自愈合及自修復(fù)混凝土研究進(jìn)展

◎鄭丹萌

道路修建過程中，會用到各種各樣的材料，其中混凝土就是應(yīng)用最為廣泛的一種，在當(dāng)前道路修建中起到了重要的作用?；炷翍?yīng)用非常廣泛普遍，其原材料生產(chǎn)豐富、價格較低、生產(chǎn)工藝簡單，受到施工單位青睞，在混凝土的發(fā)展過程中，其工藝技術(shù)越來越成型，經(jīng)過百年發(fā)展，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)的土木工程中得到了最廣泛的應(yīng)用，特別是當(dāng)前的社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)況下，混凝土在各工程領(lǐng)域都有著重要的價值呈現(xiàn)?；炷岭m然具備一定的優(yōu)點，但是，也存在一些不足，如脆性大、抗拉強度低、對裂縫敏感，另外，長時間荷載、溫度變化及結(jié)構(gòu)效應(yīng)因素也會造成混凝土出現(xiàn)問題，一般情況下，混凝土最容易出現(xiàn)的問題是裂縫現(xiàn)象。如果混凝土出現(xiàn)了裂縫，不但影響外形的美觀，更會減少強度，混凝土耐久性、承載力將會降低，無法保證建設(shè)工程的安全與穩(wěn)定。只有在發(fā)現(xiàn)問題后及時進(jìn)行修復(fù)處理，才能有效提高安全性，因此說，從最初狀態(tài)全面修復(fù)混凝土裂縫，就能夠避免出現(xiàn)問題擴散，最大程度的保護(hù)建筑工程，修復(fù)工作顯得十分必要?；炷列迯?fù)是一項復(fù)雜的工程，在其建設(shè)時，投入量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是勞動密集型工程，要想全面得以修復(fù)，其成本是非常高的，如果進(jìn)行修復(fù)，不但需要一定的時間，還影響到建筑工程的使用。有一些建筑物的裂縫是不可見的，其內(nèi)部細(xì)微出現(xiàn)的裂縫，表面看并不影響什么，但是時間久了，就會慢慢擴散，直至無法修復(fù)，傳統(tǒng)技術(shù)不能進(jìn)行全面的修復(fù)處理，隨著技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，自愈合及自修復(fù)系統(tǒng)的出現(xiàn)，就能夠有效對各種可見裂縫進(jìn)行修復(fù)，也就是說，通過此項技術(shù)的開展，能夠控制和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫，以此，有效避免出現(xiàn)更多的裂縫驅(qū)動因素滲透，保證了建筑物壽命。

一、混凝土修復(fù)方法

混凝土雖然使用非常廣泛，但是其缺點也影響到了建筑工程的穩(wěn)定性，作為典型的脆性材料，混凝土在自然力與外力作用下，往往會出現(xiàn)問題，通常混凝土問題表現(xiàn)為微開裂或局部損傷兩種形式，如果出現(xiàn)問題，不但影響到外形的美觀度，更會造成力學(xué)性能和耐久性能降低，如果不能及時進(jìn)行處理，還很有可能會引起更大的裂縫或者是脆性斷裂，如果人們生活工作在這樣的建筑物中，很容易產(chǎn)生災(zāi)難性事故，給人們生命財產(chǎn)造成損失。為了全面保證混凝土的穩(wěn)定性，就需要及時對小的微觀裂縫進(jìn)行修復(fù)，以此，避免出現(xiàn)更大的問題，有效保證建筑工程的安全。因此混凝土裂縫修復(fù)倍受學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注，也已經(jīng)成為了他們研究的熱點。從混凝土裂縫的修復(fù)方式上，主要有兩種：一種是傳統(tǒng)方式。傳統(tǒng)方式為事后修復(fù)，主要是針對已經(jīng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行修復(fù)，建筑工程可見的裂縫修復(fù)就是對已經(jīng)出現(xiàn)的損害部位進(jìn)行解決，傳統(tǒng)的修復(fù)材料性能不穩(wěn)定，粘度低，受修復(fù)材料限制與影響，整體修復(fù)的效果并不理想，容易產(chǎn)生二次開裂的情況。另一種是自愈合自修復(fù)。這種修復(fù)是在事前進(jìn)行修復(fù)，通過有效的修復(fù)，能夠使混凝土裂縫在早期就控制問題，避免問題擴大化，通過有效的修復(fù)，全面保證了裂縫的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，給建筑工程帶來更大影響危害，確保建筑物安全，提升了建筑物的耐久性，通過這種新型的修復(fù)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)方法難以解決和無法解決的問題。從當(dāng)前發(fā)展的條件看，自愈合和自修復(fù)技術(shù)包括：自然自愈合、工程自愈合、被動修復(fù)和主動修復(fù)等幾種，最為多見應(yīng)用最廣泛的是自愈合和自修復(fù)混凝土技術(shù)。

