混凝土裂縫自愈合的研究與進展

楊 卉（南華大學城市建設學院，湖南 衡陽421001）

1 引 言

混凝土結構失效的主要原因是微裂縫的擴展，所以及時對擴展裂縫進行修復就可以很好地減緩失效。但若采用人工修復技術不僅延誤了最佳修復時間，并且耗費人力財力。如果混凝土能在產(chǎn)生裂縫后立刻做出反應自行愈合，那么結構修復的經(jīng)濟性和有效性就會大大提高。

1925 年學者Abrams[1]第一個發(fā)現(xiàn)了混凝土的自行愈合現(xiàn)象，開裂試件在戶外放置8a 后愈合了裂縫，并提高了抗壓強度。這一發(fā)現(xiàn)使通過混凝土自愈合而修復結構變得可行。因此，一些學者開始進行混凝土裂縫自愈合的研究。

隨著國內(nèi)外學者在這方面的進一步研究顯示依靠混凝土本身的愈合能力不能達到理想的修復效果。于是人們開始尋求其他的方法來實現(xiàn)混凝土自己愈合裂縫的目的。比如目前研究較多的仿生自愈合技術。

基于混凝土自身的愈合機理，也有采用催化結晶涂料的自愈合方法，這種方法是通過催化混凝土中游離的鈣離子和未水化的水泥發(fā)生反應達到愈合裂縫的目的，目前投入使用的是一些防水水泥。更有學者研究了在水泥基中摻入耐堿微生物對水泥基試件愈合性能的影響。

自愈合混凝土有其研究的價值與意義，但是實現(xiàn)難度很大。國內(nèi)外部分學者進行了大量實驗研究， 已經(jīng)初步形成了幾種可行的研究方法，對混凝土材料的革命性變化產(chǎn)生了積極的推動作用。本文將介紹國內(nèi)外關于混凝土自愈合的研究情況，并進行簡要的總結與分析。

2 國內(nèi)外研究情況

2.1 混凝土本身的愈合能力

在混凝土裂縫自愈合研究的初期階段，主要是基于混凝土本身潛在的愈合能力的研究，實際體現(xiàn)在對于其機理和愈合效果的研究。

J.Stefan（1995）[2]將混凝土試件凍融破壞后，放置水中2 ～3 個月后混凝土幾乎能全部恢復損失的共振頻率，并且裂縫中有鈣礬石晶體和氫氧化鈣晶體。

此實驗是在有水環(huán)境中且產(chǎn)生了水泥水化產(chǎn)物，這說明混凝土自愈合可能的形成原因是混凝土中未水化完全的水泥再次水化。

國內(nèi)也有學者做了這方面的實驗和研究，并更進一步得到確切結論。程東輝、潘洪濤[3]對混凝土的這種自愈合現(xiàn)象的機理進行了研究，得出了其愈合的四方面原因，其中水泥漿體水化就是主要原因。且對于3mm 左右的裂縫，當其暴露于水環(huán)境大于600 小時，裂縫可以完全愈合。

但是可愈合的裂縫寬度在不同的情況下是否會改變該研究并未進行探索。于是又有學者在這方面展開了研究。

姚武、鐘慧[4]的研究發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合能力存在一個損傷閾值， 損傷小于損傷閾值時隨損傷的增大，自愈合率也增大；損傷大于損傷閾值則隨損傷的增大，自愈合率減小。

李厚祥、唐春安[5]等通過試驗分析得到了在一定水壓梯度下，一周后可能自愈合的混凝土裂縫寬度。結果表明，水壓梯度越大，裂縫自愈合所容許的寬度越小。

劉小艷[6]等對混凝土自愈合的性能做了試驗研究，試驗結果表明低等級水泥比高等級水泥同條件下的自愈合能力強，摻入粉煤灰和碳纖維對混凝土的愈合能力都有提高。這表明混凝土的成分會影響其愈合能力。

通過他們的研究可以看出，混凝土本身的愈合能力非常有限，不僅需要合適的濕度等條件，而且愈合較緩慢，即使改變混凝土的成分，對其愈合能力的提高也滿足不了預期修復水平。通過激發(fā)混凝土本身的愈合能力來修復結構可行性不大。

2.2 仿生自愈合混凝土

既然通過混凝土自身的能力無法達到快速修復的目的，人們開始探索通過人為的方法來實現(xiàn)。

1989 年日本高木俊宜教授將信息科學融合于材料的物性和功能提出了智能材料（Intelligent materials）概念，即能感知，能作出響應，并且具有學習能力等的新材料。而美國的R.E.Newnham 教授則更具體地提出具有其中一兩項功能的稱為機敏材料（Smart material）[7]。

實現(xiàn)材料智能化是未來的研究趨勢，研究者的目光開始轉向這一領域，因此有學者開始研究模仿生物的愈合現(xiàn)象來愈合材料的研究，而這種材料就被稱為仿生自愈合材料。其中仿生自愈合混凝土的研究思路大致分為三類：纖維管+膠粘劑；膠囊+膠粘劑；形狀記憶合金。

