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混凝土自修复胶囊的应用研究

发表时间：2020/12/11 来源：《基层建设》2020年第24期作者：付玉1 何博2 王伟3

[导读] 摘要：本文通过分析国内外对于混凝土自修复技术的研究现状，对混凝土自修复技术中还存在的问题进行探讨，总结现有的智能混凝土技术的优缺点，对智能混凝土的发展前景进行展望。

        重庆交通大学重庆 400074
        摘要：本文通过分析国内外对于混凝土自修复技术的研究现状，对混凝土自修复技术中还存在的问题进行探讨，总结现有的智能混凝土技术的优缺点，对智能混凝土的发展前景进行展望。
        关键词：智能混凝土；自修复技术；混凝土胶囊
        引言
        混凝土在我们日常的施工工程中被广泛使用，是一种强度高、耐久性好、成本低的建筑材料，但由于温度、湿度的影响，混凝土在使用一段时间过后会产生不同大小不同形状的裂缝，这对于混凝土的使用性能和寿命来说，是不可忽视的影响。对于混凝土内部产生的裂缝，尚且没有成熟的技术对其进行检测和修复，混凝土自修复技术以及智能混凝土的研究已成为目前工程建筑材料研究中一个刻不容缓的重要方向。
        1、技术概述
        混凝土自修复胶囊是埋入在混凝土内部的，当混凝土内部产生裂缝时，由于空气的进入和裂缝周围混凝土张力的改变，促使胶囊破裂，释放出内部修复物质，物质与空气接触过后，与空气中水分产生反应，生成新的物质，从而对裂缝进行及时有效的修复，在混凝土内部形成一个智能自修复系统。智能混凝土是指具有自诊断、自调节或自修复功能的混凝土，近年市面上已相继出现具有单一功能的智能混凝土，但还没有研究出复合几种功能的智能混凝土，对于该种智能混凝土的研究还需要研究人员的不懈努力。
        2、国内外研究现状
        2.1、国外
        1925年，Abram将经过抗拉强度测试开裂后的混凝土试件放置户外，8年后竟发现裂纹愈合了，并且强度提高了两倍，这一发现开始了混凝土自修复技术的研究。
        九十年代初期，日本东北大学的学者三桥博三教授将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，分别用水玻璃、稀释水玻璃和环氧树脂作为修复剂使裂缝愈合。日本学者沼尾达弥还研究了自修复混凝土中不同的纤维掺量、尺寸和不同的水灰比等因素对混凝土自修复产生的影响。
        1994年，来自美国Illinois大学的Carolyn Dry教授将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中，并将其埋入到混凝土中，从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。
        1995年，美国国家科学基金会和Illinois大学合作，提出了用具有传感功能的装置来感知混凝土构件的破坏，并在其内部充满修复胶粘剂使其发生化学反应，使混凝土内部产生的裂缝愈合，实现混凝土的自诊断、自修复。
        1996年，美国Illinois大学的ATRE实验室在混凝土桥面内预装有低模量的内含修复胶粘剂的修复管，填充愈合桥面的裂缝。在此基础上，Carolyn Dry教授还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料。日本学者H.Hilalshi和英国学者S.M.Bleay分别在1998、2001年采用类似方法研究了混凝上裂纹的自防护问题。
        2.2、国内
        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一直处于领先地位。1997年，他们就开始了关于在混凝土中加入具有记忆形状性能的合金材料的研究，利用形状记忆合金（SMA丝）和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复。2001年，南京航空航天大学的杨红提出了利用光纤来实现智能结构的自诊断、自修复，还设计了埋入空心光纤的复合材料诊断与修复系统。
        同济大学最早在国内进行了自修复混凝土技术专利的申请，其混凝土材料研究国家重点实验室等研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能。
        哈尔滨工业大学的欧进萍和匡亚川等人对修复材料的选择和布置方式进行了研究，研制了一种内置纤维胶液管自修复混凝土，并利用形状记忆合金的记忆效应，提出了主动自修复混凝土并做了深入研究。
        深圳大学最早开展了国内微胶囊自修复混凝土技术专利的申请和研究工作，进行了微胶囊自修复混凝土系统中的氯离子传输特性研究、微胶囊包埋的微生物自修复混凝土裂缝过程性能研究、酚醛树脂微胶囊的力学性能及其在自修复混凝土中的应用研究。
        2011年，华南理工大学的学者采用原位聚合法，将双环戊二烯胶黏剂加入到了脲醛树脂里，成功合成了以脲醛树脂为壁材，双环戊二烯胶黏剂为芯材的自修复微胶囊。

