楊 卉（南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

1 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)失效的主要原因是微裂縫的擴(kuò)展，所以及時(shí)對(duì)擴(kuò)展裂縫進(jìn)行修復(fù)就可以很好地減緩失效。但若采用人工修復(fù)技術(shù)不僅延誤了最佳修復(fù)時(shí)間，并且耗費(fèi)人力財(cái)力。如果混凝土能在產(chǎn)生裂縫后立刻做出反應(yīng)自行愈合，那么結(jié)構(gòu)修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性和有效性就會(huì)大大提高。

1925 年學(xué)者Abrams[1]第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了混凝土的自行愈合現(xiàn)象，開(kāi)裂試件在戶(hù)外放置8a 后愈合了裂縫，并提高了抗壓強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)使通過(guò)混凝土自愈合而修復(fù)結(jié)構(gòu)變得可行。因此，一些學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行混凝土裂縫自愈合的研究。

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面的進(jìn)一步研究顯示依靠混凝土本身的愈合能力不能達(dá)到理想的修復(fù)效果。于是人們開(kāi)始尋求其他的方法來(lái)實(shí)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(shù)。

基于混凝土自身的愈合機(jī)理，也有采用催化結(jié)晶涂料的自愈合方法，這種方法是通過(guò)催化混凝土中游離的鈣離子和未水化的水泥發(fā)生反應(yīng)達(dá)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(xué)者研究了在水泥基中摻入耐堿微生物對(duì)水泥基試件愈合性能的影響。

自愈合混凝土有其研究的價(jià)值與意義，但是實(shí)現(xiàn)難度很大。國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究， 已經(jīng)初步形成了幾種可行的研究方法，對(duì)混凝土材料的革命性變化產(chǎn)生了積極的推動(dòng)作用。本文將介紹國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土自愈合的研究情況，并進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)與分析。

2 國(guó)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(shí)際體現(xiàn)在對(duì)于其機(jī)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(gè)月后混凝土幾乎能全部恢復(fù)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(shí)驗(yàn)是在有水環(huán)境中且產(chǎn)生了水泥水化產(chǎn)物，這說(shuō)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(guó)內(nèi)也有學(xué)者做了這方面的實(shí)驗(yàn)和研究，并更進(jìn)一步得到確切結(jié)論。程?hào)|輝、潘洪濤[3]對(duì)混凝土的這種自愈合現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)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(duì)于3mm 左右的裂縫，當(dāng)其暴露于水環(huán)境大于600 小時(shí)，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(huì)改變?cè)撗芯坎⑽催M(jìn)行探索。于是又有學(xué)者在這方面展開(kāi)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(gè)損傷閾值， 損傷小于損傷閾值時(shí)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(guò)試驗(yàn)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(jié)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(duì)混凝土自愈合的性能做了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明低等級(jí)水泥比高等級(jí)水泥同條件下的自愈合能力強(qiáng)，摻入粉煤灰和碳纖維對(duì)混凝土的愈合能力都有提高。這表明混凝土的成分會(huì)影響其愈合能力。

通過(guò)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(duì)其愈合能力的提高也滿(mǎn)足不了預(yù)期修復(fù)水平。通過(guò)激發(fā)混凝土本身的愈合能力來(lái)修復(fù)結(jié)構(gòu)可行性不大。

2.2 仿生自愈合混凝土

既然通過(guò)混凝土自身的能力無(wú)法達(dá)到快速修復(fù)的目的，人們開(kāi)始探索通過(guò)人為的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1989 年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)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(yīng)，并且具有學(xué)習(xí)能力等的新材料。而美國(guó)的R.E.Newnham 教授則更具體地提出具有其中一兩項(xiàng)功能的稱(chēng)為機(jī)敏材料（Smart material）[7]。

實(shí)現(xiàn)材料智能化是未來(lái)的研究趨勢(shì)，研究者的目光開(kāi)始轉(zhuǎn)向這一領(lǐng)域，因此有學(xué)者開(kāi)始研究模仿生物的愈合現(xiàn)象來(lái)愈合材料的研究，而這種材料就被稱(chēng)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(lèi)：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(dòng)物受傷后流出血液進(jìn)行愈合，于是主要的模型是在纖維管中注入高強(qiáng)度的膠粘劑。

