李子強(qiáng)，曹西堯，李文琪

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

傳統(tǒng)混凝土脆性較大且抗拉強(qiáng)度低， 在經(jīng)歷高強(qiáng)度載荷、 較大溫差變化時(shí)易出現(xiàn)裂縫等影響混凝土結(jié)構(gòu)的負(fù)面因素。 而裂縫又是影響混凝土強(qiáng)度的主要原因之一。 所以， 研究如何自修復(fù)裂縫， 從而使強(qiáng)度達(dá)到或者恢復(fù)原來(lái)水平就體現(xiàn)的十分重要。

1 自修復(fù)混凝土理論發(fā)展背景

1836 年，法國(guó)學(xué)者首次提出，自修復(fù)是水泥水化之后滲出的氫氧化鈣暴露在大氣下轉(zhuǎn)為碳酸鈣的結(jié)果。 1925 年，學(xué)者Abram 發(fā)現(xiàn)在混凝土試件開(kāi)裂后，將試件擺放在戶外8 y 之后，混凝土試件居然愈合，且自身強(qiáng)度較之前相比甚至增強(qiáng)兩倍。

近年來(lái)，混凝土自修復(fù)技術(shù)更加蓬勃發(fā)展，是混凝土結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的新方向之一。 基于物理、化學(xué)、生物等各方向的自修復(fù)技術(shù)，自修復(fù)方法蓬勃發(fā)展。

2 本征型混凝土自修復(fù)技術(shù)研究概況

2．1 本征型混凝土損傷自修復(fù)機(jī)理研究現(xiàn)狀

本征型混凝土通過(guò)在裂縫區(qū)未水化的水泥漿繼續(xù)水化生成難溶的結(jié)晶沉淀方式進(jìn)行自修復(fù)，內(nèi)部未全水化的膠凝材料則與周圍滲入的水及二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀。

2.1.1 混凝土自然自修復(fù)法技術(shù)現(xiàn)狀

混凝土自然自修復(fù)也就是裂縫區(qū)未水化的水泥漿繼續(xù)水化生成難溶的結(jié)晶沉淀方式進(jìn)行自修復(fù)，在裂縫區(qū)與外界接觸處與空氣中水和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣等結(jié)晶以沉淀方式覆蓋在裂縫處，從而修復(fù)裂縫，或是強(qiáng)度達(dá)到初始或部分達(dá)到初始水平。

通過(guò)對(duì)混凝土進(jìn)行相應(yīng)的鹽溶液養(yǎng)護(hù)可有效加快裂縫區(qū)結(jié)晶沉淀的生成， 減少相應(yīng)的修復(fù)所需時(shí)間，提高自修復(fù)效率。 楊久俊等[1]設(shè)計(jì)了一種自修復(fù)情景，在使用多種鹽溶液養(yǎng)護(hù)下，混凝土得以迅速生成相關(guān)結(jié)晶沉淀從而達(dá)到自修復(fù)， 結(jié)晶沉淀由碳酸鈣、C-S-H 凝膠及Friedel 鹽組成；石寶存等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究了混凝土在不同PH 值環(huán)境下混凝土裂縫的自修復(fù)效果。

2.1.2 混凝土滲透結(jié)晶自修復(fù)法技術(shù)現(xiàn)狀

目前滲透結(jié)晶法多采用在配制混凝土?xí)r加入滲透結(jié)晶型防水劑或在已成型混凝土表面涂一層滲透結(jié)晶型的防水涂料。在平時(shí)，一般干燥情況下，這類滲透結(jié)晶材料將處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)同周圍材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在有滲透水的情況下，材料中的活性物質(zhì)則會(huì)被“激活”，開(kāi)始與未水化部分游離的氫氧化鈣和部分氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成一種不溶性針狀晶體。這類方法的原理是通過(guò)生成這種不溶性針狀晶體將小于0.4 mm 以下混凝土毛細(xì)孔、裂縫堵塞住，從而使混凝土密實(shí)達(dá)到自修復(fù)的目的。

缺點(diǎn)是只能修復(fù)微小裂縫，遇到較大裂縫時(shí)則難以自我修復(fù)；優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)修復(fù)，只要混凝土內(nèi)仍存在滲透結(jié)晶材料， 在遇到下次出現(xiàn)微裂縫時(shí)，同外界接觸后， 又能被激活再次進(jìn)行自我修復(fù)，直到混凝土內(nèi)滲透結(jié)晶材料逐漸被損耗殆盡。