二、自愈合及自修復(fù)理論發(fā)展

技術(shù)在不斷創(chuàng)新發(fā)展，在學(xué)界更加重視，自愈合最早的出現(xiàn)是法國科學(xué)院學(xué)者們在1836 年研究中提出的，他們認(rèn)為自愈合是將水泥水化滲出的氫氧化鈣轉(zhuǎn)化為暴露于大氣中的碳酸鈣的結(jié)果。但是，隨著技術(shù)不斷的創(chuàng)新與突破，也提出了水泥自愈合是水泥在后期持續(xù)水化作用和其他作用結(jié)果的理論研究。經(jīng)過全面的深入研究，當(dāng)下，Ramm 和Biscoping 總結(jié)了混凝土自愈合現(xiàn)象可能呈現(xiàn)的機理：一是未水化水泥在后期應(yīng)用中呈現(xiàn)的水化反應(yīng)；二是混凝土在使用后期呈現(xiàn)的裂縫兩側(cè)膨脹；三是混合物出現(xiàn)的碳酸鈣結(jié)晶；四是通過水沉淀后對裂縫進(jìn)行堵塞；五是裂縫自己出現(xiàn)的混凝土顆粒對裂縫進(jìn)行了填充。隨著技術(shù)理論的不斷研究，也發(fā)現(xiàn)了更多的機理，直到1999 年，Edvardsen 也在充分實踐后，得出一項結(jié)論：他認(rèn)為碳酸鈣沉淀產(chǎn)生的成因是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫自愈合的產(chǎn)物。到了2001 年，又在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，有了更加完善的更新，White 等在《自然》雜志發(fā)表了聚合物基材料自愈合相關(guān)的論文。以此，拉開了自愈合材料研究的熱度，人們更加廣泛的關(guān)注起了此項技術(shù)。技術(shù)在20 年發(fā)展過程中，也出現(xiàn)了更多的技術(shù)形態(tài)，很多不同技術(shù)被應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)中，也起到了良好的效果。只是各項技術(shù)修復(fù)目的不同、修復(fù)技術(shù)不同，各種技術(shù)存在一定的差異性。世界上的發(fā)達(dá)國家一直沒有停留對技術(shù)的探索，日本混凝土所（JCI）將發(fā)生在混凝土中的愈合劃為三類：一是自然愈合；二是自主愈合；三是激發(fā)愈合。其中第一類是自動愈合，二三類為工程愈合。Mihashi 等在現(xiàn)有成果上，又根據(jù)發(fā)生在混凝土愈合類型中的不同形態(tài)，把不同工程技術(shù)分為工程自愈合技術(shù)和工程自修復(fù)技術(shù)。自愈合技術(shù)把重點放到了水泥材料本身固有的自動愈合能力，通過激發(fā)產(chǎn)生修復(fù)能力。工程自修復(fù)技術(shù)是預(yù)埋裝置做到良性的補充，對裂縫進(jìn)行修復(fù)。具體操作時，自修復(fù)技術(shù)有兩種形式，一是空心管嵌入構(gòu)件；二是傳感器監(jiān)測裂縫寬度，當(dāng)出現(xiàn)臨界度，驅(qū)動裝置會自動啟動進(jìn)行修復(fù)。

三、工程自愈合混凝土

水泥基材料是一種特殊的材料，本身自愈合能力較強大，混凝土應(yīng)用的環(huán)境較惡劣，特別是一些特殊結(jié)構(gòu)功能的工程，混凝土所面臨的是水、CO2、各種陰陽離子等化學(xué)條件，受到環(huán)境溫度、水壓流速、荷載環(huán)境的影響，均影響到了混凝土自愈合能力，為了更好地得到修復(fù)的效果，保證工程的質(zhì)量，就需要對影響環(huán)境進(jìn)行分析研究，盡量減少外部環(huán)境對混凝土造成的不良影響，以此，進(jìn)一步激活或提高混凝土自愈合能力。

