自愈合及自修復混凝土研究進展

◎鄭丹萌

道路修建過程中，會用到各種各樣的材料，其中混凝土就是應用最為廣泛的一種，在當前道路修建中起到了重要的作用。混凝土應用非常廣泛普遍，其原材料生產豐富、價格較低、生產工藝簡單，受到施工單位青睞，在混凝土的發展過程中，其工藝技術越來越成型，經過百年發展，已經在世界范圍內的土木工程中得到了最廣泛的應用，特別是當前的社會經濟發展現況下，混凝土在各工程領域都有著重要的價值呈現。混凝土雖然具備一定的優點，但是，也存在一些不足，如脆性大、抗拉強度低、對裂縫敏感，另外，長時間荷載、溫度變化及結構效應因素也會造成混凝土出現問題，一般情況下，混凝土最容易出現的問題是裂縫現象。如果混凝土出現了裂縫，不但影響外形的美觀，更會減少強度，混凝土耐久性、承載力將會降低，無法保證建設工程的安全與穩定。只有在發現問題后及時進行修復處理，才能有效提高安全性，因此說，從最初狀態全面修復混凝土裂縫，就能夠避免出現問題擴散，最大程度的保護建筑工程，修復工作顯得十分必要。混凝土修復是一項復雜的工程，在其建設時，投入量大，結構復雜，是勞動密集型工程，要想全面得以修復，其成本是非常高的，如果進行修復，不但需要一定的時間，還影響到建筑工程的使用。有一些建筑物的裂縫是不可見的，其內部細微出現的裂縫，表面看并不影響什么，但是時間久了，就會慢慢擴散，直至無法修復，傳統技術不能進行全面的修復處理，隨著技術的創新發展，自愈合及自修復系統的出現，就能夠有效對各種可見裂縫進行修復，也就是說，通過此項技術的開展，能夠控制和修復混凝土結構早期裂縫，以此，有效避免出現更多的裂縫驅動因素滲透，保證了建筑物壽命。

一、混凝土修復方法

混凝土雖然使用非常廣泛，但是其缺點也影響到了建筑工程的穩定性，作為典型的脆性材料，混凝土在自然力與外力作用下，往往會出現問題，通常混凝土問題表現為微開裂或局部損傷兩種形式，如果出現問題，不但影響到外形的美觀度，更會造成力學性能和耐久性能降低，如果不能及時進行處理，還很有可能會引起更大的裂縫或者是脆性斷裂，如果人們生活工作在這樣的建筑物中，很容易產生災難性事故，給人們生命財產造成損失。為了全面保證混凝土的穩定性，就需要及時對小的微觀裂縫進行修復，以此，避免出現更大的問題，有效保證建筑工程的安全。因此混凝土裂縫修復倍受學術界和工程界關注，也已經成為了他們研究的熱點。從混凝土裂縫的修復方式上，主要有兩種：一種是傳統方式。傳統方式為事后修復，主要是針對已經出現的問題進行修復，建筑工程可見的裂縫修復就是對已經出現的損害部位進行解決，傳統的修復材料性能不穩定，粘度低，受修復材料限制與影響，整體修復的效果并不理想，容易產生二次開裂的情況。另一種是自愈合自修復。這種修復是在事前進行修復，通過有效的修復，能夠使混凝土裂縫在早期就控制問題，避免問題擴大化，通過有效的修復，全面保證了裂縫的穩定性，避免出現滲透現象，給建筑工程帶來更大影響危害，確保建筑物安全，提升了建筑物的耐久性，通過這種新型的修復技術，解決了傳統方法難以解決和無法解決的問題。從當前發展的條件看，自愈合和自修復技術包括：自然自愈合、工程自愈合、被動修復和主動修復等幾種，最為多見應用最廣泛的是自愈合和自修復混凝土技術。

