混凝土裂縫自愈合的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

石寶存，張士萍，孫茜，榮飛亞，彭振康，魏凱，蔣沅峰

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

混凝土作為現(xiàn)代建筑業(yè)的核心材料，在眾多外界不利因素的作用下，在未達(dá)到預(yù)定的使用年限時就會出現(xiàn)各種不同程度的裂縫。為了防止裂縫帶來的人身以及財(cái)產(chǎn)威脅，目前國內(nèi)外大多采用定期保養(yǎng)以及外界填補(bǔ)方法，但這樣的填補(bǔ)維修方法工期長，花費(fèi)大量的人力物力。而且對于后期補(bǔ)充的材料是否能與原材料很好的銜接，重新組合之后它的強(qiáng)度耐久性等性能是否滿足現(xiàn)代化社會的需求，以及消耗大量人力物力等問題，都沒有得到很好解決。因此，要想解決混凝土的開裂問題，我們必須尋找新的技術(shù)和方法。目前國內(nèi)外都出現(xiàn)了不同方式的自愈合混凝土。

1 混凝土自愈合技術(shù)

1.1 自愈合研究的意義和目的

自上個世紀(jì)中葉以來，國內(nèi)外學(xué)者對功能型和智能型水泥基材料做了大量研究，并取得了重要成果，如損傷自診斷水泥基復(fù)合材料等。但是如何及時、有效、快速地修復(fù)和愈合混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫和損傷還未形成一個相對完整的理論和成熟的技術(shù)。目前只有部分國家處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，暫時未取得重大突破，還有大量問題需要解決。

截至目前，對于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的問題，我們大多采用的主要形式是定期保養(yǎng)與過后維修。這種人工維修方式不僅耗資巨大，而且修復(fù)后的效果無法滿足現(xiàn)代多功能建筑結(jié)構(gòu)對混凝土的要求。隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，混凝土材料也逐漸由單一的建筑材料向多功能智能材料轉(zhuǎn)型。自修復(fù)混凝土屬于智能材料的一個重要分支，研究混凝土的自修復(fù)有利于解決工程中混凝土裂縫問題。裂縫是工程中難以避免的質(zhì)量缺陷，傳統(tǒng)的混凝土裂縫修復(fù)方式不符合智能混凝土的發(fā)展趨勢。因此，對混凝土自修復(fù)的研究意義重大。

混凝土裂縫自愈合需要一個怎樣的激勵環(huán)境呢？在不同環(huán)境下混凝土裂縫愈合又是怎樣的一個演變機(jī)制呢？根據(jù)工程實(shí)際和學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)，在分析總結(jié)現(xiàn)有資料和方法的基礎(chǔ)上，如果確定了混凝土自愈合能力的最佳環(huán)境參數(shù)，即可提高混凝土的自愈合能力，相當(dāng)于為混凝土結(jié)構(gòu)增加了一種自我防護(hù)，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

混凝土的自修復(fù)最早可以追溯到1925年。Abram發(fā)現(xiàn)混凝土樣品放在室外8年之久，其裂縫可以自愈合，且混凝土裂縫出現(xiàn)后的試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度是裂縫出現(xiàn)前的兩倍多。挪威科學(xué)家Stefan Jacobsen發(fā)現(xiàn)將經(jīng)過凍融損傷處理的混凝土放入水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其抗壓強(qiáng)度有所恢復(fù)，當(dāng)恢復(fù)了4%至5%時，已在水中養(yǎng)護(hù)了2～3個月。

20世紀(jì)90年代，美國伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry教授研究出一種混凝土裂縫主動修復(fù)技術(shù)。Carolyn Dry教授將混凝土外表面涂上一層蠟，內(nèi)注滿膠黏劑聚丙烯纖維預(yù)埋，在混凝土基體開裂時，混凝土基體受熱，表面蠟就會融化，粘合劑就會流出。隨著溫度繼續(xù)升高，膠黏劑固化，混凝土裂縫被填充。

