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自愈混凝土

2018-06-27 13:32:26 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：砼行路上分享至：

1.概念

自修復(fù)混凝土是模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生，恢復(fù)機(jī)理，采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，對(duì)材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。

2.背景

混凝土是一種典型的脆性材料，在使用過(guò)程中會(huì)在外力或其他因素作用下，產(chǎn)生微開(kāi)裂或局部損傷，造成力學(xué)性能和耐久性能降低，甚至還可能引發(fā)宏觀裂縫并出現(xiàn)脆性斷裂，產(chǎn)生災(zāi)難性事故，給社會(huì)造成難以挽回的損失。而目前無(wú)論是在道路橋梁還是房屋土建工程，混凝土的運(yùn)用都非常廣泛，混凝土在工程中應(yīng)用越來(lái)越普遍，越來(lái)越重要，因此混凝土裂縫修復(fù)成為了學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)。裂縫的修復(fù)方式大致可分為兩種：一種是傳統(tǒng)的事后修復(fù)方式或定時(shí)修復(fù)，這種修復(fù)大多針對(duì)肉眼能看到的裂縫，修復(fù)部位一般為混凝土易損傷處，且受修復(fù)材料限制，容易產(chǎn)生二次開(kāi)裂，隨著技術(shù)的發(fā)展，混凝土越來(lái)越多地被應(yīng)用到地下建筑物、核電站及儲(chǔ)存劇毒物質(zhì)裝置等特殊環(huán)境，這種停留在被動(dòng)和訓(xùn)一劃模式下的修復(fù)方式已不能適應(yīng)當(dāng)前對(duì)混凝土材料的要求；另一種為自愈合自修復(fù)，能夠使混凝土裂縫在早期得到控制和修復(fù)，避免宏觀裂縫的產(chǎn)生及因滲透而帶來(lái)的危害，確保了建筑物的安全和耐久性，從而解決了傳統(tǒng)方法難以解決和無(wú)法解決的問(wèn)題。混凝土按其自愈合和自修復(fù)作用方式的不同可以分為：自然自愈合、工程自愈合、被動(dòng)修復(fù)和主動(dòng)修復(fù)等[1]。

3.研究進(jìn)展

自從1925年Abram的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)，拉開(kāi)了自修復(fù)混凝土發(fā)展的序幕。他將進(jìn)行過(guò)混凝土抗彎拉試驗(yàn)并已經(jīng)產(chǎn)生裂縫了的混凝土試件隨意扔在戶外長(zhǎng)達(dá)8年之久，偶然的一天他發(fā)現(xiàn)此混凝土試件的裂縫居然已經(jīng)愈合了。帶著驚喜和困惑他再次將此開(kāi)裂后自動(dòng)愈合的混凝土試件進(jìn)行抗彎拉試驗(yàn)，此時(shí)他發(fā)現(xiàn)這些混凝土試件的強(qiáng)度竟然達(dá)到了以前強(qiáng)度值的三倍。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓人們對(duì)自修復(fù)混凝土的研究燃起了希望。

后來(lái)有個(gè)挪威學(xué)者Stefan Jacobsen進(jìn)行這方面的研究也發(fā)現(xiàn)，將混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)損傷以后，再將這個(gè)混凝土試件放在水中保持2-3個(gè)月的時(shí)間，重新再做混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)試件的強(qiáng)度有了4%-5%的恢復(fù)。

東京理工大學(xué)的Nobuaki Otsuki教授和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的日本學(xué)者J. S. Ryu用電化學(xué)技術(shù)研究了鋼筋混凝土裂縫的愈合，取得了可觀的成果。首先，他們?cè)?00 X 100 X 200mm混凝土試件上預(yù)制表面裂紋或者穿透裂紋，然后將這開(kāi)裂的試件浸泡在0. lmol/L Mg （N0） z或者M(jìn)gClz溶液中，再施加直流電源，電流密度為：0. 5 -1. OA/m2。裂紋尖端附近電流密度更高，電沉積首先在裂紋尖端形成，裂紋尖端的曲率半徑逐漸增大，最后達(dá)到完全鈍化，從而在混凝土表面覆蓋約0. 5-2mm的電沉積物，逐漸修復(fù)裂縫。裂縫閉合在通電的前兩個(gè)星期速度最快，約4-8個(gè)星期的時(shí)間，裂縫幾乎完全愈合，并且滲透率也降低了。還有一些學(xué)者在開(kāi)裂的混凝土中加入特殊的活性無(wú)機(jī)料和有機(jī)化合物，靠混凝土的進(jìn)一步水化和有機(jī)物在堿性條件下會(huì)緩慢硬化的特性，使帶有裂縫的混凝土達(dá)到裂縫自修復(fù)、自鈍化的目的。