2.1.3 混凝土電沉積自修復(fù)法技術(shù)現(xiàn)狀

電沉積自修復(fù)法即通過(guò)化學(xué)的電解作用，使某種物質(zhì)不斷累積在混凝土表面裂縫處以達(dá)到堵塞裂縫實(shí)現(xiàn)修復(fù)的目的，這類方法多適用水工、海工環(huán)境中出現(xiàn)的混凝土裂縫修補(bǔ)，由于這類裂縫所處環(huán)境特殊，采用一般填堵修補(bǔ)方法較難修復(fù)，通過(guò)電沉積法， 以鋼筋混凝土構(gòu)建中的鋼筋骨架為陰極，外加上惰性電極，以水環(huán)境作為電解液。在兩極之間通上電流便會(huì)發(fā)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，生成多種不溶于水的化合物沉積、 覆蓋在混凝土裂縫處，降低混凝土滲透性，達(dá)到阻止外界環(huán)境進(jìn)一步破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的。

3 外源型混凝土自修復(fù)技術(shù)研究概況

3.1.1 混凝土膠囊自修復(fù)法技術(shù)現(xiàn)狀

混凝土膠囊自修復(fù)是指基于混凝土將聚合物等液體化學(xué)物質(zhì)修復(fù)劑放入微膠囊或空心纖維中，再將其與混凝土一同攪拌。當(dāng)混凝土受力出現(xiàn)裂縫時(shí)，膠囊的囊壁或者空心纖維會(huì)發(fā)生破裂，膠囊中儲(chǔ)存的修復(fù)劑隨之流出滲透至裂縫處，同混凝土中攜帶的固化劑發(fā)生水化物反應(yīng)，以達(dá)到修復(fù)裂縫的目的王險(xiǎn)峰[3]等研究了環(huán)氧樹脂微膠囊在摻加量為3%和6%時(shí)水泥砂漿的強(qiáng)度修復(fù)率, 并分析了同一摻量下試樣損傷發(fā)生時(shí)和修復(fù)后的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明, 隨著微膠囊摻量的增加, 修復(fù)率不斷提高,同時(shí)微觀分析表明, 摻有微膠囊的水泥材料自愈合效果也更好；Rule 等研究微膠囊直徑及裂縫尺寸對(duì)混凝土自修復(fù)效果的影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 微膠囊液體修復(fù)材料釋放量與直徑基本成正比；BrownEN等自修復(fù)聚合物材料在完成材料性能修復(fù)功能的同時(shí),微膠囊在復(fù)合材料中也起到了增韌作用。 原始的和斷裂修復(fù)后的韌性值均強(qiáng)烈依賴于微膠囊的尺寸和濃度；李元杰等[4]添加包覆修復(fù)劑的微膠囊,增韌效果提高，主要原因?yàn)獒槧畎呒y和表面微裂紋的增加,而填充固態(tài)粒子觀測(cè)不到這種現(xiàn)象。

3.1.2 混凝土纖維自修復(fù)法技術(shù)現(xiàn)狀

混凝土纖維/玻璃纖維增強(qiáng)自修復(fù)技術(shù)部分原理同膠囊修復(fù)法原理相似，在自修復(fù)的修復(fù)劑載體上會(huì)存在略微不同， 纖維較膠囊相比載體量更大，可以攜帶更多的修復(fù)劑。玻璃纖維載體一般為中空的，且表面較光滑，同基體的相容相粘性較差，自身易碎的脆性特征也導(dǎo)致其在與混凝土攪拌過(guò)程中易出現(xiàn)纖維破裂，出現(xiàn)自修復(fù)能力失效的情況。

Homma 等[5]研究了鋼纖維（SC）、聚乙烯纖維（PE）及二者混合纖維對(duì)水泥基材料自愈合性能的影響。發(fā)現(xiàn)摻PE 的ECC 試樣裂縫結(jié)晶產(chǎn)物增長(zhǎng)速度較快, 摻PE+SC 的試樣自愈后抗拉強(qiáng)度得到了明顯的提高。

