結(jié)構(gòu)用自修復水泥基建筑構(gòu)件研究

□張 瑩 張藝凝 王俊淇 秦 榮

一、引言

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件存在抗裂性差、脆性大、韌性差等缺點，并容易遭受到外部環(huán)境因素的影響，如：溫度、濕度、荷載變化等。這是由于傳統(tǒng)構(gòu)件存在的這些問題導致了混凝土構(gòu)件的承載能力和耐久性以及抗?jié)B能力大大降低。面對傳統(tǒng)構(gòu)件存在的這些問題，一旦解決不夠及時，勢必會對構(gòu)件產(chǎn)生損傷，削減構(gòu)件的使用時間，嚴重的可能會發(fā)生事故，造成生命和財產(chǎn)的損失。在實際工程中，由于傳統(tǒng)水泥基構(gòu)件存在的這些缺點，已對施工技術(shù)人員造成了很大的不便。

基于水泥基鋼筋混凝土構(gòu)件在理論研究與實際工程中存在的不足之處，本文對自修復水泥基建筑構(gòu)件與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件的對比試驗分析，并以此為依據(jù)，初步研究一種新型自修復水泥基建筑結(jié)構(gòu)。將新型自修復混凝土構(gòu)件與傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)件進行試驗對比，從而總結(jié)出此方法的可行性。

實際工程中，對于一些構(gòu)件的微小裂縫及損壞很難察覺到，與此同時，一些常規(guī)的損傷修復方式也難以將構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫進行準確有效的修復。為了高效處理混凝土構(gòu)件使用過程中因為這些不定原因造成的微裂紋、微毀傷等問題，增強建筑結(jié)構(gòu)的性能，防止建筑構(gòu)件內(nèi)部裂紋的繼續(xù)發(fā)展，延長混凝土構(gòu)件的使用壽命，混凝土自修復材料與技術(shù)的研究與發(fā)展勢必成為將來建筑材料的主要方向。

二、自修復混凝土概述

在實際工程使用的建材中，水泥混凝土是經(jīng)常被使用的。但是施工及使用過程中，水泥混凝土構(gòu)件難免會出現(xiàn)一些損害或裂縫。在工程中對于構(gòu)件面出現(xiàn)的微裂縫，往往采用人工物理的修復方式使其重回正常使用狀態(tài)，而對于構(gòu)件里面產(chǎn)生的細小裂紋，及時使用儀器進行檢測，也是相當困難的。因此，如若能直接阻止混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫或能使構(gòu)件自身進行裂縫的修復是具有重大意義的。

自修復混凝土是自身具有修復裂縫功能的智能混凝土材料，當構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生細小微裂縫時，能夠自我進行檢測，通過構(gòu)件外部或內(nèi)部條件的作用，能夠自身進行修復微裂縫，并能夠阻止裂縫的進一步發(fā)展。

三、自修復水泥基材料的研究

現(xiàn)如今主要有形狀記憶合金(SMA)修復技術(shù)和液芯光纖(光纖法)主動式修復和被動式修復兩種修復方法。本文主要介紹和研究了被動式自修復混凝土技術(shù)。當混凝土構(gòu)件遭受到外部破壞導致其發(fā)生變形時，提前放置與構(gòu)件內(nèi)部的修復系統(tǒng)便會啟動，釋放出其所攜帶的修復材料，修復材料便會進入到裂縫中，對裂縫進行修復，這就是被動式修復。包括微膠囊修復技術(shù)，中空纖維技術(shù)等。

(一)微膠囊修復技術(shù)。微膠囊自修復混凝土的原理就是把作為修復混凝土的材料做成膠囊的模樣，與制作混凝土的骨料拌和在一起(內(nèi)置于混凝土構(gòu)件中)，當混凝土構(gòu)件受到破壞或外部環(huán)境達到膠囊的感知條件，膠囊將會破裂，釋放出其中的修復材料，從而達到修復混凝土構(gòu)件的目的。近年來，微膠囊修復混凝土材料正在飛速發(fā)展，微膠囊修復材料也迅速發(fā)展為新型材料。