九十年代初期，日本東北大學(xué)的學(xué)者三橋博三教授將內(nèi)含修復(fù)劑的玻璃纖維或空心膠囊摻入到混凝土中，分別用環(huán)氧樹(shù)脂、水玻璃和稀釋水玻璃作為修復(fù)劑。

將修復(fù)劑注入空心玻璃纖維或空心膠囊中，當(dāng)混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，空心纖維或膠囊破裂，修復(fù)劑流出覆蓋滿裂縫，使混凝土裂縫重新愈合。他們制作了齡期為7天和28天的混凝土試件，測(cè)試經(jīng)不同修復(fù)劑修復(fù)裂縫后，混凝土試件的強(qiáng)度恢復(fù)率約達(dá)6%。

日本學(xué)者沼尾達(dá)彌研究了自修復(fù)混凝土的性能。研究了在自修復(fù)混凝土中不同纖維摻量、尺寸和不同水灰比等因素對(duì)自修復(fù)混凝土性能的影響。研究得出：

直徑為3mm^5mm，摻量3%^5%的玻璃纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，但是玻璃纖維摻量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降：水灰比對(duì)修復(fù)混凝土抗壓強(qiáng)度有較大影響，水灰比越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越低。

1994年，Carolyn Dry教授（美國(guó)工llinois大學(xué)）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(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自修復(fù)混凝土。自修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)一旦受到外界作用出現(xiàn)損傷或者裂縫時(shí)，載體內(nèi)的膠勁劑修復(fù)液就會(huì)流出滲入到裂縫，使混凝土裂縫愈合。將經(jīng)過(guò)自修復(fù)膠勁劑修復(fù)后的混凝土試件再次進(jìn)行混凝土抗彎拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件的強(qiáng)度比先前還高，并且混凝土材料的延性也得到了很大的改善。

南京航空航天大學(xué)的智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在我國(guó)的智能復(fù)合材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)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(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行自診斷、自修復(fù)的方法。對(duì)總體方案進(jìn)行了分析，用環(huán)氧E44和環(huán)氧E51做了初步試驗(yàn)：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(dāng)混凝土發(fā)生損傷時(shí)，由液芯光纖組成的自診斷、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)使膠液流入損傷處，同時(shí)局部激勵(lì)損傷處的SMA短纖維，產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對(duì)損傷處進(jìn)行自修復(fù)，而且當(dāng)液芯光纖內(nèi)所含的膠粘劑流到損傷處后，SMA激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的熱量，將大大提高固化的質(zhì)量，使得自修復(fù)完成得更好。

2011年，南京航空航天大學(xué)的學(xué)者楊紅提出：利用空心光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的自診斷、自修復(fù)。該文首創(chuàng)將空心光纖用于智能結(jié)構(gòu)中的研究方法，設(shè)計(jì)了埋入空心光纖的復(fù)合材料的診斷與修復(fù)系統(tǒng)，用于檢測(cè)復(fù)合材料損傷程度與損傷位置以及對(duì)損傷處進(jìn)行自修復(fù)等。在此復(fù)合材料中，還埋入了形狀記憶合金（SMA）絲以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、安全和可靠性。研究的對(duì)象是紙蜂窩和樹(shù)脂基兩種復(fù)合材料，利用空心光纖注膠的方法進(jìn)行了復(fù)合材料自修復(fù)的研究。試驗(yàn)表明，修復(fù)后的紙蜂窩復(fù)合材料完全達(dá)到正常材料的使用性能，樹(shù)脂基復(fù)合材料在完全破壞的情況下，經(jīng)修復(fù)后，材料的拉伸和壓縮性能得到很大的恢復(fù)。

