自愈混凝土的研究發展綜述與機理及建議★

金星翰 方光秀

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

0 引言

自愈性混凝土是具有感知和修復性能的在裂縫產生后能夠自行修補的機敏混凝土。混凝土裂縫會降低結構的承載能力、耐久性和防水性，縮短建筑物使用年限，并且大量的資金被分配到惡化混凝土結構的維護，修理和修復[1]。當采用自愈智能混凝土結構時，由外力作用、構件老化或在使用過程中形成的混凝土裂縫，即使不進行人工維護，在裂縫出現初期就可以進行自愈，這種性能大大提高了結構的使用壽命。自愈混凝土作為新型理想的建筑材料，成為綠色建筑材料領域的研究熱點。目前，混凝土自愈試驗處于探索發展階段，國內外學者不斷研究并提出了創新的觀點，對混凝土裂縫的預防和修復具有重要意義。本文就自愈混凝土在國內外的研究發展現狀進行綜述，并闡述了其工作機理，同時建議與提出了新型碳納米管復合型自愈混凝土的概念與機理。

1 自愈混凝土研究發展綜述

自愈混凝土的試驗研究在一些發達國家已經展開，由于技術設備等原因，國內大多數還處于探索發展階段，擁有較好試驗條件的美國、日本、韓國等國外學者已進行了不少的創新性試驗，對于自愈混凝土的研究發展起到了參考和推動作用。

1.1 國內研究現狀

2003年，方璟等人[2]進行了混凝土凍融循環破壞后的養護自愈試驗，把兩組不同比例粉煤灰及破壞程度不同的混凝土試件循環凍融并完全破壞，使混凝土試件的動彈性模量百分率低于60%，放入充滿水的實驗槽將室溫控制在15 ℃～30 ℃之間進行養護，經過一段時間的養護，兩組試件的動彈性模量百分率都恢復到了破壞前。同時發現自愈速度受到破壞程度的影響，隨裂縫寬度變大，則需要形成更多的水化產物，自愈時間更長。

2004年，歐進萍等人[3]對基于膠囊的自修復進行了研究，在膠囊中放入混凝土修復劑，混凝土產生裂縫或受外力作用破壞時造成膠囊壁破裂，修復劑在裂縫處發生混凝土的自愈修復反應，通過有限元計算分析確定了膠囊的破壞厚度，得到了較好的試驗效果。

2005年，張應波等人[4]提出了軸壓與水壓對混凝土自愈性能的影響，通過把人工造縫的試件放入三面密封、一面通水壓的試件匣中進行不同軸壓與水壓的試驗，提出自愈合能力隨著軸壓的增大而增大，水壓在大于自重情況下結構的裂縫被較好地自愈合。

2010年，張永強等人[5]進行混凝土自愈試驗時，在摻加粉煤灰的基礎上又加入了引氣劑，減小了混凝土孔結構的平均孔徑和臨界孔徑，提高了混凝土流動性，增加了結構的抗凍性與耐久性，改善了混凝土的自愈合性能。

2015年，湯寄予等人[6]研究了鋼纖維對于瀝青混凝土自愈性能的影響，使瀝青膠漿AP和鋼纖維瀝青膠漿SFAP凍融破壞，并對比分析兩者的自愈合性能，從而發現加入鋼纖維的瀝青膠漿雖然產生的裂縫數量更多、但裂縫的寬度卻更小，裂縫愈合時間更短，有效提高了混凝土的自愈能力。

1.2 國外研究現狀

Mohammed Al-Ansari等人[7]調查研究了在自愈混凝土中摻入硝酸鈣微膠囊時的強度降低問題，并且提出了對硝酸鈣微囊化程序的改進措施，使混凝土強度降低使其達到最小化。在試驗中，把1%～10%的低親水親油平衡乳化劑和0.1%～1.0%的油溶性磺酸催化劑(按水相中的水重量)溶解在有機溶劑中，以制備連續的相。制備不同硝酸鈣濃度的砂漿混合物，并測定砂漿混合物的動彈性模量。結果表明，采用改進程序制備的硝酸鈣微膠囊，有效提高了自愈混凝土的強度。

