呂 忠，劉子言，宋羿昊，項騰飛，郭明磊，陳德鵬

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

自從水泥被發(fā)明以來，以其為主要成分的水泥基材料就被廣泛應(yīng)用于多種工程[1]。以水泥為主要成分的混凝土具有原料來源廣，價格低，制備簡單且抗壓強(qiáng)度高，耐久性較好，強(qiáng)度等級范圍寬等特點，這些特點使其在工程建設(shè)中廣泛使用。但混凝土材料也有自身的缺陷，其抗拉強(qiáng)度較低，在使用過程中受外力、環(huán)境變化等因素影響，表面或內(nèi)部易產(chǎn)生裂紋，從而水或其他有害物質(zhì)會沿著裂紋向混凝土內(nèi)部滲透，導(dǎo)致構(gòu)件耐久性和使用壽命降低[2]。因此，修補(bǔ)和維護(hù)已形成的裂縫與缺陷是不可避免的。

從混凝土結(jié)構(gòu)失效過程可知混凝土早期微裂縫雖不至于影響結(jié)構(gòu)承載力，但會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性下降，因此需對出現(xiàn)微裂縫時及時進(jìn)行修復(fù)。目前，混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修理通常依賴于人工定期檢查，但人工檢查成本較昂貴，還依賴于無損檢測和人類感知的結(jié)合。由于傳統(tǒng)的人工修復(fù)技術(shù)存在局限性，許多研究人員開始致力于研究具有裂縫自我修復(fù)性能“自愈合混凝土”[3]。自愈合有如下定義：即一種材料可以在沒有外界干預(yù)的情況下自動地和自主地愈合損傷的能力[4]。水泥基材料的自愈合分為自生愈合和自主愈合，自生愈合指材料依靠如未水化的水泥進(jìn)一步水化和礦物添加劑的火山灰反應(yīng)等來實現(xiàn)裂縫的自身愈合[5-6]。自主愈合指通過在水泥基材料中添加或者內(nèi)置含有愈合劑的微膠囊、微型玻璃管、膨脹劑、結(jié)晶混合物、微生物等物質(zhì)的方式來實現(xiàn)裂縫愈合[7-8]。

由于水泥基材料自生愈合的能力較為有限，且該過程受環(huán)境中水含量的影響較大，所以研究人員試圖在水泥基材料中引入一些能夠促進(jìn)裂縫自主愈合的物質(zhì)或者載體。過去幾十年間，有多種修復(fù)系統(tǒng)和技術(shù)用于嘗試自動愈合混凝土裂縫[9]。例如，使用封裝有合適愈合劑的微膠囊或中空纖維來制備自修復(fù)混凝土，一旦出現(xiàn)裂紋，膠囊殼或管壁破裂，釋放愈合劑并在損傷區(qū)域反應(yīng)，產(chǎn)生新的化合物，密封裂紋或粘合裂紋面[10]?；蛲ㄟ^細(xì)菌孢子吸附在載體內(nèi)摻入混凝土基體中，當(dāng)基體產(chǎn)生裂紋時，內(nèi)部的細(xì)菌孢子被激活，細(xì)菌消耗氧氣，進(jìn)行碳酸鈣的沉淀和修復(fù)裂縫，從而最大限度地減少鋼筋銹蝕，提高混凝土的使用壽命[11]。水泥基材料的自主愈合、自生愈合和自修復(fù)功能儼然已經(jīng)成為修復(fù)混凝土裂縫的一個重要趨勢。傳統(tǒng)的維修和定期維護(hù)只能在混凝土開裂后進(jìn)行，既浪費人力資源和成本，又對混凝土的安全造成威脅?；炷磷灾饔舷到y(tǒng)為基體裂縫的修復(fù)和有效地延緩潛在的危害提供了一種新的方法,該系統(tǒng)將免去人工的監(jiān)測和外部修補(bǔ)所需的高額費用,節(jié)省建筑結(jié)構(gòu)運行費用,混凝土材料的使用壽命也將延長，這對確保建筑物安全穩(wěn)定和提高耐久性都具有重要意義。