2005年，鄭州大學(xué)的學(xué)者研究了膠囊型智能復(fù)合材料。將含有膠勁劑的微膠囊顆粒加入到復(fù)合材料中，復(fù)合材料內(nèi)部一旦產(chǎn)生損傷或者裂紋，在裂紋擴(kuò)展力的作用下，埋入復(fù)合材料中的微膠囊就會(huì)破裂釋放出修復(fù)膠勁劑，修復(fù)膠勁劑將裂紋修復(fù)有效阻止了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了材料的自修復(fù)功能。

2010年，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：在混凝土梁中預(yù)先配置SMA能夠顯著提高它的剛度；通過(guò)通電激勵(lì)加熱的方法，SMA鋼筋恢復(fù)力提高可以有效減小梁的撓度和裂縫寬度；增加SMA合金的總截面面積（即提高它的配筋率），可以提高合金對(duì)混凝土梁的驅(qū)動(dòng)效果。

國(guó)內(nèi)外對(duì)自修復(fù)混凝土的探究主要有2個(gè)大的方向：

①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(fù)膠勁劑送入普通混凝土中，當(dāng)混凝土受拉產(chǎn)生裂縫時(shí)，載體破裂，修復(fù)膠勁劑流出，從而對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)。

②形狀記憶合金型自修復(fù)混凝土：在混凝土容易開(kāi)裂的區(qū)域埋置經(jīng)過(guò)預(yù)拉的形狀記憶合金絲（s}）和光纖。當(dāng)混凝土受到外界影響產(chǎn)生裂縫超過(guò)允許的寬度時(shí)，通過(guò)光纖拾取的信號(hào)向微處理系統(tǒng)發(fā)出指令，形狀記憶合金絲（s}）則發(fā)揮功效使裂縫愈合或者限制裂縫的擴(kuò)張，從而達(dá)到自修復(fù)裂縫的目的。

在自修復(fù)混凝土的研究過(guò)程中還存在一些難點(diǎn)未得到解決：

①自修復(fù)混凝土膠茹劑的性能還需得到進(jìn)一步改善，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次裂縫自修復(fù)；②自修復(fù)混凝土配制的原材料中有對(duì)人體產(chǎn)生傷害的物質(zhì)，還需進(jìn)一步研究解決此問(wèn)題；③膠勁劑載體的加入，會(huì)使自修復(fù)混凝土自身強(qiáng)度降低。如果能解決此問(wèn)題，對(duì)自修復(fù)混凝土的發(fā)展具有重要意義[2]。

4.裂縫產(chǎn)生原因

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示：在美國(guó)有577000座公路橋，其中69%以上都有混凝土的橋面板，超過(guò)25年的橋面板大都己經(jīng)翻新或需要修復(fù)。美國(guó)大壩委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，1972年以前發(fā)生大壩病害事故349起，其中嚴(yán)重破壞甚至廢棄的重大事故有74起，威脅公眾安全的大壩有160座。國(guó)內(nèi)的建設(shè)規(guī)模雖不如發(fā)達(dá)國(guó)家，工程歷史也不長(zhǎng)，但也存在較嚴(yán)重的混凝土工程損害情況。據(jù)對(duì)我國(guó)70座大壩調(diào)查結(jié)果，有裂縫者占100%，滲漏溶蝕占87. 5%，沖刷磨損及空蝕占68. 8%,碳化和鋼筋銹蝕局部破損占43. 8%，水質(zhì)侵蝕占28%，凍融局部破壞占15. 6%。從以上分析可知：混凝土的應(yīng)用是非常普遍的，裂縫在混凝土中的存在也具有普遍性。

混凝土裂縫的產(chǎn)生，如果根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因則可以劃分成兩大類(lèi)，一個(gè)是結(jié)構(gòu)性的裂縫，另一個(gè)就是非結(jié)構(gòu)性的裂縫。如果按照裂縫產(chǎn)生時(shí)間則可以分為施工過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫和使用過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，比較常見(jiàn)的裂縫就是由化學(xué)反應(yīng)所引起的裂縫。其中，堿骨料的反應(yīng)所產(chǎn)生的裂縫和鋼筋的銹蝕所產(chǎn)生的裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的。混凝土在拌合之后就會(huì)出現(xiàn)一些堿性的離子，然后這些離子就會(huì)和一些活性的骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而引起體積膨脹，造成混凝土的酥松、開(kāi)裂。這種裂縫一般清況下發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)使用的時(shí)候，如果出現(xiàn)這種裂縫，那么就會(huì)很不好修補(bǔ)了。

