自修复混凝土的研究进展

张健

（贵州毕节瑞泽新型建材有限公司，贵州 毕节 551700）

0 引言

自修复混凝土是在借鉴仿生学研究原理的基础上所设计研发的能够实现自我修复的智能—结构统一的混凝土体系。其可以在不借助外力的情况下对自身的损害进行诊断与处理，受到越来越多学者的关注。研究人员根据生物的组织器官损伤后可自行愈合的启示，将混凝土模拟成一个可以感知与修复的系统，将特定的结构与组分事先预混入混凝土的水泥基体里面，使之能够实现损伤的自我修复功能。当混凝土受到损伤出现裂纹的时候，事先预置于水泥基中的修复单元就在外力、受热或者化学侵蚀等作用下将自身携带的修复组分释放到混凝土的损伤处，阻止裂纹的再扩大，同时对已有裂纹进行填充与粘结，实现混凝土的损伤自修复目标。这样的自修复体系较以往的人工修复来说不仅约成本，同时也省去外界操作环节，又能够及时地控制混凝土的损害持续发生。在混凝土的自我修复过程中，要求混凝土体系能够比较快速的对损伤作出反应，同时针对损伤重新建立体系的完整性，并防止损伤的持续发生。

1 自修复混凝土的作用机理

自修复混凝土就是在生命系统自修复的理论基础上，设计出一个让混凝土具备自修复功能的体系。其大致过程可归纳为：预先在混凝土中掺加起催化作用的组分，而具有粘结功能的组分则以 “胶囊”或其他类似形式为载体掺入。当混凝土受到外力作用而使其出现裂纹时，裂纹处携带粘结剂的载体就会破裂并释放粘结剂，粘结剂遇到事先掺入的催化剂就会相互反应，将裂纹填充与修复，同时阻止裂纹进一步扩展，从而起到对混凝土的修复作用。

2 自修复混凝土原材选择

2.1 载体的选择

负责携带粘结剂的载体作用不可小觑。在载体材料的选择上主要考虑载体的抗压强度、抗张拉强度以及线膨胀系数。如果载体的抗压强度较低，当其掺入混凝土中就会影响混凝土的强度，致使混凝土对外界载荷的抵御性能减弱。载体的抗张拉强度也非常重要，如果载体的抗张拉强度太大，载体就可能在混凝土出现裂纹损伤时不发生破裂，此时，其中的粘结剂就不会被释放，从而起不到修复作用。线膨胀系数同样是作为是否适合用于载体材料的一个衡量指标。如果载体线膨胀系数过大，当外界温度变大时，载体受温度影响就会在混凝土内部形成一定的应力，对混凝土自身性能的保持与稳定很不利。当外界温度降低时，载体材料又会出现较大的收缩，破坏载体与混凝土之间的粘结。除此之外，载体材料的自身性能还必须稳定，不仅可以长期稳定存在于混凝土中而不被破坏，同时又能长期储存粘结剂而不与其发生反应。而现阶段，载体材料几乎都为玻璃材料。玻璃作为一种脆性材料，其抗压强度可达60～90 MPa，而抗张拉强度只有4～6 MPa左右，玻璃的线膨胀系数与混凝土的线膨胀系数非常相近。此外，玻璃材料极易获得且廉价，所以，玻璃无论从哪方面而言都是作为载体材料的首选。

2.2 粘结剂的选择

自修复混凝土中的粘结剂性能是决定混凝土自修复性能的关键。在选取粘结剂时不仅需要考量所选物质的粘结性能，还要注意其粘度以及化学成分是否适合。所选取的粘结剂必须具备较好的粘结性能，粘结后要具有较高的强度。其次，要求在混凝土开裂初期，其内置的粘结剂可以尽快流出，这样就能够使粘结剂所填充的空隙较小，且抑制裂纹扩展较灵敏。这就要求粘结剂具有低的粘度以及好的流动性能，可使得粘结剂在裂纹刚出现就可以迅速、充分充满裂纹空隙，保证粘结后混凝土的整体性能。另外，有些粘结剂由双组分或多组分构成，当两种或以上组分混合后才具有粘结功能。然而，混凝土中掺入的粘结剂不易使不同组分混合均匀。因此，在选择粘结剂时要尽可能使用单组分粘结剂，以确保粘结剂功能的有效发挥。在粘结剂固化方面，也要尽量选择固化迅速、固化条件易行的粘结剂，如空气固化型粘结剂或溶剂挥发型粘结剂。此外，在达到以上要求基础上，还要能够达到环保标准的要求，选择低毒或者无毒类型的粘结剂。目前，国内外应用于混凝土自修复中的粘结剂种类主要有聚丙烯酸脂类粘结剂、缩醛高分子类粘结剂、聚氯胺类粘结剂、水玻璃类粘结剂以及环氧树脂类粘结剂等。

3 自修复混凝土的发展现状

早在二十世纪20年代，美国学者Abram与挪威学者Stefan Jacobsen已发现混凝土具有一定的强度回复功能。之后，日本学者J.S.Rya与Nobuaki Otsuk等人进行了一些关于混凝土自修复的研究，他们主要通过将受损混凝土试块放置在一定的修复液中，在电流作用下使裂纹处产生化学沉积，以填充空隙修复裂纹。

直到二十世纪90年代，关于混凝土仿生自修复的研究才逐渐开展。日本学者三桥博三首次将空心胶囊作为粘结剂载体，将粘结剂置于胶囊中，再将胶囊掺入混凝土水泥基体里面，他发现这样能使混凝土具有优良的自修复功能。沼尾达弥和福尺公夫两位学者则采用玻璃纤维作为粘结剂的载体，并得出玻璃纤维的最佳掺量，使其既不影响混凝土的自身性能，又可以拥有良好的自修复功能。我国的欧进萍与匡亚川两位学者也通过实验得到了空心胶囊作为粘结剂载体的最佳掺量以及胶囊的最佳尺寸。

美国学者Brown EN、Sottos NR与White SR等人研究了不同催化剂掺量对粘结剂粘结性能的影响，其研究结果表明，当催化剂尺寸大于350 μm时，催化剂的催化效果就会变差；催化剂掺量达3%以上就会明显影响混凝土的力学性能。我国学者习志臻、张雄等人对不同粘结剂的裂纹修复效果进行了研究，其研究结果表明，聚丙烯酸脂类粘结剂的性能要优于聚氨酯类粘结剂，并且采用聚丙烯酸脂类粘结剂修复后的混凝土其韧性也得到明显改善。

4 结语

智能混凝土已是混凝土发展的重要内容，而自修复功能作为智能混凝土的重要组成部分，也成为学者研究的重点。整体来说，自修复混凝土的研究目前还处于起步阶段，还有很多问题需要研究解决。笔者认为应主要从自修复混凝土粘结剂的选择、载体的选择、粘结剂的掺入形式以及粘结剂的修复过程等入手研究，在此基础上建立混凝土自修复的理论体系，为实际工程应用提供可靠的理论依据。

参考文献

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