美國(guó)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(guò)預(yù)埋含有膠粘劑的纖維，用加熱的方式啟動(dòng)修復(fù)?？梢哉f(shuō)這是仿生自愈合混凝土研究的開(kāi)始。

Dry Carolyn[9]還嘗試了其他方法。他將多孔的纖維網(wǎng)預(yù)埋在磷酸鈣水泥（含單聚物）中，多孔纖維會(huì)釋放出引發(fā)劑，引發(fā)水泥中的單聚物反應(yīng)形成高聚物，反應(yīng)生成的水又進(jìn)一步與水泥中未水化的粒子發(fā)生水化反應(yīng)。另外，他試驗(yàn)了一種由甲基丙烯酸甲酯（MMA），過(guò)氧化氫和鈷組成的修復(fù)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(shí)預(yù)埋到混凝土中，纖維管隨混凝土開(kāi)裂而破裂后三種試劑混合會(huì)形成強(qiáng)度極大的物質(zhì)從而修復(fù)裂縫。

同濟(jì)大學(xué)習(xí)志臻[10]等，分別采用聚氨酯、丙烯酸酯注入玻璃纖維管，預(yù)埋到水泥砂漿中，并用INSTRON 試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射儀測(cè)試其愈合后的性能，結(jié)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(xué)匡亞川[11]，進(jìn)行了修復(fù)纖維力學(xué)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(shù)脂三種膠粘劑注入玻璃纖維管預(yù)埋到混凝土梁中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(dá)到愈合效果，而環(huán)氧樹(shù)脂可以較好地愈合裂縫，但是因?yàn)椴荒鼙ＷC雙管同時(shí)破裂而有待改善。

張妃二[12]等將SJ 膠的大直徑空心光纖預(yù)埋到混凝土中進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，SJ 膠修復(fù)后的混凝土拉伸、壓縮、彎曲試件強(qiáng)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(shí)現(xiàn)二次修復(fù)，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(duì)膠粘劑容器進(jìn)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(fù)劑分布均勻，能使修復(fù)液覆蓋區(qū)域更廣，從而更迅速地到達(dá)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(shù)脂等）的空心膠囊摻入混凝土中，當(dāng)混凝土開(kāi)裂，膠囊隨之破裂，膠粘劑流出對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐進(jìn)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(jī)理確定了膠囊的破壞應(yīng)力，并利用ANSYS 對(duì)修復(fù)膠囊進(jìn)行了有限元分析，最后進(jìn)行了試驗(yàn)，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(dá)到一定的自愈合效果。

這一方法比上一個(gè)方法有提高的地方，比如它可以分步更均勻，基本可以實(shí)現(xiàn)二次裂縫修復(fù)，但是仍然沒(méi)有很好地解決投入實(shí)際工程中將要面臨的問(wèn)題。比如攪拌混凝土?xí)r無(wú)法保證膠囊不破裂，膠囊對(duì)混凝土性能的影響研究還不全面，需要進(jìn)一步確定對(duì)應(yīng)力做出合適反應(yīng)的膠囊容器材料等。

2.2.3 形狀記憶合金

形狀記憶合金（簡(jiǎn)稱(chēng)SMA）具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能。根據(jù)需要，SMA 元件可以在100℃以下的某個(gè)設(shè)定溫度產(chǎn)生動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備或裝置的自動(dòng)控制或保護(hù)；也可以按作用力的大小設(shè)計(jì)SMA 驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

因?yàn)镾MA 的這種性能，它被應(yīng)用到了自愈合混凝土的研究中，以期通過(guò)溫度或者應(yīng)力控制來(lái)達(dá)到混凝土感知，并進(jìn)行反應(yīng)的目的。

陶寶祺[14]等研究了利用SMA 和液芯光纖對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行自診斷、自修復(fù)的方法。采用直徑為0.05mm 的SMA 絲和分別裝有環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的光纖（稱(chēng)為液芯光纖），通過(guò)激勵(lì)SMA 絲對(duì)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(jìn)膠液的流動(dòng)和固化。