5.自愈合混凝土

5.1. 細(xì)菌混凝土

一般存活于極度干燥的環(huán)境（如沙漠）甚至超堿性環(huán)境中的細(xì)菌形成抱子的能力很強(qiáng)，而且其生存環(huán)境與混凝土內(nèi)部環(huán)境相似。這些干燥或耐堿性細(xì)菌具有極低的代謝活性，能夠抵抗較高的機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)誘導(dǎo)應(yīng)力，并有較長(zhǎng)的壽命。目前己對(duì)耐堿性的內(nèi)生抱子細(xì)菌在提高混凝土自愈合能力方而進(jìn)行了相關(guān)研究，并通過(guò)ESEM分析（環(huán)境掃描電子顯微鏡）說(shuō)明了細(xì)菌混凝土中方解石沉淀的可能性。下圖展示了裂縫中沉淀的方解石。

研究發(fā)現(xiàn)：混凝土基體中的抗堿性內(nèi)生抱子細(xì)菌可以活躍地沉淀碳酸礦物，用于激活內(nèi)生抱子的水可以通過(guò)裂縫進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)。此外，細(xì)菌需要有機(jī)碳進(jìn)行礦物沉淀，并使其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳，隨后與游離鈣沉淀形成碳酸鈣。游離鈣離子通常存在于混凝土基體中，但有機(jī)碳沒(méi)有。而理想情況是有機(jī)碳也是混凝土基體的一部分，在這種情況下，只需要外部的水來(lái)激活混凝土中的細(xì)菌，就可以把混凝土基體中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成碳酸鈣，從而實(shí)現(xiàn)裂縫的愈合。

基于此，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)新的方法，即使用一種由細(xì)菌和底物混合組成的兩組分生物愈合劑。將細(xì)菌和底物都儲(chǔ)存在多孔膨脹粘土顆粒中，在混凝土的生產(chǎn)和硬化過(guò)程中保護(hù)了細(xì)菌，使其存活更長(zhǎng)的時(shí)間直到需要自愈合。

試驗(yàn)制備了只添加底物和添加了底物及細(xì)菌的混凝土試樣。養(yǎng)護(hù)56天后進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)使其部分開(kāi)裂，然后放入一個(gè)滲透試驗(yàn)裝置中，該試驗(yàn)裝置24h提供側(cè)向水壓力。愈合后的裂縫在顯微鏡下的觀測(cè)結(jié)果如圖所示，同時(shí)檢測(cè)了試樣愈合后的滲透性。試驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)菌混凝土的裂縫愈合比具有相同成分但沒(méi)有添加細(xì)菌的混凝土更有效。

透過(guò)裂縫滲入的CO2與混凝土基體的氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鈣，反應(yīng)方程式為：CO2+Ca（OH）2一CaCO3+H2O在這種情況下，由于CO2數(shù)量有限，只產(chǎn)生了少量碳酸鈣。同時(shí)裂縫表而的氫氧化鈣將會(huì)溶解并從裂縫擴(kuò)散，進(jìn)入外部水溶液中。隨著外部水溶液中CO2含量的增加，溶解的氫氧化鈣將在遠(yuǎn)離裂縫的地方沉淀形成碳酸鈣。而由于細(xì)菌進(jìn)行碳酸鈣的轉(zhuǎn)化十分活躍，使得自愈合過(guò)程更加高效：

Ca（C3H5O2）2+7O2一CaCO3+5C02+5H2O

這個(gè)過(guò)程間接地和裂縫表而的氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生CO2。在后而的過(guò)程中，氫氧化鈣并沒(méi)有溶解擴(kuò)散，而是直接與細(xì)菌產(chǎn)生的CO2反應(yīng)生成碳酸鈣，使得裂縫愈合效果更好。

由此看出，生物愈合劑的自愈合效果相對(duì)較好，可以作為以化學(xué)成分或水泥粘合劑為基礎(chǔ)的自愈合劑的替代品[3]。

5.2自愈合纖維混凝土

研究表明：裂縫的寬度是混凝土發(fā)生自愈合的關(guān)鍵。能夠發(fā)生自愈合過(guò)程的裂縫寬度要求低于200μm，最佳情況是低于50 μm，特別是對(duì)于持續(xù)水化水泥的自愈合過(guò)程。然而在實(shí)際中是很難達(dá)到裂縫寬度要求。為了能夠有效地對(duì)裂縫寬度進(jìn)行控制，Li等人開(kāi)發(fā)了一種新的纖維增強(qiáng)應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料，稱為高延性水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementi-tious Composites，簡(jiǎn)稱ECC），ECC是根據(jù)微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)原理設(shè)計(jì)以控制裂縫寬度。ECC中使用的纖維在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后與砂漿基體協(xié)同作用，從而抑制局部性的脆性破壞。即使混合料局部受到幾百牛頓的拉力，也只會(huì)產(chǎn)生微裂紋損傷。