1.纖維增強混凝土。

如果混凝土基體出現(xiàn)了裂縫，在纖維橋聯(lián)效應(yīng)的作用下，每條裂縫開口都得到有效控制并抑制，以至于裂縫不能快速進(jìn)行擴散，在這種條件下，不連續(xù)和隨機分布的纖維就能夠用于混凝土修復(fù)工作中，有效減少裂縫寬度，這樣，不論是任何形式自愈合都有了足夠的支撐。纖維增強脆性材料的技術(shù)已經(jīng)存在多年，但是，不論是理論還是實踐應(yīng)用中，均還沒形成良好的成熟技術(shù)形態(tài)，材料愈合相關(guān)研究還不到位，從目前的情形看，混凝土纖維通常有玻璃纖維、金屬鋼纖維、天然植物纖維和聚合物有機纖維。其中的玻璃纖維應(yīng)用最為廣泛，在實際使用中能夠進(jìn)一步改善混凝土抗拉強度，提升抗沖擊度，可是水泥高堿度的增強會導(dǎo)致纖維更加脆化，局限了修復(fù)的效果；金屬鋼纖維在實際使用中，也有一定的作用，通過良好的應(yīng)用，增強了混凝土延展性、抗彎度和裂韌性，但是，其材料暴露在高硫酸鹽和氯化物環(huán)境里，持久性并不好；目前看，混凝土常用聚合物有機纖維是聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚乙烯醇（PVA）等。

Homma 等深入推進(jìn)了理論創(chuàng)新，通過顯微鏡觀察、透水試驗、拉伸試驗、背散射電子圖像分析等方法，全面進(jìn)行了纖維增強水泥基復(fù)合材料（FRCC）自愈合能力的研究，在試驗中，制備水膠比0.45 的水泥膠砂試件，選擇三種纖維進(jìn)行系統(tǒng)研究，最后通過拉曼光譜法進(jìn)行結(jié)果檢測，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣結(jié)晶產(chǎn)物附著在PE 纖維上，也就是說，加入PE 纖維后能夠進(jìn)一步強化裂縫表面碳酸鈣結(jié)晶產(chǎn)物的強度，其均厚度更大，從根本上強化了愈合能力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了修復(fù)后的水滲透實驗，發(fā)現(xiàn)裂縫寬度大于100μm 時，就是加入1.5vol%的PE，效果也沒有得以提升。再通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，PE 單摻抗拉強度也沒有明顯的提高，鋼纖維和PE 混合纖維在試驗中的成果表現(xiàn)優(yōu)異。

2.微生物作用。

隨著技術(shù)創(chuàng)新與實踐總結(jié)，近年，也有一些新的方法得以應(yīng)用，生物技術(shù)也已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，混凝土領(lǐng)域融合了各種先進(jìn)的技術(shù)形態(tài)，大大提高了修復(fù)的效果與質(zhì)量，保證了建筑工程的安全。基于微生物策略以后，混凝土結(jié)構(gòu)中就能夠使用細(xì)菌對裂縫進(jìn)行誘導(dǎo)修復(fù)，產(chǎn)生碳酸鈣進(jìn)行一定的沉淀。通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICCP）是微生物通過代謝活動在細(xì)胞外形成碳酸鈣的能力。生物體能夠在代謝過程中，產(chǎn)生一定的物質(zhì)，并和周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，形成一種新型礦物并礦化固定。微生物礦化代謝途徑包括自養(yǎng)途徑和異養(yǎng)途徑兩種。自養(yǎng)途徑中產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀主要是微生物在自然條件環(huán)境中鈣離子通過二氧化碳轉(zhuǎn)化引起。異養(yǎng)途徑碳酸鹽析出是硫循環(huán)或氮循環(huán)產(chǎn)生。

