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1、自愈混凝土技术的研究进展 洪昊文 何培玲 武宇佳 陈兴鹏 南京工程学院 摘 要： 自愈混凝土技术可以使混凝土自我修复微型裂缝, 提高结构性能、节约工程成本。对自愈混凝土技术的发展进行了研究, 从自愈机制和自愈效率等方面进行了论述, 提出了绿色建材的理念和对未来自愈混凝土技术发展的展望。关键词： 混凝土; 自愈; 节能; 绿色建筑材料; 作者简介：洪昊文 (1995-) , 男, 在读本科生;作者简介：何培玲 (1963-) , 女, 教授;作者简介：武宇佳 (1995-) , 男, 在读本科生;作者简介：陈兴鹏 (1994-) , 男, 在读本科生收稿日期：2017-09-12Research
2、 progress of self-healing concrete technologyHong Haowen He Peiling Wu Yujia Chen Xingpeng Nanjing Institute of Technology; Abstract： Self-healing concrete technology can make concrete self-repair micro-cracks, so as to improve the structural performance of concrete and save the cost of the project.
3、 By making a study on the development of self-healing concrete technology and discussing it from its mechanism and efficiency, we put forward an ideas called“Green Building”and carry on the forecast to its future prospect.Keyword： concrete; self-repair; energy-saving; green building materials; Recei
4、ved： 2017-09-121 概述混凝土材料是目前土木工程中用途最广、用量最大的建筑材料, 它具有强度高、刚度大, 抗震、抗冲击性能好, 耐久耐火等多种优点, 缺点也很明显, 脆性高、抗拉强度低, 在实际工程应用中很容易出现裂缝。混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展, 缓解失效需要对扩展裂缝进行及时的修复, 但采用人工修复耗费人力财力, 更会耽误最佳修复时间, 因而国内外学者将研究方向放在了混凝土的自愈修复方面。目前混凝土裂缝自愈修复方式主要有微胶囊自愈法、形状记忆合金自愈法、空芯光纤自愈法、微生物自愈法等技术。2 混凝土裂缝的形成原因及自愈混凝土开裂的原因主要有凝结硬化收缩、温度收缩、
5、先浇混凝土的约束、钢筋的约束、水化过程中的约束等1。在早期自愈混凝土技术的研究中, 学者们发现混凝土裂缝本身是有一定的自愈性能的, 机理是硬化水泥浆体中的 Ca (OH) 2与裂缝周围空气或水分中的 CO2反应 (碳化) 生成 Ca CO3, Ca CO3与 Ca (OH) 2结晶沉淀并沉积于裂缝内, 使裂缝密封从而达到自愈的效果。但该性能的效果有限, 对于宽度较大的和正在扩展的裂缝很难达到理想的效果, 同时也对混凝土周围的湿度要求较高。通常情况下宽度小于 0.20 mm 的裂缝可以通过自身性能达到自愈效果。3 自愈混凝土技术3.1 微胶囊自愈混凝土技术基于微胶囊的自愈混凝土技术基本原理:1)