輕骨料由于其多孔結(jié)構(gòu)屬性，具有很強(qiáng)的吸附能力，故常用于具有輕質(zhì)和保溫特點的輕骨料混凝土、維持結(jié)構(gòu)內(nèi)外濕度平衡的內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土以及搭載微生物的自愈合混凝土等。基于現(xiàn)有水泥基材料自修復(fù)技術(shù)大多存在制備方法復(fù)雜、摻入基體內(nèi)的修復(fù)劑含量較少等缺陷，有學(xué)者提出使用無機(jī)多孔材料負(fù)載修復(fù)劑摻入到混凝土基體中，利用自修復(fù)的原理以期更好地實現(xiàn)裂縫自修復(fù)[12]?，F(xiàn)有實驗表明，通過內(nèi)置修復(fù)劑的無機(jī)多孔輕骨料方法可有效提高水泥基材料的裂縫自修復(fù)性能，且輕骨料與水泥砂漿之間有更好的相容性[13]。因此，多孔輕骨料自修復(fù)混凝土研究也是自修復(fù)混凝土發(fā)展的一個重要方向。

輕骨料內(nèi)部孔隙較大，可以負(fù)載較多修復(fù)劑，為后續(xù)的持續(xù)修復(fù)提供了可能性。本文對輕骨料自修復(fù)水泥基材料自修復(fù)研究進(jìn)展系統(tǒng)回顧。首先概述國內(nèi)外輕骨料內(nèi)置修復(fù)劑的試驗研究和理論研究所取得的新成果和新進(jìn)展，包括修復(fù)后的混凝土基體力學(xué)性能和耐久性能的研究、裂紋修復(fù)程度和修復(fù)效率的評價方法，并在此基礎(chǔ)上，探討目前該領(lǐng)域還存在的問題和發(fā)展前景。

1 輕骨料自修復(fù)水泥基材料研究現(xiàn)狀

裂縫的自然愈合現(xiàn)象在多年前就已被人們發(fā)現(xiàn)[5]，許多研究人員對此展開研究。當(dāng)水泥基體內(nèi)部裂縫中未水化的水泥顆粒與水分接觸時，可引發(fā)未水化水泥再水化過程，實現(xiàn)裂縫自愈合。此外，空氣中的二氧化碳和水進(jìn)入裂縫中反應(yīng)生成碳酸鈣也會使裂縫自愈合，在裂縫表面有明顯的白色晶體沉淀。盡管人們對于水泥基材料自愈合的現(xiàn)象觀察和研究已有相當(dāng)長的一段時間，但是對于其自愈合的機(jī)理還不是十分清楚。基于大量的實驗研究和實踐經(jīng)驗，人們相信水泥基材料的裂縫自愈合是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程以及力學(xué)因素的結(jié)合[4]，如圖1所示。

圖1 水泥基材料裂縫自生愈合的機(jī)理[4]Fig.1 Mechanisms of autogenous healing of cracks in cement-based materials[4]

水泥基材料內(nèi)未水化的水泥顆粒不僅會存在，并且會長期存在[14]。由于未水化的水泥顆粒存在以及有足夠的反應(yīng)空間等因素，使得理論上繼續(xù)水化可以很好地愈合裂縫。但是通常由于其愈合潛力有限，未水化水泥繼續(xù)水化或膨脹不足以愈合較大的裂縫。Edvardsen[15]和范曉明[16]等認(rèn)為自愈合的主要原因是碳酸鈣的形成，她們認(rèn)為在起始階段在裂縫的表面，鈣離子和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。一旦表面的鈣離子耗盡，鈣離子會從砂漿或是混凝土更深處的水化水泥漿體中遷移出，該過程是擴(kuò)散控制的。自生自愈合效率較低，為了提高愈合效率，一些研究試圖通過引入外部化學(xué)物質(zhì)或功能材料來賦予膠凝基質(zhì)具有自愈能力。

圖2 輕骨料封裝愈合劑自修復(fù)體系及其自修復(fù)機(jī)制[20]Fig.2 The mechanism of self-repairing lightweight aggregate cementitious materials[20]:(a) healing agent adsorbed by porous light aggregate; (b) a crack occurs; (c) repairing agent release; (d) crack to be healed

