自修复混凝土材料研究现状

李欣 孔颢

摘要：混凝土在受力或其他因素的作用下，会出现裂缝，影响了混凝土的使用寿命。自修复混凝土在出现裂缝时，能自动分泌出粘结液并渗入裂缝中，使混凝土裂缝重新愈合，恢复甚至提高混凝土的性能。全面回顾了自修复混凝土的发展背景和研究现状，阐述了现今自修复混凝土研究与应用中存在的问题，通过深入分析，展望了自修复混凝土的发展趋势和应用前景。

关键词：混凝土；裂缝；自修复

混凝土材料出现裂缝的修复问题是如今工程上面临的最困难的问题，如果这些损伤部位不能及时修复，不但会影响混凝土土材料的强度和耐久性，还会缩短寿命，有可能产生严重的灾难性事故。传统的混凝土材料修复形式主要是定期维护和事后维修，这种被动的方式不仅费用打，而且效果不佳。智能混凝土目前主要有三种类型：自感应混凝土，自调节混凝土和自修复混凝土。而自修复混凝土技术就是解决混凝土裂缝修复问题的最好方法。

1.自修复混凝土的自修复机理

在生命系统中，骨折后，断裂处血液流出，通过营养物质和能量的补给，完成骨头的自动愈合。人们从这里得到启示，希望在混凝土结构中加入相同的修复系统，当混凝土结构出现裂缝或损伤时，能够触发一种自动的修复反应，自动愈合。

2.自修复混凝土技术研究现状

2.1内置胶囊自修复混凝土

日本东北大学的三桥博三等将内含粘结剂的空心胶囊掺入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂，部分空心胶囊破裂，粘结剂流出渗入裂缝，使裂缝重新愈合。

日本茨城大学的沼尾达弥等对自修复混凝土中不同纤维尺寸，掺量和不同水灰比等对混凝土修复后产生的影响做了研究，实验结果表明：外径为3mm和5mm，掺3%和5%的玻璃纤维，对混凝土抗压强度的影响不大，增大水灰比混凝土的抗压强度降低。

哈尔滨工业大学的欧进萍等，建立了描述修复胶囊在混凝土中的分布和取向函数，用以统计分布在混凝土基体中各个方向的胶囊数，分布在0～θ范围内的修复胶囊数占掺入在混凝土中的修复胶囊总数的百分数为 。若结构稍有损伤，修复胶囊就破裂，以至于再次出现较严重的损伤时无法进行修复，根据混凝土的破坏机理，提出了修复胶囊的破坏应力，用以确定修复胶囊的直径和壁厚。

2.2内置纤维管自修复混凝土

美国伊利诺斯大学的Carolyn Dry在1990年研究了一种混凝裂缝主动修复技术。将外表涂有蜡层，内注有异丁烯酸甲酯胶粘剂的聚丙烯纤维预埋在混凝土中。测试结果表明，从内部释放胶乳剂修复后的混凝土有更高的抗压强度和更好的抗渗能力。

Carolyn将多孔的纤维网预埋在磷酸钙水泥（含有单聚物）基体材料中，从多孔纤维中释放出引发剂，与掺在水泥中的单聚物 聚合成高聚物，而聚合反应留下的水分促使水泥水化。

Carolyn将注有修复剂的脆性纤维管预埋在混凝土中，荷载导致裂缝产生，使纤维管破裂并且释放修复剂进入裂缝中，修复裂缝。修复剂固化后再进行第2次三点弯曲实验，测试了试件修复前后的承载力状况。试验结果表明，修复剂修复后的试件能承受更多的荷载。

2.3形状记忆合金智能自修复混凝土

何思龙等将预应变为1.8%的形状记忆合金预埋在钢筋混凝土简支梁中，通过自动加热系统将形状记忆合金加热至各种设定温度，研究了梁在定值静荷载和定值冲击荷载下的反应。试验结果表明，形状记忆合金可以对结构施加较大的预应力，提高结构的强度和刚度，从而大大降低结构的静、动力反应，实现对结构的智能控制。