四、工程自修復(fù)混凝土

自修復(fù)混凝土是一種智能材料，智能材料更加靈敏，在自然條件下，均有著良好的應(yīng)用，總結(jié)看，具備以下功能：一是傳感功能。通過設(shè)備對目標(biāo)問題進(jìn)行監(jiān)控，檢測目標(biāo)是否存在變化，如果出現(xiàn)裂縫則會自動傳輸?shù)胶笈_；二是處理功能。通過對裂縫的分析判斷，就能夠形成正確的修復(fù)方式，那么，后臺人員就可以根據(jù)情況采取科學(xué)的方法；三是執(zhí)行功能。對修復(fù)的計劃進(jìn)行組織、實施，保證了計劃的執(zhí)行。自動自修復(fù)模式是在容易出現(xiàn)問題的部位預(yù)埋感知系統(tǒng)，當(dāng)對建筑物出現(xiàn)的問題進(jìn)行感知后，充分進(jìn)行裂縫檢測，并對發(fā)現(xiàn)的裂縫問題及時傳導(dǎo)到后臺數(shù)據(jù)庫，后臺的控制系統(tǒng)就能夠進(jìn)一步分析形成的原因，并釋放修復(fù)劑對裂縫進(jìn)行快速的修復(fù)，主動模式自修復(fù)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的方式，其自動化程度高、修復(fù)快速簡便，時間成本少，常見技術(shù)有形狀記憶合金（SMA）、空芯光纖修復(fù)技術(shù)。被動模式自修復(fù)則不能滿足相關(guān)的條件，只是在裂縫產(chǎn)生時界面粘結(jié)力儲存基體的修復(fù)劑被撕裂后產(chǎn)生釋放，這種修復(fù)技術(shù)不可控，只有當(dāng)裂縫到達(dá)一定寬度時才能釋放，如微膠囊、中空纖維技術(shù)等。

1.形狀記憶合金。

形狀記憶合金能夠快速進(jìn)行系統(tǒng)的恢復(fù)，其應(yīng)變量達(dá)7%～8%。形狀記憶合金有雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)兩種。進(jìn)行實踐應(yīng)用時，主要是把預(yù)拉伸處理SMA 預(yù)埋到基體，通過自動的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)基體裂縫，如果到達(dá)了裂縫臨界值，裂縫附近SMA 就會加熱并收縮，達(dá)到閉合裂縫或限制裂縫擴散的目的，使裂縫得以全面的修復(fù)。雖然SMA 在實際應(yīng)用雖有很多優(yōu)點，但是SMA 比特但是通過一定的溫度才能起作用，如果加熱溫度不夠也無法發(fā)揮作用，整體看，穩(wěn)定性不足，影響到了材料的聚合度。使用SMA 進(jìn)行修復(fù)，成本極高，價格是普通鋼材700 倍，面對昂貴的材料價格，也是難以普遍使用推廣的成因。

2.空芯光纖和中空纖維。

空芯光纖由纖芯、包層和涂敷層組成，其制作原理是把一定量的修復(fù)劑儲存到纖芯管內(nèi)，進(jìn)行施工建設(shè)時，把光纖預(yù)埋到混凝土容易出現(xiàn)問題的基體中，如果混凝土結(jié)構(gòu)在自然力或者外力作用下出現(xiàn)變形，那么光纖就會在擠壓作用下釋放，其固有的光強度、相位、波長及偏振等參數(shù)就會出現(xiàn)變化。后臺的監(jiān)測系統(tǒng)就能第一時間感應(yīng)變化，進(jìn)行分析判斷后，對損傷位置定位，并驅(qū)動注膠系統(tǒng)，通過光纖加壓的方式，刺激光纖管產(chǎn)生破裂，達(dá)到修復(fù)目的。近年來，一直對光纖在混凝土中的傳輸特性進(jìn)行研究，特別是在光纖光功率損耗方面的研究，已經(jīng)取得了良好的效果。從最終的理論成果看，注入纖芯空心中介質(zhì)影響光傳播速度，光在光纖中傳播主要是反射，介質(zhì)不同，在纖芯傳播的效果也不同，為了達(dá)到更好地效果，則對空心光纖與混凝土結(jié)構(gòu)匹配度進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明：一是光纖與混凝土完全結(jié)合?；炷脸霈F(xiàn)問題后，強度會下降，空心光纖傳感也下降；二是光纖與混凝土過緊。這種情況下，空心光纖與混凝土結(jié)構(gòu)界面產(chǎn)生應(yīng)力更加集中，受應(yīng)力作用埋入混凝土結(jié)構(gòu)的空心光纖傳輸性能就能下降，產(chǎn)生損傷出現(xiàn)斷裂。而空心光纖較細(xì)，不能用更多的修復(fù)劑，整體儲存量不足，如果裂縫過大，膠液總量不足，無法進(jìn)行全面修復(fù)，影響到了修復(fù)的效果，要想應(yīng)用空心光纖技術(shù)，則還需要提升，解決流量。中空纖維損傷自修復(fù)與空心光纖類似，在實際使用中，也是將膠黏劑注入中空玻璃纖維埋入混凝土基，其工作原理相同，混凝土結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生損傷和裂縫，纖維內(nèi)膠黏劑就會流出滲入裂縫，通過化學(xué)作用膠黏劑產(chǎn)生固結(jié)，對已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行抑制，使開裂部位得以修復(fù)。