應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（Strain Hardening Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱SHCC）是代爾夫特大學(xué)Microlab的一個(gè)主要研究課題。對(duì)SHCC梁試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試件撓度高達(dá)2. 4 mm，隨后分別將其在水和空氣中養(yǎng)護(hù)28 d。在水中養(yǎng)護(hù)的試件表現(xiàn)出極佳的撓度增強(qiáng)能力和剛度恢復(fù)能力，然而在空氣中養(yǎng)護(hù)的試件并沒(méi)有表現(xiàn)出以上性能。ESEM和XEDS（X射線衍射）的觀察結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。愈合后試件的機(jī)械性能得到了恢復(fù)，裂縫中充滿了反應(yīng)產(chǎn)物。

基于上述研究可以得出以下結(jié)論：

（1）在水中養(yǎng)護(hù)的試件自愈合后的彎曲能力與原始試件相比可以恢復(fù)65%-105%，而空氣中養(yǎng)護(hù)的試件的比例是40%-60%。此外，在初始線性階段水中養(yǎng)護(hù)的自愈合試件比空氣中養(yǎng)護(hù)的試件的剛度更大，原因是在水中裂縫內(nèi)部形成了自愈合產(chǎn)物。

（2）通過(guò)ESEM和XEDS觀察發(fā)現(xiàn)水中的微裂縫主要通過(guò)碳酸鈣愈合。從ESEM還可以看出，愈合產(chǎn)物是從裂紋的兩邊向中間生長(zhǎng)的。這是因?yàn)榱鸭y表而附近氫氧化鈣的濃度相對(duì)較高，這些氫氧化鈣從大塊膠凝材料和不規(guī)則斷裂而擴(kuò)散至裂縫附近，在裂縫表而附近形成方解石。

（3） SHCC的自愈合能力很大程度上取決于未發(fā)生水化的水泥及其他膠結(jié)材料。低水灰比的膠結(jié)材料更能促進(jìn)自愈合過(guò)程。

（4）減小SHCC混合物中裂縫的寬度同樣是研究的重點(diǎn)，因?yàn)闇p小裂縫寬度將減少對(duì)用于填補(bǔ)裂縫的愈合產(chǎn)物的需要，愈合產(chǎn)物更容易從裂縫的兩而生長(zhǎng)從而連接到一起。

大裂縫和在空氣中養(yǎng)護(hù)的試樣的自愈合仍需進(jìn)一步研究。圖5表明寬度小于15 μm的裂縫很容易愈合。但是寬度大于60μm的裂縫只能部分愈合。為了進(jìn)一步減小裂縫寬度，對(duì)添加超細(xì)纖維的PVA（聚乙烯醇）纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)研究。超細(xì)纖維采用長(zhǎng)度為2 mm和平均直徑8μm的鋼棉或巖棉纖維。這些超細(xì)纖維有助于分散水泥基中的裂縫，從而減小裂縫，提高自愈合效果。

針對(duì)自愈合只能在有水存在的條件下發(fā)生，己有兩種方法使自愈合在干燥環(huán)境下也能發(fā)生。中空植物纖維可以存儲(chǔ)大量液體，因此可被用于新的混凝土自愈合體系。將植物纖維作為儲(chǔ)存愈合劑的儲(chǔ)存器，一旦產(chǎn)生裂縫，纖維破裂后愈合劑就會(huì)向裂縫擴(kuò)散并最終愈合裂縫。研究表明：使用填充了愈合劑的涂層木纖維（或纖維束）也能實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的自愈合。為了使新的自愈合系統(tǒng)起作用，至關(guān)重要的就是將纖維中的愈合劑釋放。在研究中，首先在木纖維束上涂覆聚硅氧烷涂料，然后填充熒光染料愈合劑，最后密封。然而，涂層木纖維在分層模式中容易失效（圖6），失效與纖維長(zhǎng)度和兩端密封引起的負(fù)壓力無(wú)關(guān)，可能是因?yàn)樵趩我涣芽p平而上連續(xù)纖維或短纖維易被破壞，導(dǎo)致了愈合劑的流失。

