自愈合及自修复混凝土研究进展

2022-02-06郑丹萌

经济技术协作信息 2022年14期

◎郑丹萌

道路修建过程中，会用到各种各样的材料，其中混凝土就是应用最为广泛的一种，在当前道路修建中起到了重要的作用。混凝土应用非常广泛普遍，其原材料生产丰富、价格较低、生产工艺简单，受到施工单位青睐，在混凝土的发展过程中，其工艺技术越来越成型，经过百年发展，已经在世界范围内的土木工程中得到了最广泛的应用，特别是当前的社会经济发展现况下，混凝土在各工程领域都有着重要的价值呈现。混凝土虽然具备一定的优点，但是，也存在一些不足，如脆性大、抗拉强度低、对裂缝敏感，另外，长时间荷载、温度变化及结构效应因素也会造成混凝土出现问题，一般情况下，混凝土最容易出现的问题是裂缝现象。如果混凝土出现了裂缝，不但影响外形的美观，更会减少强度，混凝土耐久性、承载力将会降低，无法保证建设工程的安全与稳定。只有在发现问题后及时进行修复处理，才能有效提高安全性，因此说，从最初状态全面修复混凝土裂缝，就能够避免出现问题扩散，最大程度的保护建筑工程，修复工作显得十分必要。混凝土修复是一项复杂的工程，在其建设时，投入量大，结构复杂，是劳动密集型工程，要想全面得以修复，其成本是非常高的，如果进行修复，不但需要一定的时间，还影响到建筑工程的使用。有一些建筑物的裂缝是不可见的，其内部细微出现的裂缝，表面看并不影响什么，但是时间久了，就会慢慢扩散，直至无法修复，传统技术不能进行全面的修复处理，随着技术的创新发展，自愈合及自修复系统的出现，就能够有效对各种可见裂缝进行修复，也就是说，通过此项技术的开展，能够控制和修复混凝土结构早期裂缝，以此，有效避免出现更多的裂缝驱动因素渗透，保证了建筑物寿命。

一、混凝土修复方法

混凝土虽然使用非常广泛，但是其缺点也影响到了建筑工程的稳定性，作为典型的脆性材料，混凝土在自然力与外力作用下，往往会出现问题，通常混凝土问题表现为微开裂或局部损伤两种形式，如果出现问题，不但影响到外形的美观度，更会造成力学性能和耐久性能降低，如果不能及时进行处理，还很有可能会引起更大的裂缝或者是脆性断裂，如果人们生活工作在这样的建筑物中，很容易产生灾难性事故，给人们生命财产造成损失。为了全面保证混凝土的稳定性，就需要及时对小的微观裂缝进行修复，以此，避免出现更大的问题，有效保证建筑工程的安全。因此混凝土裂缝修复倍受学术界和工程界关注，也已经成为了他们研究的热点。从混凝土裂缝的修复方式上，主要有两种：一种是传统方式。传统方式为事后修复，主要是针对已经出现的问题进行修复，建筑工程可见的裂缝修复就是对已经出现的损害部位进行解决，传统的修复材料性能不稳定，粘度低，受修复材料限制与影响，整体修复的效果并不理想，容易产生二次开裂的情况。另一种是自愈合自修复。这种修复是在事前进行修复，通过有效的修复，能够使混凝土裂缝在早期就控制问题，避免问题扩大化，通过有效的修复，全面保证了裂缝的稳定性，避免出现渗透现象，给建筑工程带来更大影响危害，确保建筑物安全，提升了建筑物的耐久性，通过这种新型的修复技术，解决了传统方法难以解决和无法解决的问题。从当前发展的条件看，自愈合和自修复技术包括：自然自愈合、工程自愈合、被动修复和主动修复等几种，最为多见应用最广泛的是自愈合和自修复混凝土技术。