多孔輕骨料內(nèi)部具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，故其常被用于輕骨料混凝土、內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土[17]以及包裹微生物的自愈合混凝土[18]等方面。常見膠囊(纖維管)法自修復(fù)方法中，其外壁多為脆性材料，但脆性封裝材料在混凝土攪拌、振搗和成型過程中極易破裂，導(dǎo)致最終的愈合效果不能令人滿意，所以封裝材料的界面強(qiáng)度是影響微膠囊破裂的關(guān)鍵因素之一[19]。輕骨料自修復(fù)水泥基材料可將修復(fù)劑吸附于無機(jī)多孔輕骨料材料內(nèi)部，且無機(jī)多孔材料與水泥基體的相容性較好，利用膠囊法自修復(fù)的修復(fù)機(jī)理能夠?qū)崿F(xiàn)水泥基材料的裂縫自主愈合。常見的輕骨料自修復(fù)體系和自修復(fù)原理如圖2所示[20]。圖2(a)為制備封裝內(nèi)置愈合劑的無機(jī)多孔輕骨料自愈合載體系。由修復(fù)劑載體和愈合劑構(gòu)成的自愈合體系是自愈合材料領(lǐng)域中一種重要自愈合方法,其工作過程為:當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生微裂紋,隨著裂縫的擴(kuò)展,修復(fù)載體發(fā)生破裂,釋放出愈合劑。在毛細(xì)管吸引力作用下,愈合劑流到裂縫內(nèi)，發(fā)生聚合反應(yīng)進(jìn)而膠結(jié)裂紋面[21],如圖2(b)-(d)所示。

根據(jù)封裝載體內(nèi)不同修復(fù)劑的類型，本文梳理了輕骨料自修復(fù)水泥材料不同封裝載體下修復(fù)效果和性能恢復(fù)特征，具體見表1。

表1 不同輕骨料載體自修復(fù)效果對比Table 1 Comparison of self-healing effects for different lightweight aggregate carriers

1.1 輕骨料封裝無機(jī)修復(fù)劑自修復(fù)體系

對于自修復(fù)混凝土，在選用修復(fù)劑時不僅要注意修復(fù)劑的組成成分，還要考慮修復(fù)劑的粘結(jié)強(qiáng)度和黏度。通常用于自修復(fù)混凝土的無機(jī)類修復(fù)劑：主要包括硅酸鈉溶液[22-23]、水分[24]、單氟磷酸鈉溶液、堿硅酸溶液[25]等。如，利用輕骨料封裝硅酸鈉溶液，其修復(fù)機(jī)理是混凝土中的氫氧化鈣與輕骨料破裂后釋放的硅酸鈉溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生C—S—H和N—S—H凝膠填充并膠結(jié)裂紋，其化學(xué)反應(yīng)式為

Na2O·SiO2+Ca(OH)2→x(CaO·SiO2)·H2O+Na2O

(1)

(CaO·SiO2)·H2O+Na2O+CO2→CaCO3+SiO2+2NaOH

(2)

其中，式(1)生成的C—S—H凝膠能夠膠結(jié)并愈合裂縫，可以提高水泥基體的強(qiáng)度。而式(2)氫氧化鈉和硅反應(yīng)所產(chǎn)生的N—S—H，其性質(zhì)類似于C—S—H[26]，因此愈合后可以提高混凝土整體性能。王險峰和方成[27]使用輕骨料陶粒作為載體浸漬碳酸鈣等碳源，與摻合料組合共同摻入混凝土基體中，通過測試基體試件的力學(xué)性能以及養(yǎng)護(hù)完成后的裂縫變化，對組合的修復(fù)效果進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)該組合體系增加了混凝土基體的流動性并且試件的抗折、抗壓強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。

