自修復(fù)、自愈合混凝土

諶紅萍

摘要：混凝土在現(xiàn)代建筑中被廣泛運(yùn)用，但混凝土是脆性材料，混凝土在施工和使用過程中產(chǎn)生的裂縫對建筑的使用產(chǎn)生很大的影響，而自修復(fù)，自愈合混凝土能很好的解決混凝土產(chǎn)生裂縫帶來的不良后果。

關(guān)鍵詞：自修復(fù)混凝土；自愈合混凝土；膠粘劑；細(xì)菌孢子

1.概念

自修復(fù)混凝土，是在混凝土中加入包裹膠粘劑的載體，當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，膠粘劑外層包裹物破裂，膠粘劑流出，充滿裂縫，最終將裂縫封住。

自愈合混凝土，是在混凝土中添加可產(chǎn)生封堵裂縫的物質(zhì)，這種物質(zhì)遇到水就被激活，產(chǎn)生結(jié)晶體，沉積在裂縫的表面，不斷增加結(jié)晶體在裂縫周圍沉淀，逐漸將混凝土開裂部分填充密實(shí)。

2.背景

混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料。但它是一種脆性材料，在施工過程中或使用過程中很容易出現(xiàn)裂縫。當(dāng)裂縫很小時(shí)，雖說不影響受力性能，但給人視覺上是不安全的。而有的裂縫會隨著時(shí)間的推移，裂縫會越來越大，裂縫大到一定程度，再遇到水或侵蝕性化學(xué)物進(jìn)入這些裂縫，裂縫處的混凝土和鋼筋會受到腐蝕，最終會影響到混凝土構(gòu)件的受力性能，更嚴(yán)重的可能發(fā)生脆性斷裂，產(chǎn)生災(zāi)難性事故，給社會帶來無可挽回的損失。

3.自修復(fù)、自愈合混凝土的發(fā)展過程

自從1925年Abram的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)，拉開了混凝土裂縫自修復(fù)發(fā)展的序幕。他將進(jìn)行過混凝土抗彎拉試驗(yàn)并已經(jīng)產(chǎn)生裂縫了的混凝土試件隨意扔在戶外長達(dá)8年之久，偶然的一天他發(fā)現(xiàn)此混凝土試件的裂縫居然已經(jīng)愈合了。帶著驚喜和困惑他再次將此開裂后自動愈合的混凝土試件進(jìn)行抗彎拉試驗(yàn)，此時(shí)他發(fā)現(xiàn)這些混凝土試件的強(qiáng)度竟然達(dá)到了以前強(qiáng)度值的三倍。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓人們對自修復(fù)混凝土的研究燃起了希望。

1994年，CarolynDry教授（美國工llinois大學(xué)）將載有膠粘劑（縮醛高分子溶液）的載體（空心玻璃短管或者玻璃空心纖維）加入到混凝土材料中，配制成具有智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自修復(fù)混凝土。自修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)一旦受到外界作用出現(xiàn)損傷或者裂縫時(shí)，載體內(nèi)的膠勁劑修復(fù)液就會流出滲入到裂縫，使混凝土裂縫愈合。

南京航空航天大學(xué)的智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在我國的智能復(fù)合材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。1997年，他們研究了利用液芯光纖和形狀記憶合金（sMA絲）對復(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。對總體方案進(jìn)行了分析，用環(huán)氧FA4和環(huán)氧E51做了初步試驗(yàn)：將液芯光纖和形狀記憶合金埋入混凝土中，光纖的出射光由光敏管接受，當(dāng)混凝土發(fā)生損傷時(shí)，由液芯光纖組成的自診斷、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)使膠液流入損傷處，同時(shí)局部激勵(lì)損傷處的SMA短纖維，產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對損傷處進(jìn)行自修復(fù)，而且當(dāng)液芯光纖內(nèi)所含的膠粘劑流到損傷處后，SMA激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的熱量，將大大提高固化的質(zhì)量，使得自修復(fù)完成得更好。

