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混凝土自愈合技术研究综述

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：刘红燕1 唐浩2

[导读] 摘要：简单介绍常见的五种混凝土自愈合技术，分别是：自然自愈合混凝土、微生物自愈合混凝土、纤维胶液管自愈合混凝土、微胶囊自愈合混凝土、纤维增强混凝土自愈合，并分析了混凝土自愈合技术存在的问题，最后得出结论：虽然混凝土自愈合技术许多工艺技术存在较多问题，但是在绿色、智能建筑的大趋势下，自愈合技术有着巨大的潜力，自愈混凝土技术的应用会是建筑工业的重要组成部分。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：简单介绍常见的五种混凝土自愈合技术，分别是：自然自愈合混凝土、微生物自愈合混凝土、纤维胶液管自愈合混凝土、微胶囊自愈合混凝土、纤维增强混凝土自愈合，并分析了混凝土自愈合技术存在的问题，最后得出结论：虽然混凝土自愈合技术许多工艺技术存在较多问题，但是在绿色、智能建筑的大趋势下，自愈合技术有着巨大的潜力，自愈混凝土技术的应用会是建筑工业的重要组成部分。
        关键词：混凝土；自愈合；微生物；纤维；微胶囊
        0、引言
        硅酸盐水泥和普通硅酸盐因碱骨料反应、水化热过高使得混凝土产生裂缝以及在使用期间超高载荷下产生裂缝等病害。当混凝土出现微观裂缝时，若不能及时修复，不仅会影响材料的正常使用，还可能会导致混凝土出现宏观裂缝影响其使用寿命。
        针对以上问题，大量的国内外学者开始着手研究将混凝土裂缝进行修复，以防止混凝土开裂的不良后果。目前，裂缝修复方式可分为两种[1]：一种是传统的事后修复或定时修复；另一种为自愈合自修复，即在混凝土裂缝发生的早期控制和修复，防止裂缝发展。
        1、混凝土自愈合技术简介
        混凝土自愈合技术种类繁多，分类方法多样，本文根据修复原理，将自愈合混凝土技术分为：自然自愈合、微生物自愈合、纤维胶液管自愈合、微胶囊自愈合、纤维增强混凝土自愈合五类，并对其相关特性进行了简单介绍。
        1.1自然自愈合
        自然自愈合是指混凝土损伤部位中未水化或水化不充分的胶凝材料加速水化或进一步反应生成新的反应产物弥合裂缝的过程[2]。对于混凝土自然自愈合，它的愈合效果的影响因素有材料因素、环境因素、裂缝因素等，所以早期的国内外学者对自然自愈合研究较多，主要通过改变自愈合的环境因素与材料因素来促进混凝土的愈合效果[3-4]。但随着时代的进步，及自然自愈合混凝土愈合效果不明显，而且耗时长，更多的学者开始研究通过加入某些物质来促进其愈合[5]。
        1.2微生物自愈合
        微生物自愈合混凝土是用硅胶、聚氨酯或者多孔的黏土颗粒来封装活性微生物细菌和其生长所需原料（如乳酸钙），在搅拌初期加入混凝土中，裂纹出现时，在适宜的环境条件（如雨水）刺激下，载体破裂，活性微生物在水泥基材料环境下进行新陈代谢产生方解石（CaCO3）沉淀达到愈合裂纹的目的。
        微生物自愈合技术要求：
        1）微生物一定是耐碱的微生物。
        2）微生物除代谢CaCO3外无其他代谢产物或者其余代谢产物对混凝土本身性能无影响。3）微生物营养物质不影响水泥水化及混凝土其它性能。
        4）微生物的生命周期要与混凝土结构相当。
        微生物自愈合技术的优点是：提高抗冻性、抗碳化性、抗氯离子侵蚀性，有效降低混凝土吸水率；其缺点是：混凝土中的钢筋会因为碱性环境破坏而受到一些负面的影响。
        1.3纤维胶液管自愈合
        学者根据人体伤口愈合机理而发明了内置纤维胶液管裂缝自愈合混凝土[6]，即在混凝土中沿受拉方向分层布置注有高分子修复胶粘剂的纤维管作为愈合管道，当混凝土产生裂缝时，高分子胶黏剂流出，使得裂缝被黏结在一起。
        纤维管自修复技术要求：
        1）修复纤维与混凝土基体的性能匹配，特别是力学性能的匹配。
        2）修复纤维和混凝土材料的温度膨胀系数应接近。
        3）修复纤维应化学性质稳定、能长期保存且强度不变，不影响混凝土的性能。
        4）修复剂固化条件简单、化学性质稳定耐久性好、良好的流动性。