外在環(huán)境條件也是影響水泥基材料修復(fù)效果的重要因素，甚至某些愈合機(jī)理本身就需要在一定的外在環(huán)境條件下才能實現(xiàn)。李靜盧[20]使用頁巖陶砂作為載體，吸附硅酸鈉溶液作為修復(fù)劑，然后使用聚乙烯醇作為膜溶液對其進(jìn)行膠囊化處理。通過質(zhì)量損失法以及離子溶出法對膠囊化效果進(jìn)行測定，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室、去離子水以及飽和氫氧化鈣3種不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境中進(jìn)行愈合養(yǎng)護(hù)，通過測定試件的傳輸性能變化以及裂縫的寬度變化，探究了養(yǎng)護(hù)環(huán)境對修復(fù)的影響。試驗結(jié)果表明：膠囊化頁巖陶砂的愈合作用隨不同的愈合環(huán)境而產(chǎn)生變化，相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的濕度環(huán)境，去離子水和飽和氫氧化鈣溶液環(huán)境更有利于膠囊化頁巖陶砂發(fā)揮愈合作用。蔣正武[28]也研究發(fā)現(xiàn)硅酸鈉的溶出速率由外界環(huán)境的pH值和溫度決定。Sisomphon[29]使用膨脹黏土輕骨料作為載體，在吸附單氟磷酸鈉溶液后用水泥漿將其包裹，然后再摻入高爐礦渣水泥中，研究此試件耐久性的變化情況。隨著基體固化成型，在受到外力或者內(nèi)部水化反應(yīng)輕骨料外裹的水泥漿保護(hù)層會被破壞，內(nèi)部吸附的修復(fù)劑會流出與基體中的化合物發(fā)生反應(yīng)生成磷灰石等礦物，對基體內(nèi)部及外部裂縫進(jìn)行修復(fù)。

1.2 輕骨料封裝微生物自修復(fù)體系

由于微生物在高堿度的環(huán)境條件下難以存活，并且混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會對微生物的壽命產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響水泥基體的強(qiáng)度和耐久性能。為保持微生物愈合劑的活性，需要載體保護(hù)微生物并延長它的存活壽命[30]。例如芽孢桿菌等細(xì)菌種類是嗜堿的，其在堿性環(huán)境中可以長時間保持活性，但在高pH值(pH>7)和干燥環(huán)境下的活性能力大大減弱。Jonkers等[31]試驗發(fā)現(xiàn)，若將芽孢桿菌孢子直接加入混凝土拌合料中，在第22和42天后，活孢子顯著減少。然而，當(dāng)孢子被固定在輕骨料中，活性孢子在混凝土的6個月齡期內(nèi)不受影響。這表明輕骨料載體固化細(xì)菌孢子對在干堿環(huán)境下提高孢子活性具有重要作用。Qian[32]等設(shè)計了陶粒中固化微生物的微生物自愈混凝土，系統(tǒng)研究了陶粒用量、粒徑和微生物吸附時間對混凝土的影響。結(jié)果表明，陶粒相對致密的表面能有效地保護(hù)微生物免受高堿環(huán)境的侵害。

微生物的固化已被認(rèn)為是一種增加細(xì)菌生存能力的較好方法，包封和固化材料包括輕質(zhì)骨料[33]、聚氨酯[34]、改性海藻酸鈉[35]和水凝膠[36]等。用輕骨料封裝微生物是一種有效的手段，Zhan[37]研究了膨脹蛭石固定化微生物對水泥基材料裂縫的自修復(fù)作用。膨脹蛭石能夠有效的吸附和固化微生物，固化后的微生物能具有再活化的能力。首先采用有機(jī)硅憎水劑、水性環(huán)氧樹脂、復(fù)合漿料包裝方法對膨脹蛭石進(jìn)行包裝，分析其吸水率的變化，將試件置于高堿性環(huán)境下，驗證了載體能夠有效保護(hù)微生物。微生物的固化不僅可以會影響水泥基材料的自愈性，還會影響其抗壓強(qiáng)度的變化。Zhang[38]用多孔膨脹玻璃顆粒作為細(xì)菌溶液的載體，通過與直接加入細(xì)菌溶液的試塊對比，相較于對比試件固定細(xì)菌溶液的試塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別高7.1%和7.0%。Gupta[39]以木材廢棄物原料的生物炭作為載體，通過與直接添加孢子的水泥砂漿相比，固定孢子的試塊強(qiáng)度提高了38%，水分滲透降低了70%。Wiktor[33]使用輕骨料作為自愈混凝土中細(xì)菌的載體化合物，對細(xì)菌有較好的保護(hù)作用，但同時也提高了混凝土的抗彎強(qiáng)度。Alazhari[40]等用包覆膨脹珍珠巖固定芽孢桿菌孢子及其營養(yǎng)物質(zhì)。結(jié)果表明，當(dāng)鈣源(如醋酸鈣)充足時，20%包覆膨脹珍珠巖部分置換細(xì)集料可實現(xiàn)裂紋自愈合。然而，Gadea[41]使用聚氨酯泡沫廢棄物作為載體時發(fā)現(xiàn)聚氨酯對水泥砂漿的抗彎強(qiáng)度有負(fù)面影響。所以，聚氨酯作為一種載體材料是不可取的，因此需要一種能夠提高混凝土抗拉強(qiáng)度的載體材料。