在干燥環(huán)境下提高自愈合能力的第二個(gè)方法是在混合料中使用高吸水樹(shù)脂（ Super Absorbent Poly-mers，簡(jiǎn)稱SAP）。SAP吸水后在混凝土中可以發(fā)生水化反應(yīng)，從而在后期促進(jìn)自愈合過(guò)程。SAP通常被用作減少混凝土收縮的外加劑。相比于其他貯存水的容器，SAP所在的結(jié)構(gòu)在經(jīng)受下雨天氣后將被重新充填，然后緩慢釋放出自愈合過(guò)程所需要的水[3]。

5.3.形狀記憶合金的損傷控制

形狀記憶合金（shape memory alloy ，SMA）是智能結(jié)構(gòu)中的一種驅(qū)動(dòng)元件，其特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自修復(fù)功能。普通的金屬材料，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)其彈性極限時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形，由于塑性變形的不可逆性，卸載之后，材料的變形不可恢復(fù)，而形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)。將形狀記憶合金材料在高溫下定形，冷卻到低溫，并施加變形，使它存在殘余變形。如果對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行加熱，就可以使低溫狀態(tài)所存在的殘余變形消失，形狀記憶合金將恢復(fù)到高溫下所固有的形狀，隨后再進(jìn)行冷卻或加熱，形狀將保持不變。上述過(guò)程可以周而復(fù)始，仿佛合金記住了高溫狀態(tài)所賦予的形狀一樣。形狀記憶合金可恢復(fù)的應(yīng)變量高達(dá)7%一8%，形狀記憶合金具有雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)。圖2表達(dá)了SMA受載變形、加熱恢復(fù)初始形狀的形狀記憶效應(yīng)的微觀機(jī)理。

把經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的SMA絲埋入混凝土構(gòu)件的受拉區(qū)，當(dāng)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在工作中出現(xiàn)了不允許的裂紋或裂紋寬度時(shí)，對(duì)處于裂紋處或裂紋附近的SMA絲通電加熱激勵(lì)，使其收縮變形，從而使裂紋閉合或限制裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，這樣構(gòu)件就成了具有自診斷、自修復(fù)功能的智能混凝土構(gòu)件。

將形狀記憶合金用于梁荷載裂紋自修復(fù)試驗(yàn)時(shí)，形狀記憶合金被激勵(lì)起來(lái)后，梁在合金回復(fù)力作用下產(chǎn)生反向彎矩，使其撓度不斷減小。

SMA雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但因利用其形狀記憶效應(yīng)時(shí)需要加熱，限制了它的工作范圍，一般只能用于10 Hz以下的振動(dòng)響應(yīng)控制，且長(zhǎng)期使用后，材料本身會(huì)產(chǎn)生蠕變，工作穩(wěn)定性較差。此外，由于材料本身的電阻不大，采用電加熱方式激勵(lì)SMA時(shí)就需要較大的電流和較粗的導(dǎo)線。溫度過(guò)高也會(huì)影響SMA的記憶性能。目前市場(chǎng)上每公斤NiTi SMA的價(jià)格在1 500元左右，是普通鋼材價(jià)格的700倍，差距非常大。這些缺點(diǎn)限制了SMA材料在水泥基材料自修復(fù)中的應(yīng)用。

SMA在混凝土結(jié)構(gòu)損傷自診斷、裂紋自閉合、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的緊急自修復(fù)應(yīng)用方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但是SMA電阻變化率敏感性和驅(qū)動(dòng)性受SMA絲與混凝土的錨固、粘接和預(yù)張拉等因素的影響，目前尚在深入研究中[4]。

5.4.基于膠囊方式的自修復(fù)

微膠囊方式的自修復(fù)方法的基本原理是：①裝有修復(fù)劑的微膠囊和固化劑均勻分散在基體材料中；②當(dāng)基體材料產(chǎn)生裂紋時(shí)，裂紋尖端的微膠囊在集中應(yīng)力的作用下破裂，修復(fù)劑流出，在毛細(xì)作用下滲入基體裂紋中；③滲入裂紋中的修復(fù)劑與分散在基體材料中的固化劑相遇，修復(fù)劑固化將裂紋修復(fù)，抑制裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，達(dá)到恢復(fù)甚至提高材料強(qiáng)度的效果，完成對(duì)損傷進(jìn)行自修復(fù)。

