新型自愈合水泥规模量产化问题探讨
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摘要介绍自愈合水泥的生产技术和研究现状，通过分析自愈合水泥各项技术问题进行量产化可能性分析。自愈合和水泥作为建筑材料领域的新型复合材料是智能建筑的要求，对社会环保型、资源节约型发展方向有着重要意义，其量产化是未来的必然趋势。
混凝土是一种典型的脆性材料，抗拉强度较低，在服役初期，在循环荷载、周近施工扰动荷载、不均匀沉降产生的附加荷载、地面建筑附加荷载等作用下，结构产生裂纹的问题不可避免。裂纹增加了基材的孔隙，增大混凝土的渗透性，降低混凝土的防水性和抵抗侵袭性物质的能力，使混凝土材料的耐久性能降低，并加速建筑物结构的劣化。如果瞬间受到外在冲击力，关键部位的裂缝还会诱发宏观裂缝并出现脆性断裂[1]。因此，为了确保结构的安全和延长结构的服役寿命，必需进行大规模的检修或者有计划的维护。
随着现代社会向智能化发展，现代多功能和智能建筑大量增加，更需求主动模式下对于服役过程中混凝土裂缝的修复。近年来，为了解决相关技术问题，材料学领域研究了“自愈合水泥基材料”。研究与利用水泥基材料裂缝自修复的机制，对提高水泥基材料的耐久性和可靠性意义重大， 能够给建筑行业带来一系列新技术和新工艺。在实际中大大提高建筑的经济性和有效性。
1水泥自愈合方法
水泥基材料自主愈合体系的基本单元主要为载体和修复剂2个部分。将这些基本单元内置到基体材料内，使得材料具有自愈合的功能。目前，实现裂缝自愈合的技术路线有三种[2]。
1.1修复胶黏剂法
一些学者在水泥传统组分中复合特殊组分，将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入水泥材料中，在内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统。当裂纹出现时，扩展的裂缝迫使载体（玻璃管或胶囊）破裂，借助毛细管力或者重力作用使修复剂流出并深入裂缝，接着修复剂和激发剂发生化学反应粘结裂缝面，或者修复剂直接粘结填充裂缝面。正是基于此种愈合过程，裂缝的生长被阻止，材料的刚度、断裂韧度和强度等性能得到恢复，甚至有所提高。如图1[3]所示。
图1 内置胶囊仿生自愈合水泥机理示意图
（a.内含修补剂的胶囊掺与水泥内；b.发生裂缝时，胶囊破裂，修补剂流出；
c.修补剂修补了裂缝）
1.2纤维增强水泥
在含有单聚物的磷酸钙水泥基材中加入多孔的编制纤维网。一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分纤维网破裂，粘结液流出深入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。目前纤维增强水泥基复合材料（FRCC）（钢纤维-SC；聚乙烯纤维-PE；混合纤维-PE+SC）在张力作用下其弹性模量和抗拉强度的恢复情况较为理想，PE+SC试样显示自愈后抗拉强度明显提高，FRCC自愈合性能作为减少混凝土中钢筋腐蚀的关键因素备受关注试样经过7个月到2年的自然养护后，其弹性模量几乎完全恢复，抗拉强度恢复了50%[4]。而工程水泥基复合材料（ECC）是一类具有极高拉伸应变能力的新型FRCC，愈合后共振频率的恢复值可超过90%以上，最终强度及拉伸应变能力均达到甚至超过对比试样，自愈合产物中含有水化硅酸钙凝胶和碳酸钙，其对裂缝的自控能力以及较小的裂缝宽度为裂缝的自愈合提供了有利条件[5]。
1.3内掺有机化合物水泥
基于生物学领域的自愈合现象是基于生物学的研究方向，能够自动愈合损伤的人工自愈合材料，在硅酸盐水泥中掺人特殊有机化合物，并搅拌均匀.生成所谓“生物水泥”。微生物修复混凝土技术对微生物的要求如下：（1）微生物的生命周期要足够长，与混凝土结构相当；（2）微生物或其他必要生物水泥基前驱体化合物的添加不能降低混凝土本身性能。
有学者研究在利用微生物诱导矿物沉淀来修复混凝土方面他们利用菌株A和碳酸盐矿化菌生长繁殖过程中产生的酶化作用生成CO32-，适时引入Ca2+，形成碳酸钙，改善了渗透性。同时也有国外学者研究了在微观环境中尿素酶菌把尿素转化成氨基和碳酸根从而产生碳酸钙沉淀的生物修复技术。
2.自愈合水泥的量产化分析
目前，国内外众多学者研究自愈合复水泥取得了一些研究成果，作为一种一种新型复合材料目前还处于研究阶段，但作为智能材料，是社会发展的必然需求，量产化是必然趋势。但自愈合水泥还存在一些问题亟待解决：
（1）水泥中添加的修复胶黏剂一般都具有毒性，相关的研究成果在实际工程中的应用中受到很大限制。
（2）胶囊或者管状载体尺寸的确定依据在不影响水泥性能的情况下如何选择修复剂载体的性质及数量，修复剂载体后修复效果的量化规律如力学性能改变和渗透性能变化、能否进行多次修复等问题还有待深度研究。
（3）纤维增强水泥基复合材料虽然比普通混凝土具有较高的潜在自愈合性能，但依然受到龄期、环境介质、温湿度和外加剂等的影响，耗时长，效果不明显。因此需选择更好的
愈合方式。
（4）微生物的使用可促进混凝土的自愈合，但水泥中中加入的厌氧细菌酶化作用时会产生氨气，此气体不仅危害人体健康，还会转化成硝酸，腐蚀钢筋。生物自愈合水泥中添加的细菌的寿命相对与建筑物使用时间来说存活时间较短，细菌死亡后在混凝土中留下空穴致使混凝土强度降低，难以满足建筑物和基础设施的需求。
虽然国内外学者在修复剂载体裂缝自主愈合技术研究方面已经取得不少进展，裂缝自主愈合技术的最终要达到修复裂缝的目的，而基体呈现出的裂缝空间分布形式、尺寸大小、连通性以及裂缝的几何形貌都会对修复效果产生影响。所以合理地定量刻画水泥基材料可能呈现的裂缝格局对研究自主愈合技术也十分重要，一个可行的策略是从裂缝和载体的形态学角度出发来研究自主愈合技术在水泥基复合材料中的定量分析问题。同时自愈合水泥采用的不同技术和不同的添加物质也制约着水泥生产的成本，成为这种新型水泥投入量产的决定性因素。
3.结语
自愈合水泥是的研究是一个非常新的领域， 从发现水泥自行愈合现象开始，相关研究逐渐展开，通过不同技术使得水泥自愈合而修复结构变得可行。自愈合水泥是社会将向智能型、环保型和经济型方向发展的必然需求。虽然自愈合水泥量产化尚未成熟，但智能材料是未来的发展方向，随着材料科学的发展，更多新材料的发现与使用，以较低成本量产化自愈合水泥是解决水泥基材料的可靠性和耐久性问题的最佳方案。
参考文献
[1]李兴旺，张玉奇，廖亮，等.智能型混凝土修补材料体系研究进展[J].重庆建筑大学学报，2006，28（4）：142
[2]袁洪州，孙伟，陈惠苏.水泥基材料裂缝微生物修复技术的研究与进展[J].硅酸盐学报，2009，37（1）：160
[3]侯子义，第四届全国公路路面材料科技研讨会科技论文（裂缝自愈合混凝土研究）
[4]阚黎黎，施惠生，翟广飞，等.高延展性纤维增强水泥基复合材料自愈合行为[J].硅酸盐学报，2011，39（4）：682