自修復、自愈合混凝土

諶紅萍

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

關鍵詞：自修復混凝土；自愈合混凝土；膠粘劑；細菌孢子

1.概念

自修復混凝土，是在混凝土中加入包裹膠粘劑的載體，當混凝土產生裂縫時，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生封堵裂縫的物質，這種物質遇到水就被激活，產生結晶體，沉積在裂縫的表面，不斷增加結晶體在裂縫周圍沉淀，逐漸將混凝土開裂部分填充密實。

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裂縫。當裂縫很小時，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物進入這些裂縫，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件的受力性能，更嚴重的可能發生脆性斷裂，產生災難性事故，給社會帶來無可挽回的損失。

3.自修復、自愈合混凝土的發展過程

自從1925年Abram的一個偶然發現，拉開了混凝土裂縫自修復發展的序幕。他將進行過混凝土抗彎拉試驗并已經產生裂縫了的混凝土試件隨意扔在戶外長達8年之久，偶然的一天他發現此混凝土試件的裂縫居然已經愈合了。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行抗彎拉試驗，此時他發現這些混凝土試件的強度竟然達到了以前強度值的三倍。這個發現讓人們對自修復混凝土的研究燃起了希望。

1994年，CarolynDry教授（美國工llinois大學）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網絡系統的自修復混凝土。自修復混凝土結構一旦受到外界作用出現損傷或者裂縫時，載體內的膠勁劑修復液就會流出滲入到裂縫，使混凝土裂縫愈合。

南京航空航天大學的智能材料與結構航空科技重點實驗室，在我國的智能復合材料研究領域處于領先地位。1997年，他們研究了利用液芯光纖和形狀記憶合金（sMA絲）對復合材料結構中的損傷進行自診斷、自修復的方法。對總體方案進行了分析，用環氧FA4和環氧E51做了初步試驗：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，當混凝土發生損傷時，由液芯光纖組成的自診斷、自修復網絡使膠液流入損傷處，同時局部激勵損傷處的SMA短纖維，產生局部壓應力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對損傷處進行自修復，而且當液芯光纖內所含的膠粘劑流到損傷處后，SMA激勵時所產生的熱量，將大大提高固化的質量，使得自修復完成得更好。

2012年10月在荷蘭代爾夫特理工大學自愈混凝土的研究工作開始進行。研究人員將混凝土愈合所需的細菌孢子和營養物質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，當混凝土產生裂縫時，雨水進入裂縫并激活它們。這種無害的細菌，屬于桿菌屬細菌，于是開始汲取養分，產生石灰石。納入愈合劑的細菌食品是乳酸鈣，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境。

4.自修復、自愈合混凝土的研究方向和難點

用膠囊或者空心纖維玻璃管等可以承載膠勁劑的載體，將修復膠勁劑送入普通混凝土中，當混凝土受拉產生裂縫時，載體破裂，修復膠勁劑流出，從而對裂縫進行修復。此種方法修復劑的選用很關鍵，不僅要考慮修復劑的粘接強度、黏度，而且要注意其組成成分。為了保證裂縫初開裂時，內置修復管內的修復劑能夠迅速流到裂縫處修復裂縫，就要求修復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，確保粘結的質量。

形狀記憶合金型自修復混凝土：在混凝土容易開裂的區域埋置經過預拉的形狀記憶合金絲和光纖。當混凝土受到外界影響產生裂縫超過允許的寬度時，通過光纖拾取的信號向微處理系統發出指令，形狀記憶合金絲則發揮功效使裂縫愈合或者限制裂縫的擴張，從而達到自修復裂縫的目的。

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

在自修復、自愈合混凝土的研究過程中還存在一些難點未得到解決：（1）自修復混凝土膠茹劑的性能還需得到進一步改善，目前還無法實現多次裂縫自修復；（2）自修復混凝土配制的原材料中有對人體產生傷害的物質，還需進一步研究解決此問題；（3）膠勁劑載體的加入，會使自修復混凝土自身強度降低。如果能解決此問題對自愈合混凝土的發展具有重要意義。

5.結語

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構的維護成本。不過，在短期內，以傳統方式修復混凝土裂縫更為經濟。雖然混凝土自愈合技術尚有許多關鍵技術性問題亟待解決，但是包括自修復、自愈合功能在內的水泥基材料的智能化已成為現代建筑材料的發展趨勢。