1994年，Carolyn Dry教授也采用了相似的方法，用玻璃空心纖維代替空心膠囊，其空心纖維內(nèi)注入縮醛高分子溶液作為膠黏劑，從而形成仿生智能混凝土自修復(fù)系統(tǒng)。當(dāng)混凝土中產(chǎn)生裂縫或缺陷時，預(yù)埋的纖維中膠黏劑流出，膠黏劑經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后硬化，硬化凝固后的膠黏劑可填補(bǔ)裂縫，達(dá)到修復(fù)缺陷的效果。

還有一種自修復(fù)混凝土，通過改變混凝土的動力特性的方法，來改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力。同樣，在框架梁中預(yù)埋玻璃管，玻璃管中提前用修復(fù)劑填充好，當(dāng)框架梁出現(xiàn)裂縫時，玻璃管破裂，修復(fù)劑從中流出然后進(jìn)入裂縫。結(jié)構(gòu)阻尼特性可利用低模量的膠黏劑來改善；帶裂縫的位置在較硬的膠黏劑下可重獲橫向剛度；通過控制膠黏劑的硬化時間也可控制結(jié)構(gòu)彎曲變形。有試驗(yàn)結(jié)果表明，修復(fù)后的試件強(qiáng)度得到了一定恢復(fù)，并且材料的延展性及柔韌性也得到了改善。

1996年，美國illinois大學(xué)的ATRE實(shí)驗(yàn)室將修復(fù)管埋入混凝土橋面內(nèi)，在修復(fù)管埋入前在管中注入低模量的膠黏劑。修復(fù)管會因混凝土的側(cè)向變形而破裂斷開，然后在管中的膠黏劑會填補(bǔ)橋表面的裂縫。由該試驗(yàn)可得結(jié)論，用該方法修復(fù)橋面?zhèn)认蜃冃我鸬牧芽p是可行的。由于修復(fù)膠黏劑彈性模量低，裂縫愈合區(qū)的阻尼特性得到改善，裂縫修復(fù)后結(jié)構(gòu)承受變形的能力相比開裂之前有了明顯提高。

日本的Yuji Sakai等還對形狀記憶合金智能修復(fù)混凝土進(jìn)行了研究。形狀記憶合金具有性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。Yuji Sakai將直徑為2 mm的超彈性形狀記憶合金絲預(yù)埋在100 mm×100 mm×500 mm的砂漿梁中，并進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)論可知，形狀記憶合金可以明顯增大梁的韌性。

在高溫環(huán)境下，水泥水化、凝結(jié)硬化速度快，水化程度高。相反則速度慢，水化程度低。因此，高溫環(huán)境對水泥混凝土裂縫的自愈合起到一定促進(jìn)作用。Hans-Wolf Reinhardt將預(yù)制裂縫的混凝土置于3種水溫環(huán)境中，研究不同溫度對混凝土裂縫的愈合能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水溫越高，裂縫自愈合反應(yīng)速率越快，愈合效果也就越好。

1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對智能混凝土的研究主要集中于對混凝土的自診斷和自適應(yīng)方面，對于自修復(fù)混凝土的研究還處于起步階段。但隨著近幾年對功能性混凝土材料研究的投入，國內(nèi)有關(guān)自修復(fù)混凝土的發(fā)展也取得了一定進(jìn)步。

20世紀(jì)90年代末，一直在智能復(fù)合材料研究方面貢獻(xiàn)比較突出的南京航天大學(xué)，其智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了采用形狀記憶合金和液芯光纖實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷自動診斷和修復(fù)，并且對總體方案進(jìn)行分析，在初步試驗(yàn)中采用兩種環(huán)氧樹脂，分別是E44和E51。

2001年，南京航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊紅針對混凝土裂縫問題提出了自診斷和自修復(fù)的想法，此想法利用空心光纖的方法來實(shí)現(xiàn)這一智能結(jié)構(gòu)，并且首次提出在智能混凝土方面應(yīng)用此空心光纖維修的方法。

