混凝土自修復(fù)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

馬榮，倪國(guó)海，曹兆洋，黃鈺雲(yún)，施響城

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇，南京，211167）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展， 混凝土已成為目前建筑市場(chǎng)用量最大的建筑材料。但是混凝土材料并非完美，體積大，重量大，施工麻煩，其中存在的最大問(wèn)題是混凝土在不同環(huán)境、荷載等不利因素的影響下，容易產(chǎn)生裂縫。為了避免或減小裂縫帶來(lái)的危害，國(guó)內(nèi)外大多采取定期保養(yǎng)及后期外界填補(bǔ)的方式，但這類(lèi)后期維護(hù)的方法，工期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益低，而且在重新組合之后， 其各種性能還是否能符合要求尚未可知。因此，希望能尋求一種更好的解決混凝土開(kāi)裂問(wèn)題的技術(shù)。

1 混凝土自修復(fù)技術(shù)

1.1 自修復(fù)技術(shù)背景

自修復(fù)混凝土通過(guò)模仿動(dòng)物再生創(chuàng)傷骨組織結(jié)構(gòu)恢復(fù)機(jī)理的方式，創(chuàng)新性采取多種方式，對(duì)損傷破壞的材料進(jìn)行修復(fù)再生， 是提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。但是如何能減少混凝土開(kāi)裂及愈合混凝土裂縫， 還未形成一個(gè)相對(duì)有效且完整的理論體系，僅有部分國(guó)家仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，仍有許多問(wèn)題需要解決。

就目前的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)手段，業(yè)內(nèi)大多采用定期維護(hù)保養(yǎng)與后期對(duì)裂縫的外界填補(bǔ)方式，其效果并不顯著。自修復(fù)混凝土作為多功能混凝土分支不可或缺的組成部分，其創(chuàng)新的修復(fù)方式有著極大優(yōu)勢(shì)，對(duì)解決工程中因混凝土裂縫而產(chǎn)生的問(wèn)題，有著重大的研究意義。

混凝土自修復(fù)的主流方式，有基于水泥基材料的自我修復(fù)體系、內(nèi)置纖維管自修復(fù)體系、微生物自修復(fù)體系、微膠囊自修復(fù)體系及高吸水性材料自修復(fù)體系。

1.2 國(guó)外研究狀況

早期，Abrams 意外發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞之后的混凝土試件放置在戶(hù)外很長(zhǎng)一段時(shí)間之后，該試件的抗壓強(qiáng)度提高到原先測(cè)得的抗壓強(qiáng)度的2倍之后，揭開(kāi)了國(guó)內(nèi)外研究混凝土自修復(fù)的序幕[1]。

20 世紀(jì)末葉，Dry Carolyn 教授根據(jù)日本學(xué)者微膠囊的研究方法，以空心玻璃纖維代替微膠囊，并以縮醛高分子材料作為修復(fù)材料， 注入空心玻璃纖維中，混凝土出現(xiàn)裂縫使得玻璃纖維隨之破壞，修復(fù)劑材料流出， 并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硬化沉淀填補(bǔ)裂縫，達(dá)到修復(fù)效果[2]；后來(lái)Victor 等人在空心纖維管中注入超強(qiáng)力的膠水作為修復(fù)劑材料， 觀察到混凝土出現(xiàn)裂縫后，纖維中的超強(qiáng)力膠水流出，連接并彌補(bǔ)裂縫，使得混凝土結(jié)構(gòu)的剛度明顯提高[3]。

21 世紀(jì)初， 日本學(xué)者Yuji Sakai 等研究了摻入形狀記憶合金的方式進(jìn)行混凝土修復(fù)。Yuji Sakai 在尺寸為100 mm×100 mm×500 mm 規(guī)格的水泥砂漿梁中埋入直徑為2 mm 的彈性形狀記憶合金金屬絲，并對(duì)其采用三點(diǎn)加壓抗折試驗(yàn)，結(jié)果顯示，形狀記憶合金可以提高梁的韌性[4]；十年后，Joseph 采用氰基丙烯酸鹽粘合劑作為修復(fù)材料，將玻璃纖維管中植入混凝土構(gòu)件中，玻璃管的一段伸出試塊并彎曲，當(dāng)玻璃纖維管隨裂縫開(kāi)裂后，向伸出試塊外部的玻璃管一段注入修復(fù)劑，通過(guò)管道流到裂縫部位并對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)[5]；

2015 年， 根特大學(xué)微生物生態(tài)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室諸多學(xué)者與根特大學(xué)馬格納爾混凝土研究實(shí)驗(yàn)室合作試圖通過(guò)從造紙廠廢水中去除Ca2+的方法將微生物誘導(dǎo)CaCO3沉淀的經(jīng)濟(jì)效益提高了一個(gè)等級(jí)[6]。同年，代爾夫特工業(yè)大學(xué)Koster 等人研究發(fā)現(xiàn)與未處理的顆粒相比，按照不同的混合配方制備的顆粒具有更好的浸出保護(hù)作用。當(dāng)涂層產(chǎn)生比所需霧化差的低壓?jiǎn)瘟黧w噴嘴涂層更多的顆粒時(shí)，使用高壓?jiǎn)瘟黧w噴嘴可以改善霧化效果。此外，當(dāng)用高壓噴嘴噴霧器制備的顆粒摻入水泥漿中時(shí)，其性能要比用低壓噴嘴噴霧器制備的顆粒更好[7]。