Su[42]研究以改性陶粒作為載體吸附細(xì)菌，探討其在自愈混凝土中固化細(xì)菌的可能性。在分析不同預(yù)處理方法的預(yù)處理效果后，選擇機(jī)械破碎法釋放陶粒的內(nèi)部空間，將營養(yǎng)物質(zhì)以粉末的形式嵌入改性陶粒中，由細(xì)砂和環(huán)氧樹脂組成有機(jī)保護(hù)層對改性陶粒進(jìn)行覆膜。分別測試陶粒在不同處理條件下的吸水率，研究裂紋的修復(fù)效率以及載體與基體的相容性。實驗結(jié)果表明，改性后陶粒的固定性能、防護(hù)性能、力學(xué)性能和界面性能均有明顯提高。此外研究人員通過不同對照組試驗進(jìn)一步說明固化的微生物能夠增強(qiáng)水泥基體的力學(xué)性能和耐久性能。如圖3所示，當(dāng)裂縫出現(xiàn)時，裂縫貫穿載體，使其破裂，載體內(nèi)部的活性微生物在水泥基材料環(huán)境下進(jìn)行新陳代謝作用產(chǎn)生碳酸鈣沉積，達(dá)到愈合裂紋的目的[43]。Salmasi[44]研究在天然輕骨料混凝土中加入一種特殊的枯草芽孢桿菌菌株。首先，制作有細(xì)菌和無細(xì)菌兩個普通組的標(biāo)本，混凝土試件使用添加和不添加鋼纖維兩種配合比設(shè)計。然后將標(biāo)本置于自來水、尿素-乳酸鈣溶液和營養(yǎng)液3種不同的環(huán)境進(jìn)行固化。通過正常樣本與混合水中含有細(xì)菌且在乳酸鈣環(huán)境中固化的樣本進(jìn)行對比，表明在添加細(xì)菌和鋼纖的含維尿素-乳酸鈣固化的天然輕骨料混凝土中，其吸水性顯著降低約13.1%，氯滲透率降低約20.5%、碳酸化深度降低約27.2%，滲透深度分下降約44.3%，電阻增加約103.6%。考慮到細(xì)菌孢子在混凝土堿性環(huán)境中的休眠和不活潑性，需制作其他含有細(xì)菌孢子的試樣，通過比較兩種試樣的吸水率、電阻和抗壓強(qiáng)度得出在天然輕骨料混合料中加入細(xì)菌并用鋼纖維加固，可以有效降低混凝土構(gòu)件的開裂。Khaliq[45]培養(yǎng)枯草芽孢桿菌，直接將細(xì)菌添加到混凝土樣本以及將輕骨料作為細(xì)菌的載體添加到混凝土。經(jīng)過對比，摻入細(xì)菌的樣本比未摻入細(xì)菌的樣本抗壓強(qiáng)度高。摻入細(xì)菌的載體的混凝土試件的最大強(qiáng)度為29.43 MPa，抗壓強(qiáng)度比沒有摻入細(xì)菌的混凝土試件提高了12%?？偠灾褂玫募?xì)菌種類、濃度、不同的載體會對混凝土或砂漿性能產(chǎn)生較大的影響，而這種性質(zhì)上的差異需要進(jìn)一步研究。