6、 在微胶囊中装入粘合剂, 如环氧树脂、环戊二烯二聚体;2) 将微胶囊与固化剂一并掺入混凝土, 保证两种成分分布均匀;3) 当混凝土受力产生裂缝时, 裂缝处的微胶囊受力破裂, 释放胶囊中的粘合剂, 通过毛细作用缓慢渗入混凝土中;4) 粘合剂渗入混凝土中与固化剂发生反应后固化, 修复裂缝并防止裂缝进一步发展。根据上述原理, 微胶囊本身需要一定的强度, 保证在混凝土拌合的过程中不至于破裂提前释放粘合剂, 以及在裂缝未产生时保证混凝土的正常使用。此外, 需要微胶囊对外部应力具有相当的灵敏度, 在裂缝刚产生时就应当立即破裂释放粘合剂。同时, 需要粘合剂有较好的粘结性能、低收缩性、耐用性以及一定的流动性。
7、最后, 对于胶囊的壳膜, 应有足够的强度和良好的密闭性, 防止在混凝土正常使用时粘合剂渗出, 导致自愈效果在根本上失效。关于微胶囊的具体用料, 2001 年 White2等使用尿醛树脂作为微胶囊的壳膜, 使用环戊二烯二聚体作为粘合剂掺入微胶囊, 环戊二烯二聚体释放后与混凝土内预掺的催化剂发生交联聚合反应, 达到了修复混凝土裂缝的效果。此方法的优点在于部分微胶囊完成修复功能后, 基于活性聚合, 仍可以适时重新注入单体, 达到多次修复, 反复使用的效果, 更为节能环保。微胶囊自愈混凝土技术优点:1) 树脂类的粘合剂流动性好, 粘结性能好, 裂缝修复后混凝土可以达到原有强度, 甚至高于原有强度;2)
8、 掺入简便, 混凝土中本身有较多均匀的微小空隙, 只需按照原拌合技术就能保证微胶囊和固化剂在混凝土基体中分布均匀;3) 使用微米级的脲醛树脂微胶囊, 胶囊结构致密, 强度高, 有利于减小对混凝土力学性能的影响, 甚至对混凝土有一定的增韧效果3。微胶囊自愈混凝土技术缺点:1) 对微胶囊受力灵敏度的要求高;2) 掺入量有限, 仅能够解决微小裂缝和初始裂缝的修复;3) 修复后微胶囊破裂消耗, 会在混凝土基体内部产生新的微小空隙;4) 要求粘合剂、壳膜、固化剂协同工作, 对材料的种类限制较为苛刻, 降低成本需要漫长的实验探索4。3.2 形状记忆合金自愈混凝土技术形状记忆合金 (Shape Memory
9、 Alloys, 简称 SMA) 是一种在加热升温后能够完全消除其在较低温度下发生的变形, 恢复其变形前原始形状的合金材料, 即拥有“记忆”效应的合金。基于 SMA 的此种特性, 可以将 SMA 用于自愈混凝土技术中, 通过控制应力或温度的变化, 使混凝土感知裂缝的产生, 通过自我调节达到修复功能。日本 Yuji Sakai 等通过对预埋直径 2 mm SMA 构件的砂浆梁进行了三点弯曲实验, 发现 SMA 提高了梁的变形承载能力, 且在卸载后 SMA 梁的变形几乎全部可以恢复5。崔迪等6通过对埋入 SMA 绞线作为主筋的混凝土梁进行了跨中单点加载试验测试, 对比普通钢筋混凝土梁的力学性能,
10、发现SMA 梁比普通钢筋混凝土梁在产生裂缝后拥有更大的承载能力, 且 SMA 绞线可以一定程度上减小混凝土梁的残余变形并减少裂缝。SMA 技术虽然不能在本质上减少混凝土开裂, 但是可以恢复混凝土的变形, 单独使用时效果并不明显, 且市面上 SMA 材料价格为普通钢材的数百倍, 成本较高, 难以在实际工程中应用, 如果利用这种特性与其他自愈技术共同使用, 则可以相互促进, 具有较好的发展前景7。3.3 空芯光纤自愈混凝土技术空芯光纤在结构和基本原理上和普通光纤类似, 都为纤芯、包裹层、涂敷层等多层介质所组成的对称柱体结构, 在纤芯中掺入粘合剂, 用光纤组成网络状结构预埋入混凝土构件中, 当混凝土
11、受外部荷载产生裂缝时, 光纤结构会受到一定的张拉或弯曲, 通过外部监测就可以精确地确定裂缝位置, 系统通过对受损部位的光纤加压, 使光纤破裂, 纤芯内的粘合剂渗出从而达到修复的效果。此种技术集修复与监测于一体, 不仅可以使混凝土自我修复, 也是对混凝土探伤技术的一种新的探索8。空芯光纤自愈混凝土技术是一项十分智能且新颖的技术, 但也存在诸多不足, 由于光纤自身体量的限制, 使得可注入的粘合剂的量较少, 需要即用即补以达到长期维持修复功能的目的, 所以要求粘合剂有较好的流动性, 同时还要求空芯光纤与混凝土基体之间有较好的匹配度, 由于空芯光纤结构通常为网状结构, 如果在预埋过程中不能与混凝土完全