同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)試驗(yàn)室的習(xí)志臻等制備了一種自愈合水泥砂漿，此自愈合水泥砂漿中含有特殊的成分，他分別將含有聚氨酯和丙烯酸酯膠黏劑的空心玻璃纖維埋入水泥砂漿基體中制備而成。利用聲波發(fā)射和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來評價水泥砂漿的修復(fù)效果。由試驗(yàn)結(jié)論可知：砂漿的強(qiáng)度在修復(fù)后有輕微增大，裂縫閉合程度很高，且砂漿韌性得到增強(qiáng)。修復(fù)劑種類會影響混凝土的修復(fù)效果，其中丙烯酸酯對裂縫的修復(fù)作用更好，聚氨酯稍微差一點(diǎn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的歐進(jìn)萍等，通過試驗(yàn)對膠囊分布和相對位置的分析,建立了表征自修復(fù)混凝土材料中的取向函數(shù)和修復(fù)膠囊分布。同時，他們還對具有自愈合行為、內(nèi)置纖維膠液管的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn),分析了修復(fù)纖維對混凝土自愈合效果的影響因素；通過三分點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，驗(yàn)證了梁的裂縫自愈合能力；從修復(fù)纖維微分單元的平衡狀態(tài)得到了修復(fù)纖維能及時發(fā)揮修復(fù)作用的合理參數(shù)；分別采用不同的修復(fù)膠粘劑進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了一種適合鋼筋混凝土梁裂縫自愈合的理想膠粘劑。之后，歐進(jìn)萍和匡亞川將修復(fù)纖維管預(yù)埋在混凝土的受拉區(qū)或易產(chǎn)生裂縫的位置，修復(fù)纖維管里裝有形狀記憶合金和修復(fù)膠黏劑，這樣就一起組成了一種具有自修復(fù)損傷功能的智能混凝土梁。結(jié)論顯示，梁的變形能力明顯增強(qiáng)，混凝土損傷也在快速愈合。

2 目前研究自愈混凝土存在的問題

目前，國內(nèi)對智能混凝土的研究主要集中于對混凝土的自診斷和自適應(yīng)方面，對于自修復(fù)混凝土的研究還處于起步階段。并且在施工現(xiàn)場的應(yīng)用也存在著眾多的問題，對于裂縫自愈合所處的最適環(huán)境也沒有明確的規(guī)范。

（1）對于自愈合后的混凝土強(qiáng)度和耐久性等性能還沒有較大保證。

（2）目前還沒有明確的數(shù)據(jù)表明不同強(qiáng)度的混凝土以及不同深度寬度裂縫完全愈合所需要的時間周期和最適合的培養(yǎng)環(huán)境。

（3）由于混凝土的自主修復(fù)研究還處于初級階段，無法提供實(shí)質(zhì)性的數(shù)據(jù)證明，而當(dāng)前研究主要集中于修復(fù)纖維在混凝土中的應(yīng)用，但在施工中并不方便，且造價昂貴。

3 結(jié)語

智能化是未來建筑材料發(fā)展的大趨勢之一，因此對自修復(fù)混凝土的研究是不可避免的。世界上的建筑材料都離不開混凝土，也可以說混凝土是所有建筑設(shè)施的根本。自修復(fù)自愈合混凝土、自感應(yīng)混凝土和自調(diào)節(jié)混凝土是智能混凝土三個重要的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們環(huán)保意識的提高，傳統(tǒng)混凝土最終會被這種新型自修復(fù)混凝土所取代，這也為以后建筑材料科學(xué)的進(jìn)步提供了新的動力。如果我們弄清楚在不同環(huán)境下，混凝土裂縫愈合過程的演變機(jī)制，明確混凝土自愈合能力的最佳條件，就能提高混凝土的自愈合能力，使混凝土結(jié)構(gòu)更加具備防護(hù)功能。