2.2.1 纖維管+膠黏劑

在仿生自愈合混凝土的初期研究中，一般的思路是模仿動物受傷后流出血液進行愈合，于是主要的模型是在纖維管中注入高強度的膠粘劑。

美國Carolyn Dry[8]在1990 年發(fā)表的文章中提出了一種混凝土裂縫自愈合的方法，即通過預埋含有膠粘劑的纖維，用加熱的方式啟動修復?？梢哉f這是仿生自愈合混凝土研究的開始。

Dry Carolyn[9]還嘗試了其他方法。他將多孔的纖維網(wǎng)預埋在磷酸鈣水泥（含單聚物）中，多孔纖維會釋放出引發(fā)劑，引發(fā)水泥中的單聚物反應形成高聚物，反應生成的水又進一步與水泥中未水化的粒子發(fā)生水化反應。另外，他試驗了一種由甲基丙烯酸甲酯（MMA），過氧化氫和鈷組成的修復系統(tǒng)，將MMA 與后兩種試劑中的一種混合注入纖維管，與注入了余下的另一試劑的纖維管同時預埋到混凝土中，纖維管隨混凝土開裂而破裂后三種試劑混合會形成強度極大的物質(zhì)從而修復裂縫。

同濟大學習志臻[10]等，分別采用聚氨酯、丙烯酸酯注入玻璃纖維管，預埋到水泥砂漿中，并用INSTRON 試驗機和聲發(fā)射儀測試其愈合后的性能，結果表明，兩者愈合效果明顯，且采用聚氨酯的自愈合系統(tǒng)能夠更好地愈合裂縫。

哈爾濱工業(yè)大學匡亞川[11]，進行了修復纖維力學參數(shù)的確定，然后分別以氯丁橡膠、α-氰基丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂三種膠粘劑注入玻璃纖維管預埋到混凝土梁中進行實驗，試驗結果顯示采用氯丁橡膠愈合效果不理想，α-氰基丙烯酸酯不能達到愈合效果，而環(huán)氧樹脂可以較好地愈合裂縫，但是因為不能保證雙管同時破裂而有待改善。

張妃二[12]等將SJ 膠的大直徑空心光纖預埋到混凝土中進行試驗，結果表明，SJ 膠修復后的混凝土拉伸、壓縮、彎曲試件強度分別是原值的1/3、2/3、5/3。

這一模式直接有效，但是一方面難以施工，另一方面難以實現(xiàn)二次修復，并且在膠粘劑和容器的選擇上還需要更為具體地研究。

2.2.2 膠囊+膠粘劑

對膠粘劑容器進行改革，產(chǎn)生了一種新的仿生自愈合方法，即以膠囊包裹膠粘劑，分散在混凝土中。這種方法比用纖維管更能將修復劑分布均勻，能使修復液覆蓋區(qū)域更廣，從而更迅速地到達破損位置。

日本三橋博三等[9]將注有膠粘劑（分別是水玻璃，環(huán)氧樹脂等）的空心膠囊摻入混凝土中，當混凝土開裂，膠囊隨之破裂，膠粘劑流出對裂縫進行修復。

哈爾濱工業(yè)大學歐進萍、匡亞川[13]研究了一種內(nèi)置膠囊混凝土，根據(jù)混凝土破壞機理確定了膠囊的破壞應力，并利用ANSYS 對修復膠囊進行了有限元分析，最后進行了試驗，用注入α-氨基丙烯酸脂膠粘劑的玻璃膠囊摻入混凝土中，能夠達到一定的自愈合效果。

這一方法比上一個方法有提高的地方，比如它可以分步更均勻，基本可以實現(xiàn)二次裂縫修復，但是仍然沒有很好地解決投入實際工程中將要面臨的問題。比如攪拌混凝土時無法保證膠囊不破裂，膠囊對混凝土性能的影響研究還不全面，需要進一步確定對應力做出合適反應的膠囊容器材料等。

2.2.3 形狀記憶合金

形狀記憶合金（簡稱SMA）具有形狀記憶效應和超彈性性能。根據(jù)需要，SMA 元件可以在100℃以下的某個設定溫度產(chǎn)生動作，實現(xiàn)對設備或裝置的自動控制或保護；也可以按作用力的大小設計SMA 驅動元件，驅動元件的動作反應時間可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

因為SMA 的這種性能，它被應用到了自愈合混凝土的研究中，以期通過溫度或者應力控制來達到混凝土感知，并進行反應的目的。

陶寶祺[14]等研究了利用SMA 和液芯光纖對復合材料結構中的損傷進行自診斷、自修復的方法。采用直徑為0.05mm 的SMA 絲和分別裝有環(huán)氧樹脂和固化劑的光纖（稱為液芯光纖），通過激勵SMA 絲對液芯光纖產(chǎn)生壓力使膠液流出，且通電的SMA 放出熱量可以促進膠液的流動和固化。

蘭州理工大學狄生奎、李慧[15]等通過試驗研究了混凝土梁在加載過程中Ni-Ti SMA 絲電阻變化率與混凝土梁裂縫寬度的關系，及通電激勵SMA 絲恢復混凝土裂縫的變化規(guī)律。結果表明，在0.3mm 范圍內(nèi)SMA 更為敏感，通電激勵SMA 絲能夠很好地愈合混凝土裂縫。

