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摘要：本文从自修复混凝土中内置玻璃短管的渗入不同的参数值的理论和力学试验，来解释在掺入不同长度、不同管径、不同掺量玻璃短管的自密实混凝土标准试块下，自修复混凝土的力学性能的变化。通过分别渗入不同参数的玻璃短管试块和不掺玻璃短管的试块的力学性能进行比较，分析产生这些影响的原因,然后得出合宜的玻璃短管几何参数和合理的短管掺量,为自修复混凝土在工程实践中的应用提供参考依据。
关键词：自修复混凝土；玻璃短管；力学性能；影响；
1. 前言
混凝土是土木工程最主要的材料之一，而且随着对混凝土材料的探索和发展，从普通混凝土走向高强与高性能混凝土，现在更是朝着多功能和智能化方向发展。由于混凝土材料特别是高强与高性能混凝土，内部固有脆性大的缺陷，容易震荡开裂。而混凝土的开裂对结构的耐久性影响巨大，可能造成对结构的破坏，不但造成了巨大的经济损失，也埋下了安全隐患。以往，对这类混凝土开裂现象采取事后维修工作，这种被动的修补、加固已经不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料的要求。通过现代科学新技术的开发与研究，新型的自修复混凝土应运而生。自修复混凝土的出现，实现主动、自动地对损伤部位的混凝土进行修复, 恢复并提高混凝土材料的性能, 是土木建材走向智能化的又一重要实践。
自修复一词来源于生物的本身特征，自修复的核心是能量和物质的及时补给。自修复混凝土是以仿生学理论为基础，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损坏具有一定的自修复和再生功能，能够恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。自修复混凝土的作用原理是，通过内含修复剂的空心玻璃短管和混凝土，当材料内部发生一定程度上的损伤时, 能够通过释放自身的修复剂来填充和愈合混凝土的裂缝,使开裂区的强度得到恢复甚至提高, 从而进行自我修复。
2. 内置空心胶囊的自修复混凝土
自修复混凝土的仿生理论：生物通过长期的进化过程，形成了自我保护,自我恢复的本能。如动物骨骼来说，骨折后断裂处的血管破裂,血液由血管的撕裂处流出, 形成以裂口为中心的血肿, 继而成为血凝块, 初步将裂口连接, 接着, 裂口附近的骨内膜和骨外膜开始增生和加厚, 然后中间骨痂和内外骨痂合并, 在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下, 将原始骨痂逐渐改造成为正常骨。
与此相类似，自修复混凝土的研制是从动物的自修复能力为启发。美国Illinois大学的Dry Carolyn教授设想具有自修复行为的混凝土的智能模型为：在混凝土基体中渗入内含修复胶结剂的空心胶囊, 也可以渗入短的纤维管, 胶囊或管中掺有修复剂, 从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。在外界作用下, 混凝土基体一旦开裂, 管内装的修复剂流出渗入裂缝, 由化学作用修复剂固结, 从而抑制开裂, 修复裂缝。
研究玻璃修复短管对混凝土力学性能影响相当重要。作为结构材料的混凝土为受力部件，必须承担各种形式荷载。空心玻璃修复短管作为自修复混凝土组成的核心，是决定自修复混凝土技术能否具有实用价值的首要前提，所以分析研究内置的空心玻璃修复短管对自修复混凝土力学性能的影响为更好利用自修复混凝土材料的重要指导。
修复短管的几何参数包括短管的直径、壁厚和长度, 是选择修复短管的重要指标, 都对混凝土的修复性能影响巨大。修复短管需要有一定的长度和内径来保证管中能容纳足够的修复胶结剂以修复混凝土裂缝, 同时, 它还要有一定的长度, 以保证修复短管与混凝土之间有足够的粘结力。而修复短管的长度和内径要求要合理，一方面, 如果修复短管太长, 其在混凝土搅拌, 振捣形成的过程中破坏的可能性增加。另一方面, 修复短管破裂后, 管中的修复胶结剂自动流出, 在混凝土构件中形成空洞, 修复短管越长、管径越粗, 形成的空洞越大, 这将影响混凝土的使用性能, 最终影响修复效果。贮胶容器的体积率也影响混凝土材料的修复, 太少不能形成完全修复, 多了又可能对混凝土材料的宏观性能有影响。
3. 试验一：玻璃短管的掺量对混凝土力学性能的影响
本试验采用32.5R的普通硅酸盐水泥；中砂（细度模数2.23，表观密度为2650kg/m3）；花岗岩碎石（5~20mm连续级配，表观密度为2665kg/m3）；清洁饮用水；1级粉煤灰；复合外加剂（FDN蔡系高效减水剂为主,自行配制）。该试验设一对照試验为：不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块试验。试验通过改变空心玻璃短管掺入的体积率,分别与不掺任何玻璃容器的试件对比,来观察它们对混凝土试件的抗压强度、劈拉强度和弹性模量所造成的影响。通过立方体试块抗压强度、劈拉强度和弹性模量的变化,确定玻璃短管体积率对混凝土力学性能的影响。本次试验的加载速度、试验处理等关键问题的取值原则均与普通混凝土试验方法标准相同。