12、结合, 则可能产生界面缺陷, 导致混凝土本身的力学性能下降, 严重时将无法使用, 如果结合过于紧致, 则容易将光纤网压坏, 在根本上失去自愈效果, 由此可见此项技术的工艺十分复杂, 有待进一步的发展和完善9。3.4 微生物自愈混凝土技术微生物自愈混凝土技术的原理是利用微生物的矿化反应生成胶凝物质, 从而达到修复混凝土裂缝的效果。研究者最早在石油开采工程中发现岩石裂缝可以被微生物修复, 且该种修复作用在微生物成为死体后仍然能够进行, 这一现象被发现后, 微生物自愈技术便被应用于岩土工程和文物修复工程中, 而在混凝土裂缝修复工程中的应用也在逐步深入。由于微生物的矿化反应产物类型受环境主导存在较大差
13、异性, 所以该技术的关键点除了微生物的种类选用, 还有钙离子浓度、无机碳浓度以及矿化环境 p H值。张越10利用巴式芽孢八叠球菌与营养盐 (钙盐与尿素混合) 诱导产生碳酸钙结晶, 该碳酸钙结晶具有较高的胶凝性, 巴式芽孢八叠球菌在 4050, p H 值为 9 的碱性低钙盐浓度下有较高活性, 可以合理地进行矿化反应, 该技术可直接用于修补混凝土裂缝, 也可以用来配置高强砂浆。Peckman 等11利用硫酸盐还原菌还原硫酸盐生成硫化氢和碳酸氢根, 硫化氢以气体逃逸, 最终p H 值升高诱导了方解石沉积, 但该方法不适合应用在混凝土的实际工程应用, 因为硫元素对混凝土结构中的钢筋有害。Ehrlic
14、h12等研究了在光合作用下藻类微生物诱导碳酸钙沉积的过程, 利用水中溶解的无机碳, 打破环境中碳酸根和碳酸氢根的平衡, 导致 p H 升高, 使游离的钙离子被诱导产生有修复作用的碳酸钙。在实际的工程应用中, 要考虑微生物与混凝土的相容性, 一方面要考虑混凝土内环境 (p H 值、湿度等) 是否适合微生物发生矿化反应, 另一方面也要考虑加入微生物及营养液后是否会对混凝土的力学性能和工作性能产生不利的影响13。由于混凝土内部的高碱性和机械搅拌的无规则强作用力, 会使得微生物处于无保护状态, 进而大面积死亡无法达到预期效果。考虑到上述对相容性的要求, 利用微胶囊包裹微生物解决了微生物在混凝土高碱环境
15、中难以存活的问题, 是一个实际可行的方案, De Belie 等14利用微胶囊固载微生物的方法修复混凝土, 取得了较好的效果。4 结论与展望目前国内外对于自愈混凝土技术的研究百花齐放, 在不同的研究方向都取得了较好的进展, 但大部分研究都处于理论可行和实验室可行的状态, 真正能利用到大体量的混凝土工程的方案还很少。许多关键性问题都亟待解决, 比如新掺物质与混凝土基体的兼容性、掺入物质的最优选择和掺入量的最优选择、修复材料的长期工作稳定性、多次修复的可靠性、修复效果的检验标准等。同时, 由于混凝土基体中裂缝的不均匀性和随机性, 在实验中难以确定实际修复效果。并且诱导混凝土裂缝技术尚不成熟, 无法
16、避免大量的实验以及高失败率。该技术涉及到土木工程、化工学、生物学的多领域交叉, 尚属于新兴技术, 需要各方面的协同研究, 必要时需要利用人工智能、数学建模和仿真15。虽然许多关键性技术仍处于研究状态, 但在绿色建筑和绿色材料的大趋势下, 自愈混凝土技术有着很大的潜能, 该技术可以节约人工修复的高额成本, 提高混凝土材料的使用寿命, 进一步确保建筑物的安全性能和耐久性能。在将来自愈混凝土技术会是智能建筑和绿色建筑的重要组成部分。参考文献1陈肇元, 崔京浩, 朱金铨, 等.钢筋混凝土裂缝机理与控制措施J.工程力学, 2006, 23 (1) :86-107. 2White S R, Sottos N R, Geubelle P H, et al.Autonomic healing of polymer compositesJ.Nature, 2001, 409 (1) :794-817. 3李岚, 袁莉.微胶囊技术及其在复合材料中的应用J.塑料工业, 20
