多因素影响下超高性能混凝土的自修复性能研究
任天濠，欧阳利军，高宏宇，皮娅洁，张开弥
（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）
传统的修复混凝土裂缝方式主要有灌浆法、表面修补法、结构加固法和混凝土置换法等[1-4]。相比普通混凝土，超高性能混凝土（UHPC）作为一种新型的水泥基复合材料以其结构致密、力学性能优异和耐久性好等特点，被广泛运用于混凝土结构节点连接处和既有混凝土结构的维修加固[5-6]。但UHPC 在服役期间受外界环境的影响出现裂缝后能否进行自修复，且影响其自修复性能的因素尚未进行系统研究。
目前，国内外学者对水泥基材料的裂缝自修复现象、技术和影响因素等进行了大量的试验研究。姚武等[7]发现当水泥基试件处于水养环境时，水泥基材料的自修复与碳酸钙的生成息息相关。Xu 等[8]使用橡胶颗粒负载芽孢杆菌制备试件，并观察28d 前后不同宽度裂缝的修复情况，发现宽度在0.86mm 以下的裂缝被完全修复。张春梅等[9]将微胶囊掺入水泥基材料并测试了修复前后的抗压强度，发现掺微胶囊水泥基材料的抗压强度修复率显著提高。Tennkhajornkit 等[10]对掺粉煤灰水泥基试件的裂缝修复物质进行了微观分析，证明了粉煤灰的掺入可提高水泥基材料的自修复性能。
本文将不同硅灰掺量的UHPC 试件经热水养护后的初始力学性能作为对照组，以预损伤后并经热水养护、常温水养和热水—干热养护的UHPC 抗压和抗拉强度修复率来表征其自修复效果，探究硅灰掺量和养护制度对UHPC 自修复性能的影响规律，对UHPC 的工程实际应用具有重要意义。
1.1 原材料选择
采用P-II52.5 级水泥，比表面积为377m2/kg；
粒径范围0.25～2.00mm 的石英砂；
最大SiO2含量为97.19%的硅灰；
高效减水剂；
普通自来水；
抗拉强度2900MPa 的钢纤维。
1.2 UHPC 制备及养护
本试验以0、15%、20%、25%和30%五种硅灰掺量制备了42 个100mm×100mm×100mm 立方体试件，42 个368mm×100mm×50mm 哑铃型试件。试件全部放入恒温水浴养护箱中进行热水养护，具体的养护方式如表1 所示。
表1 UHPC 养护制度
2.1 热水养护条件下UHPC 的初始力学性能
硅灰掺量对UHPC 强度提高率的影响如图1 所示。由图1 和表2 可知，在热水养护条件下，UHPC 初始抗压和抗拉强度随硅灰掺量的增加呈现先上升再下降的趋势。当硅灰掺量由0 提升至15%时，初始抗压和抗拉强度分别提升了24.69%和28.31%；
当硅灰掺量由15%提升至20%时，初始抗压和抗拉强度仍有大幅提升，说明硅灰掺量在20%以内时对UHPC 的强度有较大提高；
当硅灰掺量由20%提升至30%时，初始抗压和抗拉强度基本不变，此时硅灰掺量增加对UHPC 的强度提升并不明显。
图1 硅灰掺量对UHPC 强度提高率的影响
表2 不同硅灰掺量UHPC 初始抗压和抗拉强度与修复后抗压和抗拉强度的对比
2.2 不同硅灰掺量的UHPC 在热水养护下基本力学性能的自修复效果
将热水养护的UHPC 试件加载至相应极限荷载的30%作为预损伤试件，并重新进行热水养护。在修复完成后再进行抗压和抗拉试验，并将试验数据代入公式（1）求出各试件的强度修复率，具体的计算结果分别如表2所示。
硅灰掺量对UHPC 强度修复率的影响如图2 所示。由图2 和表2 可知，当硅灰掺量从0 增加至15%时，UHPC 的抗压强度修复率提升明显，修复率从73.16%提升至98.13%；