陶宝祺和熊克等提出了形状记忆合金自修复混凝土。将经过预拉的SMA丝预埋在混凝土中易开裂区域，同时在该区域内置光纤。当混凝土在工作中出现不允许的裂缝或裂缝宽度时，微处理系统根据光纤拾取的信号发出指令，对处于裂缝处或附近的SMA丝通电加热激励，使其收缩变形，使裂缝闭合或限制裂缝的进一步开展。

日本的Yuji Sakai等将直径为2mm的超弹性形状记忆合金丝预埋在100mm×100mm×500mm的砂浆梁，并进行了三点弯曲试验，试验结果表明，与普通钢筋混凝土梁相比，形状记忆合金提高了梁的变形能力，卸载之后，形状记忆合金梁的变形几乎全部恢复。

3.目前主要原材料的选择问题

3.1贮胶容器

选择什么材质的容器来装胶粘剂是自修复混凝土研究重要方面.玻璃的抗张强度通常为其抗压强度的1/15，大约为50一100 MPa.玻璃的抗压强度高，抗拉强度低，所以玻璃在冲击荷载作用下易破碎，是典型的脆性材料.玻璃的线膨胀系数大约为1.0 × ，而混凝土的线膨胀系数大约为1.0× ～1.0× ，所以，玻璃和混凝土的线膨胀系数是很接近的，当温度变化时，玻璃和混凝土不至于产生相对的温度变形而破坏它们之间的粘结，玻璃的化学性质稳定，能长期保存在混凝土中而不影响混凝土的性能.能长时间稳定地储存各种修复胶粘剂，所以选用玻璃作为存放胶粘剂的容器是可行的。

3.2胶粘剂

对于自修复混凝土，胶粘剂的选用很关键.不仅要考虑胶粘剂粘结强度，粘度，而且要注意其组成成分，具有较高的粘接强度是不容质疑的，因此首选结构胶粘剂。此外，为了保证在裂缝初开裂时，内置修复容器内的胶粘剂能够迅速流到裂缝处修复混凝土裂缝，就要求修复胶粘剂可实现的填充缝隙要尽可能小，另外粘度较小则具有较好的流动性，能够迅速渗人混凝土的裂痕中，充分湿润裂缝表面，确保粘接的质量。

考虑到以上几个方面的要求，學者主要选用缩醛高分子溶液、聚丙烯酸醋、a一氰基丙烯酸醋胶粘剂、聚氨酷胶粘剂、氯丁橡胶、水玻璃、环氧树脂胶粘剂等作为自修复混凝土用的修复胶粘剂。

3.3基材

大部分学者都选用普通混凝土作为自修复混凝土的基材，同济大学混凝土材料研究国家重点实验室的习志臻和张雄选用水泥砂浆作为基材，福州大学首次以免振捣自密实混凝土为基材进行自修复试验，取得良好的效果.玻璃胶囊埋人普通混凝土中，通常在振捣之后，由于受到浮力作用会浮出试件上表面，自密实免振捣混凝土以其免振捣、高流动性的优越性能，解决了这个问题，此外有的学者也采用环氧树脂等作为基体材料。

4.自修复混凝土的研究前景与展望

自修复混凝土的研究尚处于初级阶段，要真正应用于实际工程还有待于进一步的研究。从自修复混凝土的发展来看，目前尚未解决的问题有：修复胶粘剂的选择、封人的方法、流出量的调整、释放机理的研究、修复胶囊和纤维的选择、分布特性及其与混凝土的断裂匹配的相容性、修复后混凝土耐久性能的研究等问题，只有这些问题得到解决，才能为自修复混凝土应用于实际工程提供完善的理论依据。自修复混凝土必将沿着智能型、环保型、经济型方向发展。

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