(二)纖維法。纖維法的修復原理與微膠囊的修復原理大致相似，纖維法的修復機理是將用于修復混凝土裂縫的修復劑放置在纖維中，并將放置修復液的纖維置于混凝土構(gòu)件中，從而當混凝土構(gòu)件受到外力產(chǎn)生裂縫時，內(nèi)置于構(gòu)件中的纖維便會將修復劑放出，從纖維中釋放的修復劑將主動找到裂縫存在的位置，對裂縫開始實施修復。如果作為修復的纖維能夠具有醫(yī)生一樣的診斷能力，置于纖維中的修復劑便會自動對構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫進行修復，從而達到修復的智能性。

四、關(guān)于自修復水泥基建筑構(gòu)件的研究現(xiàn)狀

混凝土的自修復在實驗中被認為具有可行性并在1925年第一次被觀察到，美國學者觀察并且檢測28天抗壓強度的損傷混凝土構(gòu)件在標準情況下高于正常值，置于野外經(jīng)歷了多種極端惡劣的環(huán)境長達8年。抗壓強度在專業(yè)儀器檢測下增加并且提升到初始數(shù)值兩倍(美國學者Abram)。采取了電化學技術(shù)研究了傳統(tǒng)構(gòu)件損傷的修復(美國Ryu以及日本Nobuaki)，觀察到損傷修復而且抵抗?jié)B透率有所提升。20世紀末期，日本學者以比較新穎的方法實現(xiàn)了芯材和壁材的制備。為水玻璃和環(huán)氧樹脂在特定的化學環(huán)境中制成芯材劑注入膠囊或者中玻璃纖維(空心化)，將自愈材料混入混凝土中，當觀察到混凝土受損，制備的修復材料發(fā)生破損，環(huán)氧樹脂包裹覆蓋損傷部位，從而傷口得以愈合。20世紀90年代中期，美國學者將芯材為膠黏劑的膠囊混入混凝土，自修復混凝土得以制備。同期4年后，把混合好的粘粘劑的有機材料置入新型實驗的預制混凝土內(nèi)，超強力粘粘劑的纖維管為主要實驗對象，在標準環(huán)境下觀察到混合了有機材料纖維的預制混凝土剛度發(fā)生了顯著恢復而且略有提高。(密歇根大學Victor等人)Motuku等人著重探討了纖維空心化在基體的位置以釋放修復劑過程。在1998年Tsuji提出構(gòu)想即用高吸水樹脂為自修復混凝土芯材來制備，在思維觀念上這是材料的技術(shù)革新，具有獨特的時代特征。隨后Lee等進行了深入探討高吸水樹脂的實際應(yīng)用可能性，在2001年把微膠囊愈合載體使用到以環(huán)氧樹脂為芯材，研制出愈合且自修復的環(huán)氧樹脂膠囊的愈合比率高達75%。

在1997年南京航空航天大學發(fā)現(xiàn)了使用液芯光纖和記憶合金狀態(tài)以復合材料構(gòu)型中的裂縫采用自修復方式。此外，探討智能自修復AI混凝土與同濟大學習志臻、姚武等學者，與混凝土傳統(tǒng)構(gòu)成中混合比較新穎組成成分，例如特殊傳感器、混合膠黏劑的液態(tài)纖維芯材，以新的方式展示了智能型具有前瞻性的仿生自診斷、新時代獨立的自愈合智能體系。匡亞川等著重探討了即將含有愈合劑混合入水泥基材料中愈合效果(混入玻璃纖維管)。21世紀初期，國內(nèi)學者采取了不同的方法，即原位聚合法，以有機壁材以脲醛樹脂為代表，以有機膠黏劑為壁部材料的新型自愈合微型膠囊，有機膠黏劑為雙環(huán)戊二烯膠黏劑，隨后制備成功。隨后采取了長時間的技術(shù)修改和探討，在自溶型自我修復體系以及微生物自修復愈合技術(shù)，即微膠囊自修復混凝土、做了研究和申請(同濟大學最早在國內(nèi)進行了自修復混凝土技術(shù)專利)。深圳大學展開了除國外微膠囊自愈合(修復)混凝土相關(guān)專利的研究工作以及申請加入等。在東南大學申請了除國外首件以微生物為技術(shù)依托專利，其他例如沈陽建筑大學、長安大學、山東大學等眾多高校的相關(guān)科學技術(shù)研發(fā)團隊在自愈合(修復)混凝土相關(guān)研究專項也展開了相對較多體系完全的相關(guān)探討。并且申請了相關(guān)的技術(shù)專利。