F.A.Gilabert等人[8]評估了玻璃混凝土界面的強度和斷裂韌性，這兩個特性在混凝土自愈中起到重要作用。通過單軸拉伸測試來評估粘合強度、四點彎曲測試來獲得界面能量，并使用有限元方法進行互補數值模型的模擬，發現玻璃混凝土界面可以產生約1 N/mm2的最大強度，斷裂能為0.011 J/m。

Jeon SungIl等人[9]進行了測量混凝土每個齡期的裂縫寬度的試驗，在每個混凝土試件中都發現了自愈性能，當初始裂縫寬度不大于150 μm時，大部分裂縫完全愈合，并提出在混凝土開裂收縮的情況下，有必要檢查裂縫處混凝土的固化期和自愈效果。

Son,Hyeongmin等人[10]使用硅烷偶聯劑，改善有機和無機復合材料的力學性能，試圖解決由孔隙率增加而導致混凝土自愈性下降的問題。試驗表明，硅烷偶聯劑可作為有機和無機復合材料的粘結劑，可有效提高自愈混凝土的強度。

Kim,Wha Jung等人[11]研究了微生物的礦化作用對混凝土自愈性的影響。在微生物代謝過程中，通過CaCO3的沉淀反應產生化合物，并且生物礦化使得巴斯德芽孢桿菌沉淀CaCO3，生成使砂表面硬化的粘合劑，驗證了新礦物的形成和砂表面的硬化。試驗得出，微生物對混凝土的自愈能力有促進作用。

1.3 研究中存在的不足點

近幾年來隨著越來越多的學者投入到自愈混凝土的研究領域，促使自愈混凝土的應用技術取得了快速發展，但在實際工程應用中仍存在不足點：

1)自然愈合作用時間長，不適用于一些裂縫寬度較大的混凝土結構。

2)當采用纖維復合材料時，在混凝土自愈過程中可能產生硫化物，對環境和人體造成影響；當采用混凝土膠囊修復技術時，如果缺少外力作用，則膠囊壁不易破壞，裂縫的自修復會受到影響。

3)在實際工程應用中，混凝土自愈或自修復技術的成本太高，會降低工程項目的經濟效益；在干旱地區，混凝土的自愈性將受到影響，在實際應用中需要人工灑水養護，需要額外的設備與人力支出。

2 自愈混凝土的機理

混凝土的自愈主要分為自然愈合和工程愈合。

自然愈合是混凝土內在的自愈現象，當混凝土結構出現裂縫時，混凝土中尚未水合的水泥顆粒與水和二氧化碳發生水化反應，產生碳酸鈣等水化產物，覆蓋在已形成的裂縫處并填充裂縫，有效提高混凝土的抗壓強度。

工程自愈是人為通過纖維材料、微生物和膠囊等媒介使混凝土自愈能力增強的技術措施。發揮混合材料和功能材料的固有特性，如：利用具有吸濕膨脹能力的SAP(高吸水樹脂Super Absorbent Polymer)等材料以及微生物的礦化作用(通過微生物的礦化及沉淀反應，使生成的CaCO3沉淀在混凝土裂縫中)，使得混凝土達到更好的自愈效果。

3 新型自愈混凝土的提出與建議

3.1 碳納米管復合型自愈混凝土的提出

在實際工程應用中，當采用微生物礦化修復混凝土裂縫技術時，將會遇到材料成本較高、微生物自身受環境限制、自愈時間長等問題。通過查閱有關文獻發現，碳納米管復合材料可克服上述缺陷，并針對實際工程提出碳納米管復合型自愈混凝土的概念。

