同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队近日于Cement and Concrete Composites 期刊（IF=9.93，JCR一区，Top期刊）发表的最新研究成果 Autogenous self-healing of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete with varying silica fume dosages: Secondary hydration and structural regeneration。

本项研究由同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队完成，第一通讯单位为同济大学材料科学与工程学院教育部先进土木工程材料重点实验室，本文第一作者为同济大学郑乔木博士，第二作者为同济大学李晨助理教授，通讯作者为同济大学蒋正武教授，

确保在复杂的负载和环境条件下的可用性是现代混凝土结构面临的主要挑战之一。凭借优异的力学性能和耐久性能，超高性能混凝土（UHPFRC）被认为解决该议题的关键。二次水化是损伤胶凝材料自愈合的主要动力，直接影响损伤胶凝材料裂缝的闭合。在纤维增强水泥复合材料的自愈合过程中，二次水化作用也主导了纤维-基体界面的再生。硅灰（SF）作为影响水泥水化的重要因素，对胶凝材料及复合材料的自愈合性能起着至关重要的作用。

本文研究了两个问题:1)SF如何影响UHPFRC硬化前和开裂后的水化?SF能否通过加速二次水化来促进裂缝的闭合? 2) SF如何影响开裂的水泥基质和受损的纤维-基质界面中愈合产物的形成?这些裂缝愈合行为是如何与力学性能的恢复相关联的? 为了解决这些问题，通过目视观察统计检查裂纹闭合情况。结构再生通过弯曲性能的恢复和声发射(AE)描述符进行评估。通过热重分析(TGA)和x射线衍射(XRD)测试研究了其裂缝水化过程和自愈相组合。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能谱仪(EDS)对裂纹的微观结构变化进行了分析。根据我们的实验结果和先前发表的研究，提出并讨论了SF影响UHPFRC自愈的机制。

结果发现，掺量为10%时，SF促进水泥水化；而≥20%的SF则通过吸水成团和降低孔溶液的碱性，使水泥硬化后的初始水化程度相对降低。预裂后，当外部水分充足时，水泥颗粒表面剩余的SF颗粒加速了水泥的二次水化，这种效应促进了UHPFRC裂缝的闭合（表1）。

表1 水泥基体在内裂纹表面的水化物相组合和水化程度

   氢氧化钙（CH）、钙矾石和AFm是低硅灰掺量试样内部裂纹的主要自愈相，而在SF掺量>20%的试样中不存在。CH几乎被火山灰反应完全消耗，而钙矾石和AFm由于低钙C-S-H对Al的吸收而无法生成（图1）。与水泥熟料中的SiO₂不同，未反应SF中的可溶性无定形SiO₂更容易溶解并释放到裂缝溶液中。裂缝中形成了较多的低钙C-S-H，而非仅仅占据水泥颗粒原有的空间，从而促进裂纹闭合（图2）。

图1. 对比水泥基体中C-S-H的Ca/Si和Al/Si比，裂缝口处5mm处形成的愈合产物和裂缝口处析出的愈合产物（HP为愈合产物的缩写）

图2. UHPFRC裂纹的微观组织自愈合(a-b) SF0和SF3试件裂纹内表面暴露的未水化水泥颗粒在7d时的再水化和溶解，(c-d)裂纹内水化生长和碳酸钙沉淀，(e-f) SF3试件裂纹在28d时的自愈合

在裂纹口处，碳酸钙是主要的愈合产物，但在SF掺量>20%的试样中，由于剩余SF释放出的可溶性无定形SiO₂提前消耗了Ca²⁺，碳酸钙的沉积被推迟。由于裂纹口闭合速度较慢，CO₃^2-和HCO₃^-能够充分进入到更深的裂纹区域析出碳酸钙（图3）。

图3. 再养护28d后裂纹沿深度的微观组织自愈;(a-b) SF0试件裂纹口，(c-d) SF3试件裂纹口，(e-f) SF0试件裂纹口深度5mm的裂纹区域，(g-h) SF3试件裂纹口深度5mm的裂纹区域

当SF添加量≥20%时，界面增韧效应导致钢纤维表面保留了更多的基体残余物。含SF的钢纤维表面具有较高的亲水性和粗糙度，损伤的纤维-基体界面再生效果较好，这种现象通过声发射技术得到了证实（图4）。裂纹的闭合和纤维-基体界面的再生共同导致了UHPFRC抗弯性能的恢复。基体裂纹的自愈合越深，损伤纤维-基体界面的再生越好，其挠度容量和弯曲韧性的恢复效率越高（图5）。

图4. 预裂和再加载下的振幅;(a) SF0，(b) SF1，(c) SF2，(d) SF3

图5. 弯曲性能恢复的效率η指数; (a) SF0，(b) SF1，(c) SF2，(d) SF3

本项研究成果受到国家自然科学基金的资助和经费支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直致力低碳先进土木工程材料可持续化理论与方法的研究主线，近5年累计在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文70余篇。
本项研究成果已在线发表在Cement and Concrete Composites 期刊，欢迎大家点击原文链接下载浏览。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095894652200498X