物理法制備微膠囊就是采用物理變化的方法來(lái)制備微膠囊。微膠囊的物理制備法主要有：噴霧干燥法、噴霧冷凝（冷卻）法、空氣懸浮法、擠壓法、包合法等等。

2001年White等在《自然》雜志上報(bào)道將埋植技術(shù)、烯烴聚合和高分子體系等集為一體，將環(huán)戊二烯二聚體包裹在脈醛樹(shù)脂制成的微膠囊，與催化劑一起分散在環(huán)氧樹(shù)脂基體中。當(dāng)材料產(chǎn)生裂紋時(shí)，由微膠囊破裂釋放出環(huán)戊二烯二聚體，由于裂紋產(chǎn)生的毛細(xì)管虹吸作用，環(huán)戊二烯二聚體迅速滲入裂紋與催化劑產(chǎn)生交聯(lián)聚合，從而達(dá)到用于聚合物基復(fù)合材料的自修復(fù)目的。這種方法的巧妙在于反應(yīng)機(jī)理屬于活性聚合，修復(fù)后聚合物端基仍有活性，重新注入單體可以繼續(xù)聚合，因此只要適時(shí)添加單體即能對(duì)再產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行多次修復(fù)。這種由損傷激發(fā)的自修復(fù)模型為定點(diǎn)修復(fù)提供了可能，另外修復(fù)劑發(fā)生活性聚合反應(yīng)，一部分修復(fù)劑發(fā)生反應(yīng)并不影響其他修復(fù)劑的修復(fù)性能，從而被材料多次修復(fù)成為可能。

根據(jù)材料修復(fù)機(jī)理可知，用于自修復(fù)的微膠囊不僅要在存放過(guò)程中儲(chǔ)存修復(fù)劑，而且當(dāng)基體材料發(fā)生破壞時(shí)，還要能為修復(fù)過(guò)程提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。微膠囊必須擁有足夠的強(qiáng)度，在聚合物加工過(guò)程中保持完整無(wú)損，且擁有足夠的外力靈敏性，在聚合物發(fā)生破壞時(shí)能夠迅速破裂。這樣，就要求包覆修復(fù)劑的囊壁與基體有高豁結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)，修復(fù)劑的豁度要小，具備良好的流動(dòng)性，在環(huán)境溫度和壓力下可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存，發(fā)生聚合時(shí)體積收縮率低。為了保證有足夠長(zhǎng)的存放壽命，囊的密封性要好，保證修復(fù)劑不能滲透和擴(kuò)散到囊壁外。圖4為用于復(fù)合材料自修復(fù)的微膠囊及其破裂后的顯微照片。

微膠囊自修復(fù)方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：①有利于單一樹(shù)脂體系的修復(fù)；②在樹(shù)脂體系的自修復(fù)中具有較好的強(qiáng)度恢復(fù)；③水泥基體內(nèi)部存在大量微小空隙，這些微空隙為微膠囊提供了天然存儲(chǔ)場(chǎng)所，微膠囊易于均勻分散于材料中不會(huì)明顯影響材料的性能。

微膠囊自修復(fù)方法的缺點(diǎn)表現(xiàn)在：①要求微膠囊破裂以釋放修復(fù)劑；②樹(shù)脂膠囊必須緊密接觸催化劑；③膠囊的摻入影響基體中纖維的選擇；④催化劑和微膠囊的分散要與破壞區(qū)域相匹配；⑤樹(shù)脂儲(chǔ)存量有限；⑥修復(fù)樹(shù)脂消耗后產(chǎn)生內(nèi)部孔隙；⑦樹(shù)脂必須與微膠囊壁材相匹配；⑧在復(fù)合材料自修復(fù)技術(shù)上存在應(yīng)用難題。