崔迪[16]等將SMA 絞線作為主筋埋入混凝土梁中，對其和普通鋼筋混凝土梁采用跨中單點加載試驗測試對比其力學性能，結果表明，這種梁比普通鋼筋混凝土梁在開裂后能承擔的力更大，且SMA 絞線可以減小混凝土梁的殘余變形和殘余裂縫。

日 本Yuji Sakai 等[9]將 直 徑2mm 的 超 彈SMA 預埋在砂漿梁中，進行三點彎曲實驗，與普通梁比較，SMA 提高了梁的變形能力，卸載之后，SMA 梁的變形幾乎全部恢復了。

采用SMA 可以對混凝土變形起到一定的恢復作用，并且可與其他方法結合，具有一定的發(fā)展前景。

2.3 在水泥基中摻入特殊材料

由混凝土天然愈合能力的研究引發(fā)了人們對激發(fā)混凝土潛在愈合功能的興趣。繼而有學者進行了這方面的開發(fā)研究。通過摻入抗?jié)B結晶防水劑可以在有水環(huán)境中促使水泥漿中未水化的粒子迅速水化就是其中的一種較為成熟的方法。

余劍英、李旺林等[17]利用平板法試驗使混凝土形成不同寬度的裂縫，通過后期養(yǎng)護來直觀表征滲透結晶型防水材料對混凝土裂縫自愈合能力的影響。結果表明，滲透結晶型防水材料對混凝土初期宏觀裂縫有明顯的抑制作用。且該防水材料為水泥摻量的1%時已經(jīng)具有良好的裂縫自愈合能力。

王桂明等[18]對摻有催化結晶型抗?jié)B涂料的水泥砂漿試件進行了抗?jié)B性能試驗，孔隙率測試，研究了其力學性能和自修復性。試驗結果說明這種涂料可以顯著增強水泥基的力學性能，并對試件具有很強的養(yǎng)護自愈合功能。

國外也有學者進行了在水泥基中摻入微生物已達到自愈合目的的研究[19]：

Navarro 等研究微生物修復已發(fā)生老化的石灰石裝飾表面裂縫的功效。繼而，Bang 等研究微生物修復水泥基材料表面裂縫的功效，他采用巴氏芽孢桿菌和兩種經(jīng)過細胞重組的大腸桿菌，進行對比實驗，發(fā)現(xiàn)尿素酶在微生物結晶過程中起到至關重要的作用。其對微生物形成的礦物沉積進行掃描電鏡分析和X 射線衍射分析的結果表明礦物沉積的成份是方解石。

Jonker 等人采用好氧的嗜堿芽孢桿菌摻入到水泥凈漿和水泥膠砂中做成試件，將試件在培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，結果表明摻了該細菌的試件表面出現(xiàn)大量晶體，且力學性能大大提高。

Ramachanelran 進行的試驗對比了綠膿桿菌和巴氏包桿菌對水泥基試件的影響，結果說明綠膿桿菌的礦物沉積遠遠低于巴氏包桿菌。

采用抗?jié)B涂料等可以對混凝土裂縫起到較好的愈合作用。但是還不能對深裂縫進行很好的修復，所以暫時只用于表面裂縫的修復。而加入嗜堿微生物可以促進礦物沉積從而在一定程度上修復裂縫，但是實際應用中混凝土不能滿足微生物的生存條件，且微生物起到的修復作用還不能滿足修復結構的要求。

3 結 語

從發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合能力開始，國內(nèi)外學者找到了研發(fā)新型混凝土的新途徑，隨之而展開的科研漸漸形成了自愈合型混凝土的雛形，但要實現(xiàn)工程應用仍需要更多的深入研究，自愈合混凝土尚未成熟。智能混凝土是未來的發(fā)展方向，研發(fā)出可用于工程實踐的機敏混凝土是第一步，隨著材料科學的發(fā)展，更多新材料的發(fā)現(xiàn)與使用，研制智能混凝土的目標終會實現(xiàn)。

目前所研究的自愈合混凝土中，仍然存在著需要解決的問題：

1）自愈合混凝土一般采用膠粘劑進行修復，而啟動修復的問題至今還沒有得到完美的解決方法。有采用加熱方法，通電SMA 啟動，通過容器與混凝土力學性能相匹配而進行機械力學啟動等，在實際應用中都是有難度的。

2）膠粘劑的選擇，目前已經(jīng)有一些愈合效果較好的膠粘劑，但是并非理想，環(huán)氧樹脂效果好但是雙組分給實際應用帶來了不可忽略的問題。

3）容器的選擇。首先是容器的材料，目前有采用玻璃，也有采用光纖，主要還是要與混凝土力學性能匹配，并且不會對混凝土構件強度產(chǎn)生不利影響。然后是容器的形狀，如何能使修復試劑更快更充分地達到需要修復的位置，并且方便施工，這些都是是需要進一步改進的。

4）修復劑只能一次性使用，當二次受損將不具有自愈合的性能。

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