（1） 玻璃短管体积掺量对抗压强度的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其p抗压强度分别下降了1.25%、6.13%、9.47%、17.28%。
（2） 玻璃短管体积掺量对劈拉强度的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其p劈拉强度分别下降了13.66%、16.86%、22.67%、31.10%。
（3） 玻璃短管体积掺量对混凝土弹性模量的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其Et值分别下降了2.79%、6.27%、8.83%、11.11%。
通过以上三个试验对比分析，玻璃短管的体积掺量对自修复混凝土的抗压强度、劈拉强度、以及混凝土的弹性模量都有影响，其中对劈拉强度的影响最为显著。分析其中原因有：一、玻璃短管的渗入, 代替了混凝土内部部分粗细骨料, 削弱了混凝土的内部骨架, 进一步降低了混凝土原本已较弱的抗拉能力。二、玻璃短管的表面与水泥浆界面的粘结强度比粗细骨料和水泥浆界面的粘结强度更低, 在压力作用时, 这个薄弱的粘结界面还不至于完全破坏, 但受拉力作用时, 这个粘结界面将首先被撕裂, 急剧导致了混凝土抗拉强度的降低。玻璃短管对混凝土弹性阶段的影响并不显著, 玻璃短管对混凝土力学性能的影响主要还是在塑性阶段。此外，综合以上试验数据，考虑到修复短管掺量对混凝土抗拉强度的影响和混凝土裂缝的修复效果, 修复短管的掺量应该在2.5%左右较为适宜,能够保证混凝土的抗拉强度和充足的胶粘剂。
4. 试验二：玻璃短管的几何参数对混凝土力学性能的影响
试验材料同试验一，该试验比较玻璃短管的几何参数对混凝土抗压强度、劈拉强度的影响以及玻璃短管的长度、管径对混凝土弹模的影响。结果表明：不论管径的大小如何, 在相同管径的情况下,长度较长时（如设的20、25、30mm的玻璃短管）对弹性模量的影响不大。而随着短管的长度增加,混凝土的抗压强度和劈拉强度的降低趋势都不是单调的,表现为当管径从小到大变化时, 抗压强度的降低率先减小后增加,劈拉强度降低率则随着外径增大而下降, 说明有一个最佳长度的玻璃短管,玻璃段短管的尺寸最佳，性能最好。
关键词：自修复混凝土；玻璃短管；力学性能；影响；
1. 前言
混凝土是土木工程最主要的材料之一，而且随着对混凝土材料的探索和发展，从普通混凝土走向高强与高性能混凝土，现在更是朝着多功能和智能化方向发展。由于混凝土材料特别是高强与高性能混凝土，内部固有脆性大的缺陷，容易震荡开裂。而混凝土的开裂对结构的耐久性影响巨大，可能造成对结构的破坏，不但造成了巨大的经济损失，也埋下了安全隐患。以往，对这类混凝土开裂现象采取事后维修工作，这种被动的修补、加固已经不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料的要求。通过现代科学新技术的开发与研究，新型的自修复混凝土应运而生。自修复混凝土的出现，实现主动、自动地对损伤部位的混凝土进行修复, 恢复并提高混凝土材料的性能, 是土木建材走向智能化的又一重要实践。
自修复一词来源于生物的本身特征，自修复的核心是能量和物质的及时补给。自修复混凝土是以仿生学理论为基础，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损坏具有一定的自修复和再生功能，能够恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。自修复混凝土的作用原理是，通过内含修复剂的空心玻璃短管和混凝土，当材料内部发生一定程度上的损伤时, 能够通过释放自身的修复剂来填充和愈合混凝土的裂缝,使开裂区的强度得到恢复甚至提高, 从而进行自我修复。
2. 内置空心胶囊的自修复混凝土
自修复混凝土的仿生理论：生物通过长期的进化过程，形成了自我保护,自我恢复的本能。如动物骨骼来说，骨折后断裂处的血管破裂,血液由血管的撕裂处流出, 形成以裂口为中心的血肿, 继而成为血凝块, 初步将裂口连接, 接着, 裂口附近的骨内膜和骨外膜开始增生和加厚, 然后中间骨痂和内外骨痂合并, 在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下, 将原始骨痂逐渐改造成为正常骨。