五、自修復水泥基結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

目前除了一小部分的研究探討還處在初級理論研究探討和試驗室摸索階段，并沒有形成完整的體系理論和提供可以開展實驗的相關(guān)技術(shù)，國內(nèi)外學者在修復劑自主愈合修復的相關(guān)探討方面已經(jīng)得到了并不是很多的進展。但是很多問題依然沒有答案，例如在置入構(gòu)件后纖維或微膠囊后所呈現(xiàn)愈合效果的呈現(xiàn)規(guī)律比如力學性能發(fā)生變化和傳遞水分性能改變、膠囊形狀異變管狀膠囊尺寸依據(jù)(包括膠囊內(nèi)部的長度、壁部厚度以及二維自修復合整體中有關(guān)摻量的明確規(guī)定劃量、催化劑以及微細玻璃管(空心化)的制備、芯材在放出的過程中變化規(guī)律、自愈材料的使用時間、損壞寬度與膠囊放出愈合劑其中的判據(jù)、多次重復在荷載條件下的多次愈合問題等連續(xù)的困擾。與此同時，在從與之有關(guān)的方向來糾察自行修復技術(shù)的探討還比較貧瘠，傷痕自主修復的技術(shù)在最后要求抵達愈合裂縫傷痕的目標，而混凝土表現(xiàn)出的傷痕區(qū)域分布狀態(tài)、尺寸區(qū)間、是否連通和傷痕形狀外貌都會對愈合表象產(chǎn)生特殊影響，科學地規(guī)定刻畫建筑材料可以展示的傷痕格局對探討自主愈合技術(shù)也非常的重要，一個完整的構(gòu)想是根據(jù)傷痕和構(gòu)件的形狀學角度進行探討自主愈合技術(shù)在建筑復合材料中所含相對量分析結(jié)果。在現(xiàn)階段自主修復混凝土前景預測，獨立修復自主愈合混凝土技術(shù)是多種學科交叉性較強的新技術(shù)，它包含到土木工程、有機材料、化學等大的科學領(lǐng)域。為了獨立愈合(修復)混凝土體系與相對技術(shù)的發(fā)展趨勢能夠較快實際使用于工程建筑，在眾多科學領(lǐng)域間互相交匯貫通，解決問題共同發(fā)展是最重要的。

即使在混凝土自愈合(修復)技術(shù)還有較多重要技術(shù)性困難問題等待著人們?nèi)ゴ蜷_它們，包括獨立和自生自愈合(修復)、功能與一體的水泥基建筑材料的相對智能化已成開始使現(xiàn)代建筑材料有新的發(fā)展趨勢。混凝土自主愈合(修復)體系為建筑構(gòu)件微傷痕的修復愈合和有成效地減慢實際存在但并未發(fā)現(xiàn)的危害提出了新的解決方式，該體系會減少或消除人工的檢測以及外部維修補漏以及需要的大量費用，節(jié)約建筑構(gòu)造以降低經(jīng)費消耗、提高使用壽命等優(yōu)點。自愈合(修復)混凝土作為新型的智能建筑材料，是成為建筑材料構(gòu)造——智能一體系化的重要節(jié)點，打造智能體系完成智能建筑的產(chǎn)業(yè)升級。在大型土木基建的隨時愈合等各種各樣的問題有很多的處理辦法與解決方式，為實現(xiàn)建筑物的使用安全和耐久性增強都是重要的。

六、結(jié)語

對混凝土構(gòu)件進行闡述，分析了國內(nèi)外關(guān)于自修復混凝土構(gòu)件的發(fā)展狀況，介紹了自修復水泥基材料混凝土構(gòu)件的研究方法。目前，中國關(guān)于自修復混凝土構(gòu)件的研究只有不到20年的時間，技術(shù)水平還不夠成熟。放眼未來建筑行業(yè)的發(fā)展前景，自修復混凝土構(gòu)件在建筑行業(yè)的地位必將大幅提升，并成為不可或缺的構(gòu)件。因此，對于自修復混凝土構(gòu)件的研究，還需要努力，要努力做到新型、環(huán)保、高效、低成本。加快讓自修復混凝土技術(shù)進入實際工程是最重要的，未來關(guān)于自修復混凝土技術(shù)的研究將是大趨勢。