2012年10月在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)自愈混凝土的研究工作開始進(jìn)行。研究人員將混凝土愈合所需的細(xì)菌孢子和營養(yǎng)物質(zhì)作為顆粒添加到混凝土配合料中，但水成了微生物生長需要所缺少的成分。因此，孢子處于休眠狀態(tài)，當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，雨水進(jìn)入裂縫并激活它們。這種無害的細(xì)菌，屬于桿菌屬細(xì)菌，于是開始汲取養(yǎng)分，產(chǎn)生石灰石。納入愈合劑的細(xì)菌食品是乳酸鈣，一種牛奶成分。顆粒中所用的微生物能夠承受混凝土的高堿性環(huán)境。

4.自修復(fù)、自愈合混凝土的研究方向和難點(diǎn)

用膠囊或者空心纖維玻璃管等可以承載膠勁劑的載體，將修復(fù)膠勁劑送入普通混凝土中，當(dāng)混凝土受拉產(chǎn)生裂縫時(shí)，載體破裂，修復(fù)膠勁劑流出，從而對裂縫進(jìn)行修復(fù)。此種方法修復(fù)劑的選用很關(guān)鍵，不僅要考慮修復(fù)劑的粘接強(qiáng)度、黏度，而且要注意其組成成分。為了保證裂縫初開裂時(shí)，內(nèi)置修復(fù)管內(nèi)的修復(fù)劑能夠迅速流到裂縫處修復(fù)裂縫，就要求修復(fù)劑黏度較高且具有較高的流動性，能夠迅速滲入到混凝土裂縫中，充分潤濕裂縫表面，確保粘結(jié)的質(zhì)量。

形狀記憶合金型自修復(fù)混凝土：在混凝土容易開裂的區(qū)域埋置經(jīng)過預(yù)拉的形狀記憶合金絲和光纖。當(dāng)混凝土受到外界影響產(chǎn)生裂縫超過允許的寬度時(shí)，通過光纖拾取的信號向微處理系統(tǒng)發(fā)出指令，形狀記憶合金絲則發(fā)揮功效使裂縫愈合或者限制裂縫的擴(kuò)張，從而達(dá)到自修復(fù)裂縫的目的。

自愈合生物混凝土，在混凝土中摻入有涂層或有底物的細(xì)菌孢子，涂層和底物在混凝土的生產(chǎn)和硬化過程中避免細(xì)菌孢子受到破壞，使其存活更長的時(shí)間直到需要自愈合。當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，水分浸入到裂縫處，孢子被激活，與水反應(yīng)生成填充物將裂縫填充密實(shí)。

在自修復(fù)、自愈合混凝土的研究過程中還存在一些難點(diǎn)未得到解決：（1）自修復(fù)混凝土膠茹劑的性能還需得到進(jìn)一步改善，目前還無法實(shí)現(xiàn)多次裂縫自修復(fù)；（2）自修復(fù)混凝土配制的原材料中有對人體產(chǎn)生傷害的物質(zhì)，還需進(jìn)一步研究解決此問題；（3）膠勁劑載體的加入，會使自修復(fù)混凝土自身強(qiáng)度降低。如果能解決此問題對自愈合混凝土的發(fā)展具有重要意義。

5.結(jié)語

添加膠粘劑的混凝土和生物混凝土給建筑材料帶來的好處是顯而易見。目前，混凝土是全球最常用的建筑材料，而通過采用具有自愈能力的混凝土，鋼筋用量可以減少，從而降低建筑成本。這種新材料有可能會提高混凝土的使用壽命，并有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本。不過，在短期內(nèi)，以傳統(tǒng)方式修復(fù)混凝土裂縫更為經(jīng)濟(jì)。雖然混凝土自愈合技術(shù)尚有許多關(guān)鍵技術(shù)性問題亟待解決，但是包括自修復(fù)、自愈合功能在內(nèi)的水泥基材料的智能化已成為現(xiàn)代建筑材料的發(fā)展趨勢。