蘭州理工大學(xué)狄生奎、李慧[15]等通過(guò)試驗(yàn)研究了混凝土梁在加載過(guò)程中Ni-Ti SMA 絲電阻變化率與混凝土梁裂縫寬度的關(guān)系，及通電激勵(lì)SMA 絲恢復(fù)混凝土裂縫的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在0.3mm 范圍內(nèi)SMA 更為敏感，通電激勵(lì)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(duì)其和普通鋼筋混凝土梁采用跨中單點(diǎn)加載試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比其力學(xué)性能，結(jié)果表明，這種梁比普通鋼筋混凝土梁在開(kāi)裂后能承擔(dān)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(yù)埋在砂漿梁中，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，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(fù)了。

采用SMA 可以對(duì)混凝土變形起到一定的恢復(fù)作用，并且可與其他方法結(jié)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(duì)激發(fā)混凝土潛在愈合功能的興趣。繼而有學(xué)者進(jìn)行了這方面的開(kāi)發(fā)研究。通過(guò)摻入抗?jié)B結(jié)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(yàn)使混凝土形成不同寬度的裂縫，通過(guò)后期養(yǎng)護(hù)來(lái)直觀表征滲透結(jié)晶型防水材料對(duì)混凝土裂縫自愈合能力的影響。結(jié)果表明，滲透結(jié)晶型防水材料對(duì)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(shí)已經(jīng)具有良好的裂縫自愈合能力。

王桂明等[18]對(duì)摻有催化結(jié)晶型抗?jié)B涂料的水泥砂漿試件進(jìn)行了抗?jié)B性能試驗(yàn)，孔隙率測(cè)試，研究了其力學(xué)性能和自修復(fù)性。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明這種涂料可以顯著增強(qiáng)水泥基的力學(xué)性能，并對(duì)試件具有很強(qiáng)的養(yǎng)護(hù)自愈合功能。

國(guó)外也有學(xué)者進(jìn)行了在水泥基中摻入微生物已達(dá)到自愈合目的的研究[19]：

Navarro 等研究微生物修復(fù)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(fù)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(guò)細(xì)胞重組的大腸桿菌，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)尿素酶在微生物結(jié)晶過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。其對(duì)微生物形成的礦物沉積進(jìn)行掃描電鏡分析和X 射線衍射分析的結(jié)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(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果表明摻了該細(xì)菌的試件表面出現(xiàn)大量晶體，且力學(xué)性能大大提高。

Ramachanelran 進(jìn)行的試驗(yàn)對(duì)比了綠膿桿菌和巴氏包桿菌對(duì)水泥基試件的影響，結(jié)果說(shuō)明綠膿桿菌的礦物沉積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巴氏包桿菌。

采用抗?jié)B涂料等可以對(duì)混凝土裂縫起到較好的愈合作用。但是還不能對(duì)深裂縫進(jìn)行很好的修復(fù)，所以暫時(shí)只用于表面裂縫的修復(fù)。而加入嗜堿微生物可以促進(jìn)礦物沉積從而在一定程度上修復(fù)裂縫，但是實(shí)際應(yīng)用中混凝土不能滿(mǎn)足微生物的生存條件，且微生物起到的修復(fù)作用還不能滿(mǎn)足修復(fù)結(jié)構(gòu)的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

從發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合能力開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者找到了研發(fā)新型混凝土的新途徑，隨之而展開(kāi)的科研漸漸形成了自愈合型混凝土的雛形，但要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)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(lái)的發(fā)展方向，研發(fā)出可用于工程實(shí)踐的機(jī)敏混凝土是第一步，隨著材料科學(xué)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(biāo)終會(huì)實(shí)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(wèn)題：

1）自愈合混凝土一般采用膠粘劑進(jìn)行修復(fù)，而啟動(dòng)修復(fù)的問(wèn)題至今還沒(méi)有得到完美的解決方法。有采用加熱方法，通電SMA 啟動(dòng)，通過(guò)容器與混凝土力學(xué)性能相匹配而進(jìn)行機(jī)械力學(xué)啟動(dòng)等，在實(shí)際應(yīng)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(shù)脂效果好但是雙組分給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了不可忽略的問(wèn)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(xué)性能匹配，并且不會(huì)對(duì)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。然后是容器的形狀，如何能使修復(fù)試劑更快更充分地達(dá)到需要修復(fù)的位置，并且方便施工，這些都是是需要進(jìn)一步改進(jìn)的。

4）修復(fù)劑只能一次性使用，當(dāng)二次受損將不具有自愈合的性能。

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