李旭東

摘?要： 混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，一直是工程界和學術(shù)界研究的一個重要課題，混凝土裂紋自修復技術(shù)是近些年提出的混凝土裂紋修補的新方法。本文介紹了自修復混凝土的分領(lǐng)域技術(shù)類別及其原理，分析了自修復混凝土的國內(nèi)研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，并對生物與建筑其他方面的結(jié)合進行了介紹。

關(guān)鍵詞： 混凝土;開裂;自修復技術(shù);生物與建筑

【中圖分類號】TU528?【文獻標識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.27.044

1?前言

混凝土是世界上應用最普遍的建筑材料，無論多么細心地混合加固，所有的混凝土最終都會產(chǎn)生裂縫，混凝土裂縫會產(chǎn)生滲漏。如果墻壁地板上有裂縫，地下室、車庫就可能進水，影響結(jié)構(gòu)的使用;混凝土內(nèi)的鋼筋會使鋼筋銹蝕，更會影響結(jié)構(gòu)的安全，如何更好的加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)一直是工程師研究的方向之一。同時在一些年久失修低層框架，如何減少加固作業(yè)面及施工周期是業(yè)主和工程師的期望之一;在對待一些及近現(xiàn)代歷史建筑，修舊如舊的要求讓工程師尋求一種更好的方法，即保留歷史對建筑物帶來的美感，有能解決結(jié)構(gòu)的安全問題。因此人們一直在想方設(shè)法讓加固混凝土更高效耐用。

具有自愈功能的建筑物并非是天方夜譚。今天，我們組就要為大家介紹漢克教授在對土木和生物這兩個學科交叉研究之后的研究成果，一種具有自動修復裂紋功能的混凝土。

2?歷史發(fā)展及前景

2.1?國內(nèi)發(fā)展

目前，國內(nèi)對智能材料結(jié)構(gòu)的研究一般都集中在對它的自診斷、自適應功能的研究上，對于自修復的研究尚處于起步階段。

同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室等研究的仿生自診斷和自修復智能混凝土是模仿生物對創(chuàng)傷的感知和生物組織對創(chuàng)傷部位愈合的機能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復合特殊組分即所謂的第六組分，如仿生傳感器、含膠粘劑的液芯纖維等，使混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自診斷、自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當混凝土材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷時，仿生傳感器可以及時診斷預警，當內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋時，部分液芯纖維破裂，膠粘劑流出深入裂縫，使混凝土裂縫重新愈合，恢復并提高混凝土材料的性能。該智能復合材料的研究可實現(xiàn)對混凝土材料的能動診斷、實時監(jiān)測和及時修復，以超前意識確?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性，延長混凝土構(gòu)筑物的使用壽命。這種研究方向可以給高等級結(jié)構(gòu)（如設(shè)計適用年限為100年的建筑物）提供一種保護屏障。但如果此修復技術(shù)造價低廉，是否可以給工程師提供一種對既有建筑加固維護的方法？

2.2?國外發(fā)展

研究混凝土裂紋的自防護最早可以追溯到1925年，Abram發(fā)現(xiàn)混凝上試件在抗拉強度測試開裂后，將其放在戶外8年，裂紋竟然愈合了，而且強度比先前提高了兩倍。后來挪威學者Stefan Jacobsen的研究也表明，混凝土在凍融循環(huán)損傷后，將其放置在水中2～3個月，混凝土的抗壓強度有了4～5%的恢復。在混凝土裂紋自防護問題上，國內(nèi)外的研究者提出了各種方法。研究者受生物界的啟示，模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復機理，采用粘接材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后具有自行修復和再生功能。在混凝土傳統(tǒng)組分中復合特殊組分或者在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當混凝土材料出現(xiàn)裂紋時，部分膠粘劑流出并深入裂縫，使混凝土裂縫重新愈合。

2.3?發(fā)展前景

對于一些樓齡在20～30年的建筑，其表面裂縫多為非結(jié)構(gòu)性裂縫，但日積月累也多有傷及砼保護層，并出現(xiàn)鋼筋外露的情況。構(gòu)件箍筋內(nèi)是否有損傷需要經(jīng)過較為細致檢測方可得出結(jié)論。

對結(jié)構(gòu)裂縫的處理方式為表面封閉法或壓力灌漿法，前者僅適用于處理淺層裂縫，后者灌入的環(huán)氧樹脂又需要支模加壓等一系列工序，并且對灌入樹脂有流動性的要求;若經(jīng)核實砼構(gòu)件強度不夠，又需要使用粘貼鋼板法、置換砼構(gòu)件、外包型鋼等方法進行加固，此類施工方法需要較大的施工作業(yè)面和較長的周期，加固完成后對建筑物外觀有一定的影響。

用生物混凝土完成此類修補工作帶來的好處顯而易見。原材料為參加微生物的水泥和水。以水為媒介更容易滲入裂縫，通過微生物砼更高效的將新舊砼形成整體。雖然在在短期內(nèi)，以傳統(tǒng)方式修復混凝土裂縫更為經(jīng)濟，但隨著國家對于老舊小區(qū)的改造由改建加固代替拆遷搬遷這一政策的改變，未來時日老舊小區(qū)的隊伍會日益龐大。如何提高老舊小區(qū)的改建加固效率這一問題是值得廣大工程師探討，并且是較高的社會效益和經(jīng)濟效益的。