与此相类似，自修复混凝土的研制是从动物的自修复能力为启发。美国Illinois大学的Dry Carolyn教授设想具有自修复行为的混凝土的智能模型为：在混凝土基体中渗入内含修复胶结剂的空心胶囊, 也可以渗入短的纤维管, 胶囊或管中掺有修复剂, 从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。在外界作用下, 混凝土基体一旦开裂, 管内装的修复剂流出渗入裂缝, 由化学作用修复剂固结, 从而抑制开裂, 修复裂缝。
研究玻璃修复短管对混凝土力学性能影响相当重要。作为结构材料的混凝土为受力部件，必须承担各种形式荷载。空心玻璃修复短管作为自修复混凝土组成的核心，是决定自修复混凝土技术能否具有实用价值的首要前提，所以分析研究内置的空心玻璃修复短管对自修复混凝土力学性能的影响为更好利用自修复混凝土材料的重要指导。
修复短管的几何参数包括短管的直径、壁厚和长度, 是选择修复短管的重要指标, 都对混凝土的修复性能影响巨大。修复短管需要有一定的长度和内径来保证管中能容纳足够的修复胶结剂以修复混凝土裂缝, 同时, 它还要有一定的长度, 以保证修复短管与混凝土之间有足够的粘结力。而修复短管的长度和内径要求要合理，一方面, 如果修复短管太长, 其在混凝土搅拌, 振捣形成的过程中破坏的可能性增加。另一方面, 修复短管破裂后, 管中的修复胶结剂自动流出, 在混凝土构件中形成空洞, 修复短管越长、管径越粗, 形成的空洞越大, 这将影响混凝土的使用性能, 最终影响修复效果。贮胶容器的体积率也影响混凝土材料的修复, 太少不能形成完全修复, 多了又可能对混凝土材料的宏观性能有影响。
3. 试验一：玻璃短管的掺量对混凝土力学性能的影响
本试验采用32.5R的普通硅酸盐水泥；中砂（细度模数2.23，表观密度为2650kg/m3）；花岗岩碎石（5~20mm连续级配，表观密度为2665kg/m3）；清洁饮用水；1级粉煤灰；复合外加剂（FDN蔡系高效减水剂为主,自行配制）。该试验设一对照試验为：不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块试验。试验通过改变空心玻璃短管掺入的体积率,分别与不掺任何玻璃容器的试件对比,来观察它们对混凝土试件的抗压强度、劈拉强度和弹性模量所造成的影响。通过立方体试块抗压强度、劈拉强度和弹性模量的变化,确定玻璃短管体积率对混凝土力学性能的影响。本次试验的加载速度、试验处理等关键问题的取值原则均与普通混凝土试验方法标准相同。
（1） 玻璃短管体积掺量对抗压强度的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其p抗压强度分别下降了1.25%、6.13%、9.47%、17.28%。
（2） 玻璃短管体积掺量对劈拉强度的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其p劈拉强度分别下降了13.66%、16.86%、22.67%、31.10%。
（3） 玻璃短管体积掺量对混凝土弹性模量的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其Et值分别下降了2.79%、6.27%、8.83%、11.11%。
通过以上三个试验对比分析，玻璃短管的体积掺量对自修复混凝土的抗压强度、劈拉强度、以及混凝土的弹性模量都有影响，其中对劈拉强度的影响最为显著。分析其中原因有：一、玻璃短管的渗入, 代替了混凝土内部部分粗细骨料, 削弱了混凝土的内部骨架, 进一步降低了混凝土原本已较弱的抗拉能力。二、玻璃短管的表面与水泥浆界面的粘结强度比粗细骨料和水泥浆界面的粘结强度更低, 在压力作用时, 这个薄弱的粘结界面还不至于完全破坏, 但受拉力作用时, 这个粘结界面将首先被撕裂, 急剧导致了混凝土抗拉强度的降低。玻璃短管对混凝土弹性阶段的影响并不显著, 玻璃短管对混凝土力学性能的影响主要还是在塑性阶段。此外，综合以上试验数据，考虑到修复短管掺量对混凝土抗拉强度的影响和混凝土裂缝的修复效果, 修复短管的掺量应该在2.5%左右较为适宜,能够保证混凝土的抗拉强度和充足的胶粘剂。
4. 试验二：玻璃短管的几何参数对混凝土力学性能的影响
试验材料同试验一，该试验比较玻璃短管的几何参数对混凝土抗压强度、劈拉强度的影响以及玻璃短管的长度、管径对混凝土弹模的影响。结果表明：不论管径的大小如何, 在相同管径的情况下,长度较长时（如设的20、25、30mm的玻璃短管）对弹性模量的影响不大。而随着短管的长度增加,混凝土的抗压强度和劈拉强度的降低趋势都不是单调的,表现为当管径从小到大变化时, 抗压强度的降低率先减小后增加,劈拉强度降低率则随着外径增大而下降, 说明有一个最佳长度的玻璃短管,玻璃段短管的尺寸最佳，性能最好。