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        1.4微胶囊自愈合
        对胶粘剂容器进行改革，产生了一种新的仿生自愈合方法，即将修复剂封装到微胶囊中，在拌合时均匀地分散到混凝土中，当混凝土发生裂纹时，微胶囊破裂释放出修复剂，进而胶结裂纹面。
        微胶囊自愈合技术的优点是：微胶囊掺加简单并容易混合均匀；提高了混凝土的寿命，可降低维护、维修成本；自愈混凝土可适当减少配筋，降低建筑成本；自愈混凝土环境适应能力强，对地震、风沙、爆炸等灾害可以降低损失。其缺点是：如微胶囊掺加量少，则修复效果不明显；如微胶囊掺加量较多，则成本较高，且对混凝土结构强度有负面影响。平衡点难掌握，需长期大量的试验研究；微胶囊的壁厚很难把握，如较厚，则混凝土产生裂纹时，微胶囊囊壁未必能破裂放出修补剂；如较薄，则在搅拌或施工过程中，会有部分已经破裂，丧失自愈合效果。
        1.5纤维增强混凝土自愈合
        纤维增强混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均匀的掺合在混凝土中而组成的一种新型水泥基复合材料的总称，可改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点。纤维增强混凝土自愈合混凝土中研究较多的纤维有：钢纤维、聚乙烯纤维、混合纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维等。
        2、混凝土自愈合技术所存在的问题
        1）自愈合混凝土一般采用胶粘剂进行修复，而启动修复的问题至今还没有完美的解决方法。有采用加热方法，SMA（形状记忆合金）通过通电启动，通过容器与混凝土力学性能相匹配而进行机械力学启动等，在实际应用中都是有难度的。
        2）胶粘剂的选择，目前已经有一些愈合效果较好的胶粘剂，但是并非理想，环氧树脂效果好，但是双组分给实际应用带来了不可忽略的问题。
        3）容器的选择。包括容器的材料，目前有采用玻璃、光纤，主要还是要与混凝土力学性能匹配，并且选择不会对混凝土构件强度产生不利影响的材料；容器的形状，如何能使修复试剂更快更充分地达到需要修复的位置，并且方便施工，这些都是是需要进一步改进的。
        4）大部分修复剂只能一次性使用，当二次受损将不具有自愈合的性能。
        5）自愈合效率问题：对自愈合效率没有统一的定义，需要明确自愈合效率的定义及标准或参考的测量方法，需近一步从裂缝宽度、长度、深度和体积方面对自愈合效果进行量化。并能够从宏观、微观、纳观和耐久性相结合的角度来研究自愈合的效率。
        6）微胶囊自愈合比纤维胶液管自愈合有提高的地方，比如分布更均匀，基本可二次修复，但仍然没有很好地解决实际工程中要面临的问题。比如搅拌混凝土时无法保证胶囊不破裂，以及胶囊壁厚问题。
        3、结论
        目前对混凝土自愈合技术的研究中：
        1）多种环境因素的耦合作用研究少，目前，国内外研究者往往将多种环境因素进行分离，并单独研究其对开裂混凝土自愈合的作用机理，今后应加强多种环境因素耦合作用对开裂混凝土自愈合的影响，以便模拟混凝土的真实工作环境。
        2）细菌与化学试剂组合应用研究少，愈合后混凝土耐久性的改善等问题还有待解决。
        混凝土自愈合技术可以提高混凝土的使用寿命，并节约人工维护维修的高额成本。虽然混凝土自愈合技术的许多工艺技术仍处于研究状态，但是在绿色、智能建筑的大趋势下，相信自愈混凝土技术有着巨大的潜力和广泛的应用。
        参考文献：（References）：
        [1]李兴旺，张玉奇，廖亮，张瑞军.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（04）：142-145.
        [2]姚武，钟文慧.混凝土损伤自愈的机理[J].材料研究学报，2006，20（1）：24-28.
        [3]李志强.混凝土损伤自愈合能力影响因素研究[D].济南：济南大学，2011.
        [4]柴鹏.混凝土裂缝自愈合影响因素研究[D].武汉：长江科学院，2008.
        [5]刘小艳，姚武.混凝土损伤自愈合性能的实验研究[J]建筑材料学报.2005.8（2）.
        [6]杨卉.混凝土裂缝自愈合的研究与进展[J].中国建材科技，2011，20（01）：66-70.