二、自愈合及自修复理论发展

技术在不断创新发展，在学界更加重视，自愈合最早的出现是法国科学院学者们在1836 年研究中提出的，他们认为自愈合是将水泥水化渗出的氢氧化钙转化为暴露于大气中的碳酸钙的结果。但是，随着技术不断的创新与突破，也提出了水泥自愈合是水泥在后期持续水化作用和其他作用结果的理论研究。经过全面的深入研究，当下，Ramm 和Biscoping 总结了混凝土自愈合现象可能呈现的机理：一是未水化水泥在后期应用中呈现的水化反应；二是混凝土在使用后期呈现的裂缝两侧膨胀；三是混合物出现的碳酸钙结晶；四是通过水沉淀后对裂缝进行堵塞；五是裂缝自己出现的混凝土颗粒对裂缝进行了填充。随着技术理论的不断研究，也发现了更多的机理，直到1999 年，Edvardsen 也在充分实践后，得出一项结论：他认为碳酸钙沉淀产生的成因是混凝土结构裂缝自愈合的产物。到了2001 年，又在现有基础上，有了更加完善的更新，White 等在《自然》杂志发表了聚合物基材料自愈合相关的论文。以此，拉开了自愈合材料研究的热度，人们更加广泛的关注起了此项技术。技术在20 年发展过程中，也出现了更多的技术形态，很多不同技术被应用到混凝土结构裂缝修复中，也起到了良好的效果。只是各项技术修复目的不同、修复技术不同，各种技术存在一定的差异性。世界上的发达国家一直没有停留对技术的探索，日本混凝土所（JCI）将发生在混凝土中的愈合划为三类：一是自然愈合；二是自主愈合；三是激发愈合。其中第一类是自动愈合，二三类为工程愈合。Mihashi 等在现有成果上，又根据发生在混凝土愈合类型中的不同形态，把不同工程技术分为工程自愈合技术和工程自修复技术。自愈合技术把重点放到了水泥材料本身固有的自动愈合能力，通过激发产生修复能力。工程自修复技术是预埋装置做到良性的补充，对裂缝进行修复。具体操作时，自修复技术有两种形式，一是空心管嵌入构件；二是传感器监测裂缝宽度，当出现临界度，驱动装置会自动启动进行修复。

三、工程自愈合混凝土

水泥基材料是一种特殊的材料，本身自愈合能力较强大，混凝土应用的环境较恶劣，特别是一些特殊结构功能的工程，混凝土所面临的是水、CO2、各种阴阳离子等化学条件，受到环境温度、水压流速、荷载环境的影响，均影响到了混凝土自愈合能力，为了更好地得到修复的效果，保证工程的质量，就需要对影响环境进行分析研究，尽量减少外部环境对混凝土造成的不良影响，以此，进一步激活或提高混凝土自愈合能力。

1.纤维增强混凝土。

如果混凝土基体出现了裂缝，在纤维桥联效应的作用下，每条裂缝开口都得到有效控制并抑制，以至于裂缝不能快速进行扩散，在这种条件下，不连续和随机分布的纤维就能够用于混凝土修复工作中，有效减少裂缝宽度，这样，不论是任何形式自愈合都有了足够的支撑。纤维增强脆性材料的技术已经存在多年，但是，不论是理论还是实践应用中，均还没形成良好的成熟技术形态，材料愈合相关研究还不到位，从目前的情形看，混凝土纤维通常有玻璃纤维、金属钢纤维、天然植物纤维和聚合物有机纤维。其中的玻璃纤维应用最为广泛，在实际使用中能够进一步改善混凝土抗拉强度，提升抗冲击度，可是水泥高碱度的增强会导致纤维更加脆化，局限了修复的效果；金属钢纤维在实际使用中，也有一定的作用，通过良好的应用，增强了混凝土延展性、抗弯度和裂韧性，但是，其材料暴露在高硫酸盐和氯化物环境里，持久性并不好；目前看，混凝土常用聚合物有机纤维是聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚乙烯醇（PVA）等。

Homma 等深入推进了理论创新，通过显微镜观察、透水试验、拉伸试验、背散射电子图像分析等方法，全面进行了纤维增强水泥基复合材料（FRCC）自愈合能力的研究，在试验中，制备水胶比0.45 的水泥胶砂试件，选择三种纤维进行系统研究，最后通过拉曼光谱法进行结果检测，发现碳酸钙结晶产物附着在PE 纤维上，也就是说，加入PE 纤维后能够进一步强化裂缝表面碳酸钙结晶产物的强度，其均厚度更大，从根本上强化了愈合能力。在此基础上，进行了修复后的水渗透实验，发现裂缝宽度大于100μm 时，就是加入1.5vol%的PE，效果也没有得以提升。再通过拉伸试验发现，PE 单掺抗拉强度也没有明显的提高，钢纤维和PE 混合纤维在试验中的成果表现优异。

2.微生物作用。

随着技术创新与实践总结，近年，也有一些新的方法得以应用，生物技术也已经得到了广泛的认同，混凝土领域融合了各种先进的技术形态，大大提高了修复的效果与质量，保证了建筑工程的安全。基于微生物策略以后，混凝土结构中就能够使用细菌对裂缝进行诱导修复，产生碳酸钙进行一定的沉淀。通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICCP）是微生物通过代谢活动在细胞外形成碳酸钙的能力。生物体能够在代谢过程中，产生一定的物质，并和周围环境发生反应，形成一种新型矿物并矿化固定。微生物矿化代谢途径包括自养途径和异养途径两种。自养途径中产生的碳酸钙沉淀主要是微生物在自然条件环境中钙离子通过二氧化碳转化引起。异养途径碳酸盐析出是硫循环或氮循环产生。

