射線衍射圖（XRD）分別如圖13和圖14所示。圖13中A—C 為淡水環(huán)境中的SEM 圖，對應(yīng)的XRD 圖為14（a）；圖13中D—I為海水環(huán)境中SEM 圖，對應(yīng)的XRD 圖為14（b）。

淡水愈合環(huán)境中，通過SEM 圖可以看到，裂縫表面附著絮狀硅酸鈣凝膠、六方板狀氫氧化鈣、斜方雙錐文石和顆粒狀或塊狀方解石；利用Jade 軟件分析XRD 衍射圖譜，可以發(fā)現(xiàn)愈合產(chǎn)物主要為碳酸鈣、氫氧化鈣、硅酸鈣以及未水化的水泥顆粒。綜合分析，淡水環(huán)境中裂縫自愈合產(chǎn)物主要有文石或方解石（碳酸鈣）、氫氧化鈣、硅酸鈣以及未水化的水泥顆粒（硅酸二鈣及硅酸三鈣）。

海水愈合環(huán)境中，通過SEM 圖可以看到裂縫表面附著絮狀硅酸鈣凝膠、六方板狀氫氧化鈣或氫氧化鎂、斜方雙錐文石、顆粒狀或塊狀方解石、短柱型石膏和棒狀鈣礬石；利用Jade 軟件分析XRD衍射圖譜，可以發(fā)現(xiàn)愈合產(chǎn)物主要為碳酸鈣、氫氧化鈣、硅酸鈣、鈣礬石、二水硫酸鈣、氫氧化鎂以及未水化的水泥顆粒。綜合分析，海水環(huán)境中裂縫自愈合產(chǎn)物主要有文石或方解石、氫氧化鈣、鈣礬石、石膏、水鎂石、水化硅酸鈣和未水化的水泥顆粒（硅酸二鈣和硅酸三鈣）。

海水和淡水愈合環(huán)境生成的愈合產(chǎn)物不同，主要與離子來源、種類和數(shù)量等有關(guān)。淡水中離子含量較低，CO32-有限，Ca2+和Mg2+基本可以忽略，自愈合礦物主要是文石或方解石（CaCO3），Ca2+由混凝土提供，溶液中CO32-的含量成為限制CaCO3生成的主要因素。海水中富含Ca2+、Mg2+、SO42-和CO32-等，這些離子可形成文石或方解石（CaCO3）、水鎂石（Mg（OH）2）、鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）、石膏（CaSO4·2H2O）等礦物，形成的這些礦物能夠大大增強(qiáng)裂縫的自愈合效果。

圖13 愈合產(chǎn)物SEM 分析結(jié)果

圖14 不同環(huán)境中愈合產(chǎn)物XRD 分析結(jié)果

當(dāng)然裂縫自愈合過程并不僅僅是化學(xué)反應(yīng)，還包括物理、力學(xué)等多種機(jī)制?？傮w而言，裂縫自愈合是各種物理和化學(xué)過程綜合作用的結(jié)果，其機(jī)理主要包括再水化作用、結(jié)晶作用、分解作用和堵塞作用［13-15］。

（1）再水化作用。未水化的水泥顆粒（硅酸二鈣和硅酸三鈣等）在硬化混凝土中再次水化，生成水化產(chǎn)物；硅酸鈣水化物的膨脹作用。

（2）結(jié)晶作用。淡水環(huán)境中，水化產(chǎn)物氫氧化鈣與水、二氧化碳反應(yīng)生成文石或方解石堵塞裂縫；在海水中，由于鈣離子、鎂離子、碳酸根離子和硫酸根離子等存在，會(huì)形成文石或方解石、石膏、鈣礬石和水鎂石等結(jié)晶物，這些礦物能夠大大增強(qiáng)裂縫的自愈合效果。

（3）分解作用。裂縫處滲流作用導(dǎo)致氫氧化鈣損失，化學(xué)平衡被破壞，使水泥水化產(chǎn)物分解，匯集在裂縫處，導(dǎo)致裂縫自愈合的發(fā)生。

（4）堵塞作用。裂縫表面松散顆粒、空氣和水中的雜質(zhì)等產(chǎn)生的堵塞作用使裂縫愈合。

自愈合機(jī)理的示意圖如圖15所示。

圖15 不同自愈合機(jī)理

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)研究了混凝土在劈拉加載過程中的裂縫發(fā)展特征、形態(tài)以及不同環(huán)境中裂縫的自愈合規(guī)律和機(jī)理，主要結(jié)論如下：（1）劈拉裂縫從試件中部向邊緣擴(kuò)展，最終貫穿至試件上下支承點(diǎn)。裂縫呈中間寬、兩頭窄的形態(tài)特征，其曲折性、粗糙性和連通性等特點(diǎn)更能體現(xiàn)混凝土的真實(shí)裂縫形態(tài)。（2）混凝土劈拉開裂導(dǎo)致自身剛度降低，卸載階段曲線斜率均小于初始斜率，并且裂縫口張開位移越大，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷越大，剛度降低越多。（3）愈合后劈拉強(qiáng)度恢復(fù)效果較差，自愈合產(chǎn)物與混凝土基體黏結(jié)強(qiáng)度較低，愈合產(chǎn)物更多起填充效果。愈合后初始加載剛度K1均比愈合前卸載剛度KX0有所提高，試件剛度有所恢復(fù)，但恢復(fù)值相對于初始剛度較小。（4）環(huán)境條件對自愈合效果有顯著影響，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件中由于液態(tài)水供應(yīng)不足，導(dǎo)致自愈合效果最差。海水環(huán)境中自愈合效果優(yōu)于淡水，主要與離子來源、種類和數(shù)量等有關(guān)。淡水中自愈合礦物主要是文石或方解石，海水中可形成文石、方解石、水鎂石、鈣礬石、石膏等礦物，這些礦物能夠大大增強(qiáng)裂縫的自愈合效果。（5）裂縫自愈合過程并不僅僅是化學(xué)反應(yīng)，還包括物理、力學(xué)等多種機(jī)制?？傮w而言，裂縫自愈合是各種物理和化學(xué)綜合作用的結(jié)果，其機(jī)理主要包括水泥的再水化作用、結(jié)晶作用、水泥水化產(chǎn)物的分解作用和顆粒雜質(zhì)等的堵塞作用。