3.1.3 混凝土微生物自修復(fù)法技術(shù)現(xiàn)狀

混凝土微生物自修復(fù)法是基于生物原理的自修復(fù)?；炷林械母邏A缺氧環(huán)境使這種無(wú)害細(xì)菌處于休眠狀態(tài)， 當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞出現(xiàn)裂紋，氧氣與水分開(kāi)使?jié)B入裂縫，原本休眠的細(xì)菌孢子被激活，自身新陳代謝功能得以恢復(fù)。 喜氧微生物的新陳代謝過(guò)程得以恢復(fù)。喜氧微生物新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生二氧化碳，這些剛產(chǎn)生的二氧化碳與混凝土材料中的鈣離子反應(yīng)生成具有強(qiáng)度的碳酸鈣沉淀，填補(bǔ)裂縫，防止水及其他腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入裂縫，達(dá)到自修復(fù)目的。

微生物自修復(fù)法更加綠色環(huán)保， 實(shí)用性更大，不會(huì)出現(xiàn)因修復(fù)材料耗盡而導(dǎo)致修復(fù)能力喪失的問(wèn)題，微生物的繁殖能力使微生物數(shù)量足以滿足修復(fù)混凝土。 李沛豪等[6]采用巴氏芽孢八疊球菌進(jìn)行自修復(fù)實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明, CaCl2對(duì)應(yīng)的沉淀產(chǎn)物主要成分為方解石, 而Ca （CH3COO）2對(duì)應(yīng)的沉淀產(chǎn)物主要成分為球文石；Jonkers 等[7]分別將加入了甲酸鈣或乳酸鈣的假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌菌液和科氏芽孢桿菌菌液摻入混凝土裂縫，結(jié)果表明，高堿環(huán)境下的微生物修復(fù)混凝土是完全可行的；Wang 等[8]采用硅藻土作為微生物保護(hù)載體， 結(jié)果表明，0.17~0.19 mm 寬度的裂縫愈合。

4 自修復(fù)混凝土優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)研究方向

4.1 自修復(fù)混凝土優(yōu)缺點(diǎn)分析

自然自修復(fù)法、滲透結(jié)晶自修復(fù)法、電沉積自修復(fù)法均需處于潮濕或有水狀態(tài)下， 才能發(fā)揮自修復(fù)能力，因此使這三種修復(fù)法應(yīng)用范圍受限；盡管膠囊自修復(fù)法、 纖維自修復(fù)法修復(fù)混凝土速度上有很大優(yōu)勢(shì)， 但在混凝土攪拌過(guò)程中容易發(fā)生破裂，喪失對(duì)混凝土自修復(fù)的能力，且這兩種材料與混凝土粘結(jié)性較差。

對(duì)于混凝土微生物修復(fù)法相較前幾種方法更復(fù)雜，需要考慮到微生物種類、在相對(duì)環(huán)境下的活性、休眠、適應(yīng)性、應(yīng)用后混凝土強(qiáng)度、與混凝土相適性。 總之，對(duì)于環(huán)境要求頗高，在實(shí)際使用時(shí)，還需綜合考慮各方面才能實(shí)際使用，目前，微生物修復(fù)法多處于初步研究階段， 還需要科研工作者們更加努力的探索和鉆研。

4.2 未來(lái)研究方向

在自修復(fù)混凝土應(yīng)用方面： 各類自修復(fù)混凝土或多或少都對(duì)環(huán)境有具體要求， 混凝土作為一種遍布各種基建、環(huán)境的材料，在對(duì)自修復(fù)混凝土多環(huán)境應(yīng)用還需更加深入的研究探索， 做到一般場(chǎng)景，自修復(fù)混凝土均能被普遍使用。

在自修復(fù)混凝土修復(fù)效果方面：就目前而言，自修復(fù)混凝土修復(fù)裂縫能力還很有限， 修復(fù)裂縫寬度有限，部分自修復(fù)混凝土在水中修復(fù)緩慢。 如何實(shí)現(xiàn)自修復(fù)混凝土在較大裂縫下的自修復(fù)是個(gè)十分艱難的課題， 在滿足修復(fù)效果的情況下提高自修復(fù)效率更是值得深究的。

在控制自修復(fù)混凝土成本方面： 不論是纖維修復(fù)中使用的形狀記憶合金還是膠囊型摻合物，亦是滲透結(jié)晶型中使用的防水劑，其成本都是較高的，對(duì)于一般應(yīng)用場(chǎng)景的混凝土，成本能否得到有效控制，對(duì)于自修復(fù)混凝土的實(shí)際應(yīng)用是有重要影響的。 因此，對(duì)自修復(fù)混凝土的成本控制的研究是十分必要的。