当硅灰掺量从15%增加至20%时，UHPC 修复后抗压强度开始超过初始抗压强度，修复率提升至101.42%；
当硅灰掺量从20%增加至30%时，UHPC 修复后抗压强度始终高于初始抗压强度，修复率基本不变，保持在102%左右。
图2 硅灰掺量对UHPC 强度修复率的影响
由表2 可以看出，当硅灰掺量从0 增加至15%时，抗拉强度修复率从71.86%提升至87.85%，但随着硅灰掺量的进一步增加，抗拉强度修复率基本不变，维持在85%左右。由图2 可知，当预损伤为极限荷载的30%时，随着硅灰掺量的增加，UHPC 抗压和抗拉强度修复率均呈现先提高后基本不变的特征，抗压和抗拉强度修复率的峰值分别在硅灰掺量为20%和15%时取得，说明硅灰掺量过高时，对UHPC 自修复性能的提升效果不明显。
2.3 相同硅灰掺量的UHPC 试件在不同养护制度下基本力学性能的自修复效果
分别对硅灰掺量为20%的UHPC 立方体和哑铃型试件进行相应30%极限荷载的预损伤，并将预损伤后的试件进行常温水养和热水—干热养护，具体养护方式如表1 所示。测试相应养护制度下UHPC 试件修复后的抗压和抗拉强度，并与初始抗压和抗拉强度进行对比分析，得到UHPC 试件在不同养护制度下的修复率。
由图3 可知，常温水养使得预损伤UHPC 的修复后抗压强度为118.65MPa，仅为初始抗压强度的74.38%；
预损伤试件经热水养护后，抗压强度恢复至161.79MPa，强度修复率达到了101.42%；
预损伤试件经热水—干热养护后抗压强度恢复至166.71MPa，强度修复率达到了104.51%。不同养护制度修复后UHPC 试件的受压破坏形态，如图4 所示。
图3 不同养护制度下UHPC 的修复后抗压强度
图4 不同养护制度修复后UHPC 试件的受压破坏形态
由图5 可知，常温水养使得预损伤UHPC 的修复后抗拉强度为6.91MPa，强度修复率仅为72.81%；
预损伤试件经热水养护后，其抗拉强度修复至8.28MPa，强度修复率达到了87.25%；
预损伤试件经热水—干热养护后，其修复后抗拉强度为8.15MPa，强度修复率达到了85.88%。不同养护制度修复后UHPC 试件的受拉破坏形态，如图6 所示。
图5 不同养护制度下UHPC 的修复后抗拉强度
图6 不同养护制度修复后UHPC 试件的受拉破坏形态
高温高湿环境可有效提高UHPC 的自修复性能，热水养护和热水—干热养护使得UHPC 抗压强度修复率达到了100%以上，抗拉强度修复率为86%左右。相比常温水养，热水养护使得UHPC 抗压和抗拉强度修复率分别提高了27.04%和14.44%，热水—干热养护则使抗压和抗拉强度修复率分别提高了30.13%和13.07%。
（1）当硅灰掺量在20%以内时，UHPC 的初始抗压强度随硅灰掺量的增加而提高，且硅灰掺量为20%的试件初始抗压强度为159.52MPa，比未掺硅灰时提高了40.73%；
当硅灰掺量在25%以内时，UHPC 的初始抗拉强度随硅灰掺量的增加而提高，且硅灰掺量为25%的试件初始抗拉强度为9.65MPa，比未掺硅灰时提高了63.56%。
（2）当硅灰掺量从0 增加至15%时，UHPC 的自修复性能提升明显，抗压和抗拉强度修复率分别提高了24.97%和15.99%；
当硅灰掺量高于20%后，强度修复率基本不变。
（3）高温高湿环境可有效提高UHPC 的自修复性能。预损伤试件经热水养护后，抗压和抗拉强度修复率分别为101.42%和87.25%；
预损伤试件经热水—干热养护后，抗压和抗拉强度修复率分别为104.51%和85.88%。
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