二、自愈合及自修復理論發展

技術在不斷創新發展，在學界更加重視，自愈合最早的出現是法國科學院學者們在1836 年研究中提出的，他們認為自愈合是將水泥水化滲出的氫氧化鈣轉化為暴露于大氣中的碳酸鈣的結果。但是，隨著技術不斷的創新與突破，也提出了水泥自愈合是水泥在后期持續水化作用和其他作用結果的理論研究。經過全面的深入研究，當下，Ramm 和Biscoping 總結了混凝土自愈合現象可能呈現的機理：一是未水化水泥在后期應用中呈現的水化反應；二是混凝土在使用后期呈現的裂縫兩側膨脹；三是混合物出現的碳酸鈣結晶；四是通過水沉淀后對裂縫進行堵塞；五是裂縫自己出現的混凝土顆粒對裂縫進行了填充。隨著技術理論的不斷研究，也發現了更多的機理，直到1999 年，Edvardsen 也在充分實踐后，得出一項結論：他認為碳酸鈣沉淀產生的成因是混凝土結構裂縫自愈合的產物。到了2001 年，又在現有基礎上，有了更加完善的更新，White 等在《自然》雜志發表了聚合物基材料自愈合相關的論文。以此，拉開了自愈合材料研究的熱度，人們更加廣泛的關注起了此項技術。技術在20 年發展過程中，也出現了更多的技術形態，很多不同技術被應用到混凝土結構裂縫修復中，也起到了良好的效果。只是各項技術修復目的不同、修復技術不同，各種技術存在一定的差異性。世界上的發達國家一直沒有停留對技術的探索，日本混凝土所（JCI）將發生在混凝土中的愈合劃為三類：一是自然愈合；二是自主愈合；三是激發愈合。其中第一類是自動愈合，二三類為工程愈合。Mihashi 等在現有成果上，又根據發生在混凝土愈合類型中的不同形態，把不同工程技術分為工程自愈合技術和工程自修復技術。自愈合技術把重點放到了水泥材料本身固有的自動愈合能力，通過激發產生修復能力。工程自修復技術是預埋裝置做到良性的補充，對裂縫進行修復。具體操作時，自修復技術有兩種形式，一是空心管嵌入構件；二是傳感器監測裂縫寬度，當出現臨界度，驅動裝置會自動啟動進行修復。

三、工程自愈合混凝土

水泥基材料是一種特殊的材料，本身自愈合能力較強大，混凝土應用的環境較惡劣，特別是一些特殊結構功能的工程，混凝土所面臨的是水、CO2、各種陰陽離子等化學條件，受到環境溫度、水壓流速、荷載環境的影響，均影響到了混凝土自愈合能力，為了更好地得到修復的效果，保證工程的質量，就需要對影響環境進行分析研究，盡量減少外部環境對混凝土造成的不良影響，以此，進一步激活或提高混凝土自愈合能力。

1.纖維增強混凝土。

如果混凝土基體出現了裂縫，在纖維橋聯效應的作用下，每條裂縫開口都得到有效控制并抑制，以至于裂縫不能快速進行擴散，在這種條件下，不連續和隨機分布的纖維就能夠用于混凝土修復工作中，有效減少裂縫寬度，這樣，不論是任何形式自愈合都有了足夠的支撐。纖維增強脆性材料的技術已經存在多年，但是，不論是理論還是實踐應用中，均還沒形成良好的成熟技術形態，材料愈合相關研究還不到位，從目前的情形看，混凝土纖維通常有玻璃纖維、金屬鋼纖維、天然植物纖維和聚合物有機纖維。其中的玻璃纖維應用最為廣泛，在實際使用中能夠進一步改善混凝土抗拉強度，提升抗沖擊度，可是水泥高堿度的增強會導致纖維更加脆化，局限了修復的效果；金屬鋼纖維在實際使用中，也有一定的作用，通過良好的應用，增強了混凝土延展性、抗彎度和裂韌性，但是，其材料暴露在高硫酸鹽和氯化物環境里，持久性并不好；目前看，混凝土常用聚合物有機纖維是聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚乙烯醇（PVA）等。

