混凝土裂缝自愈合的研究现状及发展

石宝存，张士萍，孙茜，荣飞亚，彭振康，魏凯，蒋沅峰

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

混凝土作为现代建筑业的核心材料，在众多外界不利因素的作用下，在未达到预定的使用年限时就会出现各种不同程度的裂缝。为了防止裂缝带来的人身以及财产威胁，目前国内外大多采用定期保养以及外界填补方法，但这样的填补维修方法工期长，花费大量的人力物力。而且对于后期补充的材料是否能与原材料很好的衔接，重新组合之后它的强度耐久性等性能是否满足现代化社会的需求，以及消耗大量人力物力等问题，都没有得到很好解决。因此，要想解决混凝土的开裂问题，我们必须寻找新的技术和方法。目前国内外都出现了不同方式的自愈合混凝土。

1 混凝土自愈合技术

1.1 自愈合研究的意义和目的

自上个世纪中叶以来，国内外学者对功能型和智能型水泥基材料做了大量研究，并取得了重要成果，如损伤自诊断水泥基复合材料等。但是如何及时、有效、快速地修复和愈合混凝土结构的裂缝和损伤还未形成一个相对完整的理论和成熟的技术。目前只有部分国家处于实验室探索阶段，暂时未取得重大突破，还有大量问题需要解决。

截至目前，对于混凝土结构裂缝的问题，我们大多采用的主要形式是定期保养与过后维修。这种人工维修方式不仅耗资巨大，而且修复后的效果无法满足现代多功能建筑结构对混凝土的要求。随着材料科学的飞速发展，混凝土材料也逐渐由单一的建筑材料向多功能智能材料转型。自修复混凝土属于智能材料的一个重要分支，研究混凝土的自修复有利于解决工程中混凝土裂缝问题。裂缝是工程中难以避免的质量缺陷，传统的混凝土裂缝修复方式不符合智能混凝土的发展趋势。因此，对混凝土自修复的研究意义重大。

混凝土裂缝自愈合需要一个怎样的激励环境呢？在不同环境下混凝土裂缝愈合又是怎样的一个演变机制呢？根据工程实际和学者的经验，在分析总结现有资料和方法的基础上，如果确定了混凝土自愈合能力的最佳环境参数，即可提高混凝土的自愈合能力，相当于为混凝土结构增加了一种自我防护，具有极大的经济和社会效益。

1.2 国外研究现状

混凝土的自修复最早可以追溯到1925年。Abram发现混凝土样品放在室外8年之久，其裂缝可以自愈合，且混凝土裂缝出现后的试验抗压强度是裂缝出现前的两倍多。挪威科学家Stefan Jacobsen发现将经过冻融损伤处理的混凝土放入水中进行养护，其抗压强度有所恢复，当恢复了4%至5%时，已在水中养护了2～3个月。

20世纪90年代，美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry教授研究出一种混凝土裂缝主动修复技术。Carolyn Dry教授将混凝土外表面涂上一层蜡，内注满胶黏剂聚丙烯纤维预埋，在混凝土基体开裂时，混凝土基体受热，表面蜡就会融化，粘合剂就会流出。随着温度继续升高，胶黏剂固化，混凝土裂缝被填充。

1994年，Carolyn Dry教授也采用了相似的方法，用玻璃空心纤维代替空心胶囊，其空心纤维内注入缩醛高分子溶液作为胶黏剂，从而形成仿生智能混凝土自修复系统。当混凝土中产生裂缝或缺陷时，预埋的纤维中胶黏剂流出，胶黏剂经过化学反应后硬化，硬化凝固后的胶黏剂可填补裂缝，达到修复缺陷的效果。

还有一种自修复混凝土，通过改变混凝土的动力特性的方法，来改善混凝土结构的抗震能力。同样，在框架梁中预埋玻璃管，玻璃管中提前用修复剂填充好，当框架梁出现裂缝时，玻璃管破裂，修复剂从中流出然后进入裂缝。结构阻尼特性可利用低模量的胶黏剂来改善；带裂缝的位置在较硬的胶黏剂下可重获横向刚度；通过控制胶黏剂的硬化时间也可控制结构弯曲变形。有试验结果表明，修复后的试件强度得到了一定恢复，并且材料的延展性及柔韧性也得到了改善。

1996年，美国illinois大学的ATRE实验室将修复管埋入混凝土桥面内，在修复管埋入前在管中注入低模量的胶黏剂。修复管会因混凝土的侧向变形而破裂断开，然后在管中的胶黏剂会填补桥表面的裂缝。由该试验可得结论，用该方法修复桥面侧向变形引起的裂缝是可行的。由于修复胶黏剂弹性模量低，裂缝愈合区的阻尼特性得到改善，裂缝修复后结构承受变形的能力相比开裂之前有了明显提高。