3.微膠囊。

微膠囊是物理條件的產(chǎn)物，主要是通過成膜材料包覆分散性固體、液體或氣體形成核殼結(jié)構(gòu)微小容器。微膠囊自修復(fù)工作的原理有三層次，一是把含有修復(fù)劑的微膠囊固化劑均勻進(jìn)行分布，使基體材料起到作用；二是如果出現(xiàn)混凝土裂縫，呈現(xiàn)的裂縫尖端就會對微膠囊產(chǎn)生應(yīng)力，刺破修復(fù)劑并使之流出，通過裂縫光滑部位滲到修復(fù)處；三是裂縫修復(fù)劑能夠快速和固化劑相遇并產(chǎn)生反應(yīng)，對裂縫進(jìn)行良好的修復(fù)。

在修復(fù)過程中，殼體要有足夠強度，在日常存放時不出現(xiàn)破損，保證修復(fù)劑的還原性能，同時，當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，還具備一定的敏感度，如果外力足夠強大，其靈敏性就能夠生發(fā)出來，并破裂釋放修復(fù)劑，在工作過程中，需要保證微膠囊與基體緊密性。修復(fù)劑在長期存放過程中，受到自然因素影響，容易出現(xiàn)過期的問題，所以不但需要保證流動性，還需要有持久性，能夠進(jìn)行長期儲存，這樣，其性能才能更加穩(wěn)定。

五、自愈合和自修復(fù)混凝土存在的主要問題

1.受環(huán)境影響大。

纖維增強水泥基復(fù)合材料性能高于普通混凝土，其自身的自愈合性能更強，但是從影響上看，其受自然同時認(rèn)為人影響較大，特別是齡期、介質(zhì)、溫濕度和外加劑影響較強烈，如果使用的時間過長，其愈合效果就不佳，影響到對裂縫的修復(fù)。

2.影響建筑物安全。

微生物的應(yīng)用在一定條件下是安全的，但是在實際的使用中，還存在安全隱患。其對裂縫的處理效果雖然較好，能夠快速對混凝土進(jìn)行裂縫修復(fù)并產(chǎn)生自愈合，但厭氧細(xì)菌酶會在空氣作用下產(chǎn)生氨氣，如果靠近不僅危害健康，更會進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，生成硝酸并對周邊的鋼筋腐蝕。細(xì)菌是短壽命的物質(zhì)，其生長與死亡后產(chǎn)生的機體能夠在混凝土中長期保留，形成的空穴致使混凝土強度降低，影響到了建筑工程的安全。

3.修復(fù)膠黏劑具有毒性。

修復(fù)劑是一種高強度的化學(xué)制品，從根本上說具備一定的毒性，特別是在工程研究中，如果在外力作用下流出，不但影響周邊的空氣質(zhì)量，更會散發(fā)出毒性物質(zhì)，使用時需要把握好數(shù)量與介質(zhì)。

六、結(jié)語

自修復(fù)混凝土雖然一直在研究創(chuàng)新，但是在實際應(yīng)用中已經(jīng)有了成果，解決了混凝土裂縫問題，保證了建筑工程的穩(wěn)定與安全。未來則需要在配套監(jiān)測、檢測手段及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上做文章，全面提高自愈合及自修復(fù)技術(shù)能力，幫助解決傳統(tǒng)混凝土工程技術(shù)難題，不斷推動自愈合及自修復(fù)混凝土技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)建筑工程偉大變革。