Homma 等深入推進了理論創新，通過顯微鏡觀察、透水試驗、拉伸試驗、背散射電子圖像分析等方法，全面進行了纖維增強水泥基復合材料（FRCC）自愈合能力的研究，在試驗中，制備水膠比0.45 的水泥膠砂試件，選擇三種纖維進行系統研究，最后通過拉曼光譜法進行結果檢測，發現碳酸鈣結晶產物附著在PE 纖維上，也就是說，加入PE 纖維后能夠進一步強化裂縫表面碳酸鈣結晶產物的強度，其均厚度更大，從根本上強化了愈合能力。在此基礎上，進行了修復后的水滲透實驗，發現裂縫寬度大于100μm 時，就是加入1.5vol%的PE，效果也沒有得以提升。再通過拉伸試驗發現，PE 單摻抗拉強度也沒有明顯的提高，鋼纖維和PE 混合纖維在試驗中的成果表現優異。

2.微生物作用。

隨著技術創新與實踐總結，近年，也有一些新的方法得以應用，生物技術也已經得到了廣泛的認同，混凝土領域融合了各種先進的技術形態，大大提高了修復的效果與質量，保證了建筑工程的安全。基于微生物策略以后，混凝土結構中就能夠使用細菌對裂縫進行誘導修復，產生碳酸鈣進行一定的沉淀。通過微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICCP）是微生物通過代謝活動在細胞外形成碳酸鈣的能力。生物體能夠在代謝過程中，產生一定的物質，并和周圍環境發生反應，形成一種新型礦物并礦化固定。微生物礦化代謝途徑包括自養途徑和異養途徑兩種。自養途徑中產生的碳酸鈣沉淀主要是微生物在自然條件環境中鈣離子通過二氧化碳轉化引起。異養途徑碳酸鹽析出是硫循環或氮循環產生。

四、工程自修復混凝土

自修復混凝土是一種智能材料，智能材料更加靈敏，在自然條件下，均有著良好的應用，總結看，具備以下功能：一是傳感功能。通過設備對目標問題進行監控，檢測目標是否存在變化，如果出現裂縫則會自動傳輸到后臺；二是處理功能。通過對裂縫的分析判斷，就能夠形成正確的修復方式，那么，后臺人員就可以根據情況采取科學的方法；三是執行功能。對修復的計劃進行組織、實施，保證了計劃的執行。自動自修復模式是在容易出現問題的部位預埋感知系統，當對建筑物出現的問題進行感知后，充分進行裂縫檢測，并對發現的裂縫問題及時傳導到后臺數據庫，后臺的控制系統就能夠進一步分析形成的原因，并釋放修復劑對裂縫進行快速的修復，主動模式自修復是當前應用最為廣泛的方式，其自動化程度高、修復快速簡便，時間成本少，常見技術有形狀記憶合金（SMA）、空芯光纖修復技術。被動模式自修復則不能滿足相關的條件，只是在裂縫產生時界面粘結力儲存基體的修復劑被撕裂后產生釋放，這種修復技術不可控，只有當裂縫到達一定寬度時才能釋放，如微膠囊、中空纖維技術等。

1.形狀記憶合金。

形狀記憶合金能夠快速進行系統的恢復，其應變量達7%～8%。形狀記憶合金有雙程記憶效應和全程記憶效應兩種。進行實踐應用時，主要是把預拉伸處理SMA 預埋到基體，通過自動的監控，及時發現基體裂縫，如果到達了裂縫臨界值，裂縫附近SMA 就會加熱并收縮，達到閉合裂縫或限制裂縫擴散的目的，使裂縫得以全面的修復。雖然SMA 在實際應用雖有很多優點，但是SMA 比特但是通過一定的溫度才能起作用，如果加熱溫度不夠也無法發揮作用，整體看，穩定性不足，影響到了材料的聚合度。使用SMA 進行修復，成本極高，價格是普通鋼材700 倍，面對昂貴的材料價格，也是難以普遍使用推廣的成因。