日本的Yuji Sakai等还对形状记忆合金智能修复混凝土进行了研究。形状记忆合金具有性能稳定等优点。Yuji Sakai将直径为2 mm的超弹性形状记忆合金丝预埋在100 mm×100 mm×500 mm的砂浆梁中，并进行了三点弯曲试验。由试验结论可知，形状记忆合金可以明显增大梁的韧性。

在高温环境下，水泥水化、凝结硬化速度快，水化程度高。相反则速度慢，水化程度低。因此，高温环境对水泥混凝土裂缝的自愈合起到一定促进作用。Hans-Wolf Reinhardt将预制裂缝的混凝土置于3种水温环境中，研究不同温度对混凝土裂缝的愈合能力的影响。结果发现，水温越高，裂缝自愈合反应速率越快，愈合效果也就越好。

1.3 国内研究现状

目前，国内对智能混凝土的研究主要集中于对混凝土的自诊断和自适应方面，对于自修复混凝土的研究还处于起步阶段。但随着近几年对功能性混凝土材料研究的投入，国内有关自修复混凝土的发展也取得了一定进步。

20世纪90年代末，一直在智能复合材料研究方面贡献比较突出的南京航天大学，其智能材料与结构航空科技重点实验室研究了采用形状记忆合金和液芯光纤实现复合材料结构的损伤自动诊断和修复，并且对总体方案进行分析，在初步试验中采用两种环氧树脂，分别是E44和E51。

2001年，南京航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室的杨红针对混凝土裂缝问题提出了自诊断和自修复的想法，此想法利用空心光纤的方法来实现这一智能结构，并且首次提出在智能混凝土方面应用此空心光纤维修的方法。

同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的习志臻等制备了一种自愈合水泥砂浆，此自愈合水泥砂浆中含有特殊的成分，他分别将含有聚氨酯和丙烯酸酯胶黏剂的空心玻璃纤维埋入水泥砂浆基体中制备而成。利用声波发射和三点弯曲试验来评价水泥砂浆的修复效果。由试验结论可知：砂浆的强度在修复后有轻微增大，裂缝闭合程度很高，且砂浆韧性得到增强。修复剂种类会影响混凝土的修复效果，其中丙烯酸酯对裂缝的修复作用更好，聚氨酯稍微差一点。

哈尔滨工业大学的欧进萍等，通过试验对胶囊分布和相对位置的分析,建立了表征自修复混凝土材料中的取向函数和修复胶囊分布。同时，他们还对具有自愈合行为、内置纤维胶液管的钢筋混凝土梁进行了试验,分析了修复纤维对混凝土自愈合效果的影响因素；通过三分点弯曲试验，验证了梁的裂缝自愈合能力；从修复纤维微分单元的平衡状态得到了修复纤维能及时发挥修复作用的合理参数；分别采用不同的修复胶粘剂进行了试验，得到了一种适合钢筋混凝土梁裂缝自愈合的理想胶粘剂。之后，欧进萍和匡亚川将修复纤维管预埋在混凝土的受拉区或易产生裂缝的位置，修复纤维管里装有形状记忆合金和修复胶黏剂，这样就一起组成了一种具有自修复损伤功能的智能混凝土梁。结论显示，梁的变形能力明显增强，混凝土损伤也在快速愈合。

2 目前研究自愈混凝土存在的问题

目前，国内对智能混凝土的研究主要集中于对混凝土的自诊断和自适应方面，对于自修复混凝土的研究还处于起步阶段。并且在施工现场的应用也存在着众多的问题，对于裂缝自愈合所处的最适环境也没有明确的规范。

（1）对于自愈合后的混凝土强度和耐久性等性能还没有较大保证。

（2）目前还没有明确的数据表明不同强度的混凝土以及不同深度宽度裂缝完全愈合所需要的时间周期和最适合的培养环境。

（3）由于混凝土的自主修复研究还处于初级阶段，无法提供实质性的数据证明，而当前研究主要集中于修复纤维在混凝土中的应用，但在施工中并不方便，且造价昂贵。

3 结语

智能化是未来建筑材料发展的大趋势之一，因此对自修复混凝土的研究是不可避免的。世界上的建筑材料都离不开混凝土，也可以说混凝土是所有建筑设施的根本。自修复自愈合混凝土、自感应混凝土和自调节混凝土是智能混凝土三个重要的发展方向。随着科学技术的不断进步和人们环保意识的提高，传统混凝土最终会被这种新型自修复混凝土所取代，这也为以后建筑材料科学的进步提供了新的动力。如果我们弄清楚在不同环境下，混凝土裂缝愈合过程的演变机制，明确混凝土自愈合能力的最佳条件，就能提高混凝土的自愈合能力，使混凝土结构更加具备防护功能。