2 修復(fù)效果的評價手段

輕骨料自修復(fù)水泥基材料研究中采用不同的修復(fù)評價方法會產(chǎn)生不同的吸附效果。國內(nèi)外諸多學(xué)者越來越關(guān)注如何對修復(fù)效果進(jìn)行定性和定量評價[48]。目前已知用于評價輕骨料自修復(fù)水泥基材料自愈合效果的方法有多種，但由于方法自身的局限性，無法保證在表征修復(fù)是否發(fā)生的同時又能保證表征修復(fù)進(jìn)行的程度,所以需要綜合利用多種方法對修復(fù)效果進(jìn)行系統(tǒng)且全面的評價。輕骨料自修復(fù)效果的評價手段有以下幾種，如表2所示。

通過力學(xué)性能試驗可以測得水泥基材料試件在修復(fù)前后強(qiáng)度恢復(fù)的變化率，以此來評價修復(fù)效果。當(dāng)前，主要以抗壓強(qiáng)度測試[55]、三點抗彎測試[56]和四點抗彎測試[57]為主。例如，Khaliq[45]將納米石墨封裝細(xì)菌置于水泥基材料中，通過抗壓強(qiáng)度試驗表明此方式可使抗壓強(qiáng)度提高9.8%，同時兼具修復(fù)納米級微裂紋的潛力。Wang[46]利用液體碳酸鈉浸漬輕質(zhì)粘土集料， 以Ⅰ-0, Ⅱ-5, Ⅱ-7 表示輕骨料分別吸附了0%、10%和12%的碳酸鈉溶液的試件，以強(qiáng)度恢復(fù)的變化率來表征修復(fù)效果，通過三點彎曲試驗，28 d時Ⅰ-0的強(qiáng)度值為8.19 MPa，Ⅱ-5和Ⅱ-7的強(qiáng)度值分別為8.49和8.62 MPa。這表明，高含量的修復(fù)劑并沒有導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度的顯著降低。而Ⅱ-5和Ⅱ-7的抗壓強(qiáng)度分別為31.17和31.50 MPa，比Ⅰ-0的抗壓強(qiáng)度(29.04 MPa)高7.5%。這說明3種情況下強(qiáng)度值的差異是由修復(fù)劑的比例和吸附溶液引起的。采用力學(xué)性能試驗評價愈合效果會導(dǎo)致較大的誤差，因此需要較多的試驗量。

耐久性試驗主要測定水泥基體中離子、氣體、液體傳輸性能的變化。通常，把抗?jié)B性和氣密性作為評價自修復(fù)效果的重要參數(shù)，這是基于自修復(fù)混凝土的主要目標(biāo)之一是提高水泥基材料的抗?jié)B性和氣密性。由于試件的干燥狀態(tài)、裂縫形狀和微觀結(jié)構(gòu)很大程度上影響各物質(zhì)在水泥基材料中的擴(kuò)散和滲透，并且有不同的載體內(nèi)置方式和修復(fù)劑品種等因素，所以從試驗中所測得的傳輸性能變化也存在不確定性，但對于添加修復(fù)劑的試件而言，自修復(fù)作用能提高水泥基材料的抗?jié)B性。Salmasi等[44]將枯草芽孢桿菌菌株作為一種新方法引入天然輕骨料混凝土，通過水泥砂漿的滲透系數(shù)對比，含細(xì)菌的試樣的滲透率降低幅度最大，與對照組(不含細(xì)菌的試樣)相比降低了44.3%。姚軍幫[58]研究用陶粒吸附硅酸鈉溶液置于水泥基體中，實驗結(jié)果表明試件的毛細(xì)吸水率在室外、養(yǎng)護(hù)室和浸泡3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中愈合養(yǎng)護(hù)后均有下降，并且3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下毛細(xì)吸水系數(shù)降低率依次增大。

水泥基材料裂縫的閉合是自愈合過程最直接的體現(xiàn)。大多數(shù)研究者用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對水泥基材料的表面裂縫閉合情況進(jìn)行觀察[49]。由此能夠得到裂縫閉合隨著養(yǎng)護(hù)時間變化的趨勢，但由于此方法僅能觀測外部裂縫閉合情況[48]?？梢岳肵射線計算機(jī)斷層掃描(X-CT)和中子射線照相技術(shù)來得到裂縫的內(nèi)部信息，進(jìn)而評價內(nèi)部裂縫的閉合情況。Wang[50]等通過X-CT觀察確定了水凝膠固化菌在混凝土中的修復(fù)產(chǎn)物。XCT結(jié)果表明，結(jié)晶沉淀析出不僅存在于裂縫中，而且還分布在整個試樣中。