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        3、混凝土自修复技术类别
        3.1、结晶沉淀法
        是混凝土使用中自然存在的过程，以碳酸钙结晶沉淀为主要原理，空气中的二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙结合产生反应过后生成碳酸钙，从而对其进行修复。
        3.2、渗透结晶法
        通过利用活性剂的作用来实现修复效果，当产生裂缝时，有水渗入裂缝中，使得活性添加剂利用水的渗透作用进入到裂缝中，催化水泥颗粒的水化作用，从而形成新的结晶物质，进行裂缝修补。
        3.3、电解沉积法
        通过电解作用形成沉积层，从而对混凝土实现保护，以混凝土中的钢筋作为阴极，在电解沉积液中设置一阳极，采用合适的电流，使其在裂纹处产生电解沉积层，从而实现修复。
        3.4、液态光纤/纤维法
        实现利用光纤或纤维来储存修复材料，当混凝土中产生裂缝时，力的作用会让光纤或者纤维破裂，导致其内部修复物质流出，产生修复裂纹作用。
        3.5、SMA法
        确定混凝土的受拉区域过后，在该部分预埋形状记忆合金，当混凝土中产生裂缝达到一定程度后，对形状记忆合金进行加热，使其收缩变形限制裂纹的进一步发展。
        3.6、微胶囊技术
        与光纤纤维法类似，将修复材料放置于修复胶囊中，当混凝土中产生裂缝时，会引起胶囊壁破裂，释放出其内部修复物质，从而对混凝土裂缝进行修复。
        3.7、微生物技术
        该方法是利用特定细菌，将其先预埋进混凝土中，当混凝土中产生破坏，出现裂缝时，空气中的氧气和水分进入到裂缝中，激活该特定细菌，使其产生生物矿化作用，诱导碳酸钙沉积，实现对于裂缝的修复。
        4、存在问题
        4.1、对破坏力的感知能力
        如何保证自修复剂对于破坏产生时及时的检测到并修复，其对于破坏导致的内部环境和力的变化从哪个方面刺激其感知，认识到产生破坏的方式和能力还需确定和加强。
        4.2、系统的评价体系
        不同的修复方法和修复材料对于混凝土内部裂缝的修复效果和时间都不同，当前缺乏一套完整的评价体系来判断其修复效果以及判断修复剂的性能好坏。
        4.3、修复剂的各项控制
        智能混凝土所掺入的修复剂种类还需研究确定，以及如何将该修复剂封入，当产生破坏时如何根据破坏的大小和种类释放合适的修复剂量，同一个位置释放出的修复剂如何在破坏中分布等问题，研究尚不完全。
        4.4、胶囊材料的确定
        胶囊材料的选择、埋入的方法、感知破坏后胶囊壁破裂的研究，与内部修复物资的作用研究、释放修复剂过后胶囊壁的处理方法等问题，还需不断探索解决。
        5、混凝土自修复胶囊的发展前景
        现阶段世界各国对于建筑材料的要求不断提高，现有的水泥混凝土材料不能更好的满足建筑设施等的强度和使用寿命需求，而我国基础性设施的建设需求较大，在建设中对于混凝土的修复和建筑的翻修投入了大量的时间和精力，因此对于智能混凝土自修复技术的研究刻不容缓。在建筑等设施的施工中，于基础材料即水泥混凝土中添加智能修复胶囊，能在混凝土内部产生破坏时及时感知并释放物质修复，这样可以大大减少混凝土修复的人力物力。而及时有效的修复更能保证混凝土使用过程中的各种性能要求，保证建筑设施等的使用寿命，是一种更智能化的建筑材料，应用前景十分广阔。
        参考文献：（Reference）
        [1]胡宝云，管婧超.自修复混凝土的国内研究现状与发展趋势[J].广东化工，2018，45（8）：170-171.
        [2]季德垒，孙胜男，姚龙娇.自修复混凝土的应用研究[J].科学技术创新，2019（06）：136-137.