自修复、自愈合混凝土

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摘要：混凝土在现代建筑中被广泛运用，但混凝土是脆性材料，混凝土在施工和使用过程中产生的裂缝对建筑的使用产生很大的影响，而自修复，自愈合混凝土能很好的解决混凝土产生裂缝带来的不良后果。

关键词：自修复混凝土；自愈合混凝土；胶粘剂；细菌孢子

1.概念

自修复混凝土，是在混凝土中加入包裹胶粘剂的载体，当混凝土产生裂缝时，胶粘剂外层包裹物破裂，胶粘剂流出，充满裂缝，最终将裂缝封住。

自愈合混凝土，是在混凝土中添加可产生封堵裂缝的物质，这种物质遇到水就被激活，产生结晶体，沉积在裂缝的表面，不断增加结晶体在裂缝周围沉淀，逐渐将混凝土开裂部分填充密实。

2.背景

混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料。但它是一种脆性材料，在施工过程中或使用过程中很容易出现裂缝。当裂缝很小时，虽说不影响受力性能，但给人视觉上是不安全的。而有的裂缝会随着时间的推移，裂缝会越来越大，裂缝大到一定程度，再遇到水或侵蚀性化学物进入这些裂缝，裂缝处的混凝土和钢筋会受到腐蚀，最终影响到混凝土构件的受力性能，更严重的可能发生脆性断裂，产生灾难性事故，给社会带来无可挽回的损失。

3.自修复、自愈合混凝土的发展过程

自从1925年Abram的一个偶然发现，拉开了混凝土裂缝自修复发展的序幕。他将进行过混凝土抗弯拉试验并已经产生裂缝了的混凝土试件随意扔在户外长达8年之久，偶然的一天他发现此混凝土试件的裂缝居然已经愈合了。带着惊喜和困惑他再次将此开裂后自动愈合的混凝土试件进行抗弯拉试验，此时他发现这些混凝土试件的强度竟然达到了以前强度值的三倍。这个发现让人们对自修复混凝土的研究燃起了希望。

1994年，CarolynDry教授（美国工llinois大学）将载有胶粘剂（缩醛高分子溶液）的载体（空心玻璃短管或者玻璃空心纤维）加入到混凝土材料中，配制成具有智能型仿生自愈合神经网络系统的自修复混凝土。自修复混凝土结构一旦受到外界作用出现损伤或者裂缝时，载体内的胶劲剂修复液就会流出渗入到裂缝，使混凝土裂缝愈合。

南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室，在我国的智能复合材料研究领域处于领先地位。1997年，他们研究了利用液芯光纤和形状记忆合金（sMA丝）对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。对总体方案进行了分析，用环氧FA4和环氧E51做了初步试验：将液芯光纤和形状记忆合金埋入混凝土中，光纤的出射光由光敏管接受，当混凝土发生损伤时，由液芯光纤组成的自诊断、自修复网络使胶液流入损伤处，同时局部激励损伤处的SMA短纤维，产生局部压应力，使损伤处的液芯光纤断裂，胶液流出，对损伤处进行自修复，而且当液芯光纤内所含的胶粘剂流到损伤处后，SMA激励时所产生的热量，将大大提高固化的质量，使得自修复完成得更好。

2012年10月在荷兰代尔夫特理工大学自愈混凝土的研究工作开始进行。研究人员将混凝土愈合所需的细菌孢子和营养物质作为颗粒添加到混凝土配合料中，但水成了微生物生长需要所缺少的成分。因此，孢子处于休眠状态，当混凝土产生裂缝时，雨水进入裂缝并激活它们。这种无害的细菌，属于杆菌属细菌，于是开始汲取养分，产生石灰石。纳入愈合剂的细菌食品是乳酸钙，一种牛奶成分。颗粒中所用的微生物能够承受混凝土的高碱性环境。

4.自修复、自愈合混凝土的研究方向和难点

用胶囊或者空心纤维玻璃管等可以承载胶劲剂的载体，将修复胶劲剂送入普通混凝土中，当混凝土受拉产生裂缝时，载体破裂，修复胶劲剂流出，从而对裂缝进行修复。此种方法修复剂的选用很关键，不仅要考虑修复剂的粘接强度、黏度，而且要注意其组成成分。为了保证裂缝初开裂时，内置修复管内的修复剂能够迅速流到裂缝处修复裂缝，就要求修复剂黏度较高且具有较高的流动性，能够迅速渗入到混凝土裂缝中，充分润湿裂缝表面，确保粘结的质量。

形状记忆合金型自修复混凝土：在混凝土容易开裂的区域埋置经过预拉的形状记忆合金丝和光纤。当混凝土受到外界影响产生裂缝超过允许的宽度时，通过光纤拾取的信号向微处理系统发出指令，形状记忆合金丝则发挥功效使裂缝愈合或者限制裂缝的扩张，从而达到自修复裂缝的目的。

自愈合生物混凝土，在混凝土中掺入有涂层或有底物的细菌孢子，涂层和底物在混凝土的生产和硬化过程中避免细菌孢子受到破坏，使其存活更长的时间直到需要自愈合。当混凝土产生裂缝时，水分浸入到裂缝处，孢子被激活，与水反应生成填充物将裂缝填充密实。

在自修复、自愈合混凝土的研究过程中还存在一些难点未得到解决：（1）自修复混凝土胶茹剂的性能还需得到进一步改善，目前还无法实现多次裂缝自修复；（2）自修复混凝土配制的原材料中有对人体产生伤害的物质，还需进一步研究解决此问题；（3）胶劲剂载体的加入，会使自修复混凝土自身强度降低。如果能解决此问题对自愈合混凝土的发展具有重要意义。

5.结语

添加胶粘剂的混凝土和生物混凝土给建筑材料带来的好处是显而易见。目前，混凝土是全球最常用的建筑材料，而通过采用具有自愈能力的混凝土，钢筋用量可以减少，从而降低建筑成本。这种新材料有可能会提高混凝土的使用寿命，并有效降低混凝土结构的维护成本。不过，在短期内，以传统方式修复混凝土裂缝更为经济。虽然混凝土自愈合技术尚有许多关键技术性问题亟待解决，但是包括自修复、自愈合功能在内的水泥基材料的智能化已成为现代建筑材料的发展趋势。