無損檢測技術(shù)主要是通過超聲波脈沖、共振頻率和電化學(xué)阻抗譜[59]等來檢測水泥基體材料內(nèi)部的損傷[51]，通過采集波速、頻率、阻抗等物理信號的方式間接獲得水泥基材料的內(nèi)部信息，從而評價愈合效果。Ait[52]研究使用線性和非線性超聲波脈沖的方法監(jiān)測在局部裂紋下作為愈合劑的硅酸鈉溶液與水泥基體相互作用的演變。線性方法超聲波脈沖表明水泥基體彈性和聲學(xué)特性在愈合后的幾天內(nèi)幾乎完全恢復(fù)。非線性超聲脈沖證實力學(xué)性能的恢復(fù)是因愈合劑的存在，進(jìn)一步證實了硅酸鈉作為愈合劑在自愈合膠凝體系中的適用性。Nguyen[53]通過觀察裂紋寬度變化和測量共振頻率來研究復(fù)合材料的自愈合性能。試驗結(jié)果表明：在減小相對裂縫寬度方面，堿活化礦渣基復(fù)合材料優(yōu)于水泥基復(fù)合材料；在頻率恢復(fù)速率方面，水泥基復(fù)合材料的共振頻率恢復(fù)比堿活化的礦渣基復(fù)合材料更高。由于無損檢測技術(shù)在檢測過程中不會對試件產(chǎn)生破壞，故可以檢測同一試件在不同愈合養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)的裂縫愈合情況，進(jìn)而對裂縫的自愈合過程進(jìn)行連續(xù)性的評價。

愈合產(chǎn)物分析方面，常用的儀器主要有熱重分析儀(TGA)、X射線衍射分析儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜儀等。TGA通常用于確定材料的質(zhì)量增益或損失特性[60]。在自愈合研究中，可采用TGA對自愈劑的熱穩(wěn)定性和包封量進(jìn)行評價[54]。XRD和SEM常被用于分析裂縫處的愈合產(chǎn)物，Wang[46]在研究以硅酸鈉溶液作為愈合劑進(jìn)行水泥基復(fù)合材料修復(fù)時，采用SEM和XRD觀察到裂紋表面的愈合產(chǎn)物礦物主要是方解石。而傅里葉紅外光譜儀可用于測定沉積物的礦物成分[33]。

3 結(jié) 語

無機(jī)多孔輕骨料內(nèi)置愈合劑可以有效提高輕骨料自修復(fù)水泥基材料的裂縫自愈合能力，對于愈合效果的評價也有一些直接和間接的表征方法。然而，輕骨料自修復(fù)水泥基材料的相關(guān)研究還有許多工作要做，很多問題尚未得到根本性解決。如：(1)無機(jī)多孔載體的形狀、粒徑以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)對愈合劑吸附量的影響情況；(2)毛細(xì)吸附作用與愈合劑釋放量之間的關(guān)系；(3)載體與基體之間界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)分析；(4)無機(jī)多孔材料對水泥基材料宏觀性能的影響情況等一系列問題。

同時，在小尺寸試件的試驗研究中，特定的裂縫都是人為故意地設(shè)置在某些特定的位置，在這些特定位置引入自修復(fù)。但是實際上混凝土的裂縫或裂紋的形狀和尺寸是多變的，只要能滿足開裂條件裂縫能出現(xiàn)在多處。其次，目前雖然已經(jīng)有很多定性和定量評價愈合效果的手段，但多數(shù)評價方法都存在局限性，要根據(jù)不同水泥基材料的應(yīng)用環(huán)境選擇合適的手段，而且不同評價手段與愈合機(jī)制之間的聯(lián)系還未明確。這些問題的解決不僅有利于輕骨料自修復(fù)水泥基材料自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和完善，更有助于推進(jìn)自修復(fù)混凝土在工程實際中的運用。