近期，布拉格捷克技術(shù)大學(xué)Schreiberová 等人基于生物自愈劑對(duì)混凝土材料特性的影響，研究其組成。將一些最合適且經(jīng)常提出的養(yǎng)分，如乳酸鈣、硝酸鈣、甲酸鈣、尿素和酵母提取物等直接添加到水泥砂漿中，并且它們對(duì)材料特性的影響強(qiáng)度和流變性進(jìn)行了評(píng)估和比較。結(jié)果表明，硝酸鈣、甲酸鈣、 乳酸鈣和尿素通常具有增加抗壓強(qiáng)度的潛力，尤其是在早期。相反，與對(duì)照系列相比，酵母提取物的施用劑量導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度急劇下降，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化濃度[8]。

1.3 國(guó)內(nèi)研究狀況

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)自修復(fù)混凝土的研究還處于初步階段，目前主要集中在對(duì)混凝土自診斷與自適應(yīng)的研究，但近年來(lái)，隨著對(duì)功能性混凝土材料研究的展開(kāi)，自修復(fù)混凝土方面的研究也取得一定成績(jī)。

本世紀(jì)初， 福州大學(xué)劉承超等人借助ADINA8.0 軟件建立模型，對(duì)混凝土中的預(yù)埋修復(fù)玻璃膠囊進(jìn)行分析，確定了其合理的幾何參數(shù)，為此后空心玻璃膠囊的選用提供了參考[9]。

至2005 年， 國(guó)內(nèi)掀起了關(guān)于智能混凝土自修復(fù)研究的熱潮，羅素蓉教授采用免振搗自密實(shí)混凝土作為自修復(fù)混凝土的基材， 分別將三種膠粘劑（α-氰基丙烯酸酯、氯丁橡膠和聚氨酯）注入修復(fù)空心玻璃纖維內(nèi)，進(jìn)行混凝土簡(jiǎn)支梁構(gòu)件的三分點(diǎn)純彎試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可作為自修復(fù)混凝土用的修復(fù)膠粘劑是經(jīng)稀釋而改善了流動(dòng)性的氯丁橡膠膠粘劑以及聚氨酯膠粘劑；α-氰基丙烯酸脂膠粘劑經(jīng)過(guò)改性、 脆性韌性調(diào)整后， 也可作為修復(fù)膠粘劑使用[10]。2009 年，吳翠蓮等人又選取了三種膠粘劑（氯丁萬(wàn)能膠、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氯乙烯膠粘劑）作為修復(fù)劑進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三者都能作為自修復(fù)劑其中氯丁萬(wàn)能膠的修復(fù)效果最好[11]。

2013 年，同濟(jì)大學(xué)陸洲導(dǎo)等人對(duì)6 個(gè)混凝土試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)， 通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂注膠技術(shù)嘗試修復(fù)劈裂后的試件， 接著二次對(duì)試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)次修復(fù)技術(shù)可顯著推遲試件裂縫的再開(kāi)展[12]。三年后，廣東省海洋土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以環(huán)氧樹(shù)脂E-51 為固化劑， 脲醛樹(shù)脂為外殼材料， 通過(guò)原位聚合法設(shè)計(jì)合成了脲醛/環(huán)氧微膠囊，并研究了微膠囊的生存力以及微膠囊對(duì)標(biāo)本力學(xué)性能的影響。通過(guò)SEM/EDS 驗(yàn)證了微囊在破裂時(shí)的破裂和裂縫愈合效果，評(píng)估其自修復(fù)能力[13]。

2018 年， 華南理工大學(xué)江沈陽(yáng)等人采用壽命預(yù)測(cè)的方法，針對(duì)自修復(fù)混凝土裂縫修復(fù)后的狀態(tài)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，采用人工制作的方式使環(huán)氧樹(shù)脂包裹硅酸鈉并覆蓋細(xì)沙制作了硅酸鈉修復(fù)劑，并通過(guò)多次試驗(yàn)，探索出適合于研究自修復(fù)混凝土修復(fù)后壽命的混凝土試件裂縫生成方式[14]。

2019 年，同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料實(shí)驗(yàn)室徐晶等人利用微生物誘導(dǎo)成礦實(shí)現(xiàn)混凝土的開(kāi)裂自修復(fù)， 選取了摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%硅灰的硫鋁酸鹽水泥作為低堿性膠凝負(fù)載材料對(duì)菌體進(jìn)行負(fù)載保護(hù)[15]。

2 目前自修復(fù)混凝土存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)在此方面的研究主要集中在自診斷與自適應(yīng)方面， 就自修復(fù)研究尚處于起步階段，且應(yīng)用中也存在眾多問(wèn)題。

（1）目前自修復(fù)方式較多，且各自?xún)?yōu)勢(shì)與弊端，如何從優(yōu)選擇尚沒(méi)有一個(gè)較完善的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）目前自修復(fù)混凝土在實(shí)際應(yīng)用中有著諸多不便，無(wú)法大范圍使用。

（3）自修復(fù)混凝土使用前期增加的資金投入與后期維護(hù)工作量的減少關(guān)系尚未可知。

（4）自修復(fù)后的混凝土，其強(qiáng)度及耐久性等尚沒(méi)有保證，僅處于試驗(yàn)階段。

3 結(jié)語(yǔ)

為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要，自修復(fù)混凝土技術(shù)的研究必須提上日程， 同時(shí)可以借鑒國(guó)外學(xué)者方法，并創(chuàng)新多種方式，盡快打破技術(shù)壁壘。隨著研究的不斷深入，混凝土材料會(huì)在耐久性、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益與安全保障方面實(shí)現(xiàn)更大突破。