3.2 碳納米管復合材料的特性

單碳納米管、多壁碳納米管如圖1，圖2所示。

碳納米管(CNT)具有理想的力學性能，其強度和韌性都大于任何纖維[12]。在混凝土材料中加入碳納米管復合材料可改善材料的力學性能，同時還能使混凝土獲得自愈功能[13]。

碳納米管復合材料的拉伸強度約為鋼筋拉伸強度的100倍，彈性模量約為5倍，彈性應變約為60倍，密度約為1/6，且導熱系數是金剛石的兩倍，導電率約為銅的1 000倍以上。

3.3 碳納米管復合型自愈混凝土的機理

若將碳納米管(CNT)等高強度復合材料作為自愈混凝土的添加材料，與高性能減水劑和納米碳混合物按比例制成復合材料，使混凝土材料更加密實，將提高混凝土強度、韌性和材料的耐久性，使其自愈性能大幅度提升。還可利用碳納米管良好的導電性，使用電力傳輸來檢查混凝土試件是否出現裂縫，并通過互聯網連接進行遠程實時監控。

4 結語

1)通過自愈混凝土的研究發展綜述，歸納總結了近年來自愈混凝土的國內外研究現狀與成果以及機理，可為進一步研究提供理論基礎。

2)本文提出了新型碳納米管復合型混凝土的概念、特性以及機理，其自愈與力學性能，可通過進一步的試驗研究而得到完善。

3)混凝土自愈技術的研究作為建筑領域智能化趨勢的體現，在經濟和環保效益方面具有較大潛能。

[1] 曹雙貧，邱洪興，干恒華.結構可靠性鑒定與加固技術[M].北京:中國水利水電出版社，2002.

[2] 方 璟，武世翔.混凝土在試驗室條件下凍融破壞的特點[J].混凝土與水泥制品，2003(3)：18-20.

[3] 歐進萍，匡亞川.內置膠囊混凝土的裂縫自愈合行為分析和試驗[J].固體力學學報，2004，25(2)：320-324.

[4] 張應波，朱 悅.瀝青混凝土的裂縫自愈試驗研究[J].西安理工大學學報，2005(3)：324-326.

[5] 張永強，鮑國棟.混凝土自愈的試驗研究[J].山西建筑，2010,36(34)：159-160.

[6] 湯寄予，高丹盈，趙 軍.鋼纖維瀝青混凝土裂縫自愈能力試驗研究[J].公路，2015(12)：221-227.

[7] Mohammed Al-Ansari，Ala G.Abu-Taqa，Marwa M.Hassan，et al.Performance of modified self-healing concrete with calcium nitrate Microencapsulation[J].Construction and Building Materials，2017(149)：525-534.

[8] F.A.Gilabert，K.Van Tittelboom，E.Tsangouri，et al.Determination of strength and debonding energy of a glass-concrete interface for encapsulation-based self-healing concrete[J].Cement and Concrete Composites，2017(79)：76-93.

[9] Jeon Sung Il,Yun Kyung Ku,An Ji-Hwan.Self-Healing of Concrete Overlay for Bridge Deck[J].Journal of the Korea Concrete Institute,2016(7):565-566.

[10] Son,Hyeongmin Kim,Jin Sung Lee,H.K.Overview on compressive strength gain in self-healing concrete through a silane coupling agent[J].Journal of the Korea Concrete Institute,2016(9):271-272.

[11] Wha Jung Kim,Sung Tae Kim,Sung Jin Park,et al.A Study on the Development of Self-Healing Smart Concrete Using Microbial Biomineralization[J].Journal of the Korea Concrete Institute,2009,21(4):501-511.

[12] Wong E W，Sheehan P E，Liebert C M.Nanobeam mechanics:elasticity，strength，and toughness，of nanorods and nanotubes[J].Science，1997(277):1971-1975.

[13] 韓寶國.壓敏碳纖維水泥石性能、傳感器制品與結構[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學博士學位論文,2005:8-10.