3?概述

3.1?自愈合混凝土的原理

因此，目前對生物建筑材料的研究大多集中在混凝土領(lǐng)域，中科院微生物研究所對這個領(lǐng)域也格外關(guān)注。目前，微生物在生物建材領(lǐng)域的應用方式主要有以下幾種類型：

（1）、將微生物代謝產(chǎn)物作為外加劑，引入到混凝土的配制當中，以便配制具有高強度和高彈性的新型混凝土;

（2）、直接使用微生物進行建筑材料的生產(chǎn)，例如球石藻可以在人工控制下，大量生產(chǎn)建筑行業(yè)必備的原材料——生石灰;

（3）、直接將微生物加入到混凝土的配制原材料中，利用微生物在混凝土中的代謝產(chǎn)物來影響混凝土的特性。

3.2?自愈合混凝土的技術(shù)

生物混凝土最主要的優(yōu)點就是能夠愈合裂縫[3]。表面上和普通混凝土一樣，實際上添加了“愈合劑”。這種“愈合劑”把芽孢桿菌和乳酸鈣裝進生物降解塑料而做成“修復膠囊”。在混凝土中摻入“愈合劑”，就成了可以自動愈合的生物混凝土。

芽孢桿菌可耐高低溫，堿性極強，在沒有食物和氧氣的條件下可以存在數(shù)十年，其休眠期長達200年。普通水泥含有氫氧化鈣與二氧化碳反應產(chǎn)生碳酸鈣，偏堿性。這樣的環(huán)境適合芽孢桿菌生存。建筑物的設(shè)計使用壽命一般為五十年，所以在芽孢桿菌的有生之年，是能夠充分發(fā)揮作用的。

芽孢桿菌本身不能作為修復材料，而是修復材料的‘生產(chǎn)者。它通過獲取食物，產(chǎn)生石灰石，最終完成修復混凝土的任務(wù)。

在芽孢桿菌實現(xiàn)自身價值之前，首先混凝土要產(chǎn)生裂縫，其次要有水，水的滲入可以使‘愈合劑（膠囊）溶解[4]。溶解后，休眠的芽孢桿菌就會發(fā)芽、增殖并食用乳酸鈣。在這一過程中，鈣離子和碳酸根離子就會結(jié)合形成碳酸鈣（石灰石），封住裂縫，實現(xiàn)修復。生物混凝土能夠在三周內(nèi)完成裂紋修復，最多可以愈合0.8mm寬的裂紋。

因此利用生物混凝土這一特征，在處理一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固的問題時，可以避開傳統(tǒng)加固方式的弊端。

3.3?自愈合混凝土的優(yōu)勢

自愈混凝土的優(yōu)點：

（1）最直觀的好處就是提高了混凝土的使用壽命，促使長期的成本降低了，因為自愈混凝土的自愈能力，基本不改變結(jié)構(gòu)尺寸和建筑外觀。

（2）自愈混凝土取材方便，外加鋼筋用量也減少了，從而降低加固成本。

（3）施工作業(yè)面較傳統(tǒng)加固方式少，便于施工。

（4）有較好的耐火性能。

（5）自愈混凝土可以非常好的適應各種環(huán)境，對抗地震、暴風、爆炸等重大的自然災害，也是有非常強的應對能力。

4?生物在建筑中的其他應用

生物技術(shù)在智能建筑中的應用包括：①生物技術(shù)與建材的融合，使建筑物更節(jié)能;②環(huán)境檢測技術(shù)。希望將來生物智能芯片的感知能力更接近于人，生物技術(shù)將對有害物的處理發(fā)揮功效;③生物智能將把建筑智能化提高到一個新的水準。

5?結(jié)語

為了迎合21世紀人類對建筑材料和結(jié)構(gòu)提出的功能——智能一體化要求，對存在潛在損壞危險的混凝土表面進行有效保護、對造成裂紋和損傷的混凝土結(jié)構(gòu)進行自修復，使混凝土結(jié)構(gòu)具備自防護功能，是具有很大經(jīng)濟和社會效益的事情;自修復混凝土可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決和不能解決的技術(shù)關(guān)鍵，它對確保高層建筑、橋梁、核電站等重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全和長期的耐久性，以及減輕臺風、地震沖擊等諸多破壞因素方面有很大的應用潛力，對確保建筑物的安全和耐久性都極具重要性，也對傳統(tǒng)的建筑材料研究、制造、缺陷預防和修復等都提出了強烈的挑戰(zhàn)。

通過生物技術(shù)的發(fā)展運用于建筑，將會進入一步解決建筑在發(fā)展過程中出現(xiàn)的材料，環(huán)境。智能化控制等問題，使建筑產(chǎn)業(yè)更加的具有包容性，同時促使建筑設(shè)計的新形式式，新風格的出現(xiàn)。

參考文獻

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