2.空芯光纖和中空纖維。

空芯光纖由纖芯、包層和涂敷層組成，其制作原理是把一定量的修復劑儲存到纖芯管內，進行施工建設時，把光纖預埋到混凝土容易出現問題的基體中，如果混凝土結構在自然力或者外力作用下出現變形，那么光纖就會在擠壓作用下釋放，其固有的光強度、相位、波長及偏振等參數就會出現變化。后臺的監測系統就能第一時間感應變化，進行分析判斷后，對損傷位置定位，并驅動注膠系統，通過光纖加壓的方式，刺激光纖管產生破裂，達到修復目的。近年來，一直對光纖在混凝土中的傳輸特性進行研究，特別是在光纖光功率損耗方面的研究，已經取得了良好的效果。從最終的理論成果看，注入纖芯空心中介質影響光傳播速度，光在光纖中傳播主要是反射，介質不同，在纖芯傳播的效果也不同，為了達到更好地效果，則對空心光纖與混凝土結構匹配度進行了試驗，結果表明：一是光纖與混凝土完全結合。混凝土出現問題后，強度會下降，空心光纖傳感也下降；二是光纖與混凝土過緊。這種情況下，空心光纖與混凝土結構界面產生應力更加集中，受應力作用埋入混凝土結構的空心光纖傳輸性能就能下降，產生損傷出現斷裂。而空心光纖較細，不能用更多的修復劑，整體儲存量不足，如果裂縫過大，膠液總量不足，無法進行全面修復，影響到了修復的效果，要想應用空心光纖技術，則還需要提升，解決流量。中空纖維損傷自修復與空心光纖類似，在實際使用中，也是將膠黏劑注入中空玻璃纖維埋入混凝土基，其工作原理相同，混凝土結構荷載產生損傷和裂縫，纖維內膠黏劑就會流出滲入裂縫，通過化學作用膠黏劑產生固結，對已經產生的裂縫進行抑制，使開裂部位得以修復。

3.微膠囊。

微膠囊是物理條件的產物，主要是通過成膜材料包覆分散性固體、液體或氣體形成核殼結構微小容器。微膠囊自修復工作的原理有三層次，一是把含有修復劑的微膠囊固化劑均勻進行分布，使基體材料起到作用；二是如果出現混凝土裂縫，呈現的裂縫尖端就會對微膠囊產生應力，刺破修復劑并使之流出，通過裂縫光滑部位滲到修復處；三是裂縫修復劑能夠快速和固化劑相遇并產生反應，對裂縫進行良好的修復。

在修復過程中，殼體要有足夠強度，在日常存放時不出現破損，保證修復劑的還原性能，同時，當裂縫出現后，還具備一定的敏感度，如果外力足夠強大，其靈敏性就能夠生發出來，并破裂釋放修復劑，在工作過程中，需要保證微膠囊與基體緊密性。修復劑在長期存放過程中，受到自然因素影響，容易出現過期的問題，所以不但需要保證流動性，還需要有持久性，能夠進行長期儲存，這樣，其性能才能更加穩定。

五、自愈合和自修復混凝土存在的主要問題

1.受環境影響大。

纖維增強水泥基復合材料性能高于普通混凝土，其自身的自愈合性能更強，但是從影響上看，其受自然同時認為人影響較大，特別是齡期、介質、溫濕度和外加劑影響較強烈，如果使用的時間過長，其愈合效果就不佳，影響到對裂縫的修復。

2.影響建筑物安全。

微生物的應用在一定條件下是安全的，但是在實際的使用中，還存在安全隱患。其對裂縫的處理效果雖然較好，能夠快速對混凝土進行裂縫修復并產生自愈合，但厭氧細菌酶會在空氣作用下產生氨氣，如果靠近不僅危害健康，更會進行化學物質轉化，生成硝酸并對周邊的鋼筋腐蝕。細菌是短壽命的物質，其生長與死亡后產生的機體能夠在混凝土中長期保留，形成的空穴致使混凝土強度降低，影響到了建筑工程的安全。

3.修復膠黏劑具有毒性。

修復劑是一種高強度的化學制品，從根本上說具備一定的毒性，特別是在工程研究中，如果在外力作用下流出，不但影響周邊的空氣質量，更會散發出毒性物質，使用時需要把握好數量與介質。

六、結語

自修復混凝土雖然一直在研究創新，但是在實際應用中已經有了成果，解決了混凝土裂縫問題，保證了建筑工程的穩定與安全。未來則需要在配套監測、檢測手段及標準規范上做文章，全面提高自愈合及自修復技術能力，幫助解決傳統混凝土工程技術難題，不斷推動自愈合及自修復混凝土技術發展，實現建筑工程偉大變革。