膠囊化的化學(xué)結(jié)晶型自修復(fù)混凝土，將作為修復(fù)劑的無(wú)機(jī)鹽（一種或兩種以上的復(fù)鹽）真空浸滲到球形多孔骨料中（如陶粒、珍珠巖等），通過(guò)浸滲次數(shù)控制多孔骨料中的修復(fù)劑含量，然后將骨料表面用瀝青或樹(shù)脂密封，最后在骨料表面豁附致密的低水灰比水泥漿或礦物摻和料（硅灰、礦粉和粉煤灰等），表面豁附的水泥或摻和料在混凝土基體中持續(xù)水化，改善了骨料與混凝土的界面結(jié)合情況。將載有修復(fù)劑的骨料按普通方法制備成輕質(zhì)自修復(fù)混凝土，載有無(wú)機(jī)修復(fù)劑的多孔骨料均勻分散于混凝土中。

將硬化成熟的自修復(fù)混凝土施加一定程度的外荷載至混凝土基體內(nèi)部開(kāi)裂損傷處，混凝土的變形導(dǎo)致多孔骨料破裂，骨料內(nèi)的無(wú)機(jī)修復(fù)劑溶于混凝土基體的水溶液中并擴(kuò)散至裂紋處，無(wú)機(jī)鹽與裂紋處水泥粒子及水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石晶族，由于鈣礬石為水泥水化產(chǎn)物中的一種，故與水泥基體可進(jìn)行很好的化學(xué)結(jié)合，而且無(wú)機(jī)鹽反應(yīng)生成鈣礬石，體積膨脹數(shù)倍，有利于封堵裂紋，如圖，無(wú)機(jī)鹽修復(fù)劑可明顯促進(jìn)水泥水化進(jìn)程。

目前，膠囊化的化學(xué)結(jié)晶自修復(fù)混凝土研究剛剛起步，相關(guān)研究成果很少，一些關(guān)鍵技術(shù)尚待解決，如修復(fù)劑含量與裂紋參數(shù)的匹配，若修復(fù)劑過(guò)少，則反應(yīng)產(chǎn)物不能很好地封堵裂紋；若修復(fù)劑含量過(guò)高，則生成的鈣礬石晶體在裂紋處過(guò)度膨脹會(huì)給混凝土基體帶來(lái)新的損傷[4]。

6.自愈合和自修復(fù)混凝土存在的主要問(wèn)題

自愈合和自修復(fù)混凝土作為一種新型復(fù)合材料被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究，雖然取得了一些研究成果，但口前還處于初級(jí)階段。在研究過(guò)程中，有以下問(wèn)題履待進(jìn)一步研究：

（1）纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料雖然比普通混凝土具有較高的潛在自愈合性能，但依然受到齡期、環(huán)境介質(zhì)、溫濕度和外加劑等的影響，耗時(shí)長(zhǎng)，效果不明顯。因此需選擇更好的愈合方式。

（2）微生物的使用可促進(jìn)混凝土的自愈合，但也存在一些缺點(diǎn)，例如：厭氧細(xì)菌酶化作用時(shí)產(chǎn)生氨氣，不僅危害人體健康，還會(huì)轉(zhuǎn)化成硝酸，腐蝕鋼筋。細(xì)菌的壽命較短，細(xì)菌死亡后在混凝土中留下空穴致使混凝土強(qiáng)度降低，難以滿足建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的需求。

（3）修復(fù)膠勤劑一般具有毒性，很大程度上影響了研究成果在工程中的應(yīng)用。在不影響混凝土性能的情況下如何選擇修復(fù)劑載體的性質(zhì)及數(shù)量、基體開(kāi)裂后修復(fù)劑如何流出、流出后能否及時(shí)修復(fù)裂縫、能否進(jìn)行多次修復(fù)等問(wèn)題還有待深度研究。

（4）使用智能裝置的混凝土主動(dòng)自修復(fù)系統(tǒng)，成本較高，因此如何解決低成本高性能這一矛盾問(wèn)題具有一定的挑戰(zhàn)性。

[1] 孫道勝，陳遠(yuǎn)遠(yuǎn)。自愈合和自修復(fù)混凝土的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)。20140.6

[2] 董利。水泥混凝土自修復(fù)技術(shù)試驗(yàn)研究[D].2013.05

[3] 高輝，秦拒澤。解決道路結(jié)構(gòu)耐久性與可持續(xù)性的自愈合機(jī)理——自愈合混凝土與瀝青的最新進(jìn)展[J].中外公路。2014.12.

[4] 邢鋒。自修復(fù)混凝土系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)。2013.09.

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