四、工程自修复混凝土

自修复混凝土是一种智能材料，智能材料更加灵敏，在自然条件下，均有着良好的应用，总结看，具备以下功能：一是传感功能。通过设备对目标问题进行监控，检测目标是否存在变化，如果出现裂缝则会自动传输到后台；二是处理功能。通过对裂缝的分析判断，就能够形成正确的修复方式，那么，后台人员就可以根据情况采取科学的方法；三是执行功能。对修复的计划进行组织、实施，保证了计划的执行。自动自修复模式是在容易出现问题的部位预埋感知系统，当对建筑物出现的问题进行感知后，充分进行裂缝检测，并对发现的裂缝问题及时传导到后台数据库，后台的控制系统就能够进一步分析形成的原因，并释放修复剂对裂缝进行快速的修复，主动模式自修复是当前应用最为广泛的方式，其自动化程度高、修复快速简便，时间成本少，常见技术有形状记忆合金（SMA）、空芯光纤修复技术。被动模式自修复则不能满足相关的条件，只是在裂缝产生时界面粘结力储存基体的修复剂被撕裂后产生释放，这种修复技术不可控，只有当裂缝到达一定宽度时才能释放，如微胶囊、中空纤维技术等。

1.形状记忆合金。

形状记忆合金能够快速进行系统的恢复，其应变量达7%～8%。形状记忆合金有双程记忆效应和全程记忆效应两种。进行实践应用时，主要是把预拉伸处理SMA 预埋到基体，通过自动的监控，及时发现基体裂缝，如果到达了裂缝临界值，裂缝附近SMA 就会加热并收缩，达到闭合裂缝或限制裂缝扩散的目的，使裂缝得以全面的修复。虽然SMA 在实际应用虽有很多优点，但是SMA 比特但是通过一定的温度才能起作用，如果加热温度不够也无法发挥作用，整体看，稳定性不足，影响到了材料的聚合度。使用SMA 进行修复，成本极高，价格是普通钢材700 倍，面对昂贵的材料价格，也是难以普遍使用推广的成因。

2.空芯光纤和中空纤维。

空芯光纤由纤芯、包层和涂敷层组成，其制作原理是把一定量的修复剂储存到纤芯管内，进行施工建设时，把光纤预埋到混凝土容易出现问题的基体中，如果混凝土结构在自然力或者外力作用下出现变形，那么光纤就会在挤压作用下释放，其固有的光强度、相位、波长及偏振等参数就会出现变化。后台的监测系统就能第一时间感应变化，进行分析判断后，对损伤位置定位，并驱动注胶系统，通过光纤加压的方式，刺激光纤管产生破裂，达到修复目的。近年来，一直对光纤在混凝土中的传输特性进行研究，特别是在光纤光功率损耗方面的研究，已经取得了良好的效果。从最终的理论成果看，注入纤芯空心中介质影响光传播速度，光在光纤中传播主要是反射，介质不同，在纤芯传播的效果也不同，为了达到更好地效果，则对空心光纤与混凝土结构匹配度进行了试验，结果表明：一是光纤与混凝土完全结合。混凝土出现问题后，强度会下降，空心光纤传感也下降；二是光纤与混凝土过紧。这种情况下，空心光纤与混凝土结构界面产生应力更加集中，受应力作用埋入混凝土结构的空心光纤传输性能就能下降，产生损伤出现断裂。而空心光纤较细，不能用更多的修复剂，整体储存量不足，如果裂缝过大，胶液总量不足，无法进行全面修复，影响到了修复的效果，要想应用空心光纤技术，则还需要提升，解决流量。中空纤维损伤自修复与空心光纤类似，在实际使用中，也是将胶黏剂注入中空玻璃纤维埋入混凝土基，其工作原理相同，混凝土结构荷载产生损伤和裂缝，纤维内胶黏剂就会流出渗入裂缝，通过化学作用胶黏剂产生固结，对已经产生的裂缝进行抑制，使开裂部位得以修复。

3.微胶囊。

微胶囊是物理条件的产物，主要是通过成膜材料包覆分散性固体、液体或气体形成核壳结构微小容器。微胶囊自修复工作的原理有三层次，一是把含有修复剂的微胶囊固化剂均匀进行分布，使基体材料起到作用；二是如果出现混凝土裂缝，呈现的裂缝尖端就会对微胶囊产生应力，刺破修复剂并使之流出，通过裂缝光滑部位渗到修复处；三是裂缝修复剂能够快速和固化剂相遇并产生反应，对裂缝进行良好的修复。

在修复过程中，壳体要有足够强度，在日常存放时不出现破损，保证修复剂的还原性能，同时，当裂缝出现后，还具备一定的敏感度，如果外力足够强大，其灵敏性就能够生发出来，并破裂释放修复剂，在工作过程中，需要保证微胶囊与基体紧密性。修复剂在长期存放过程中，受到自然因素影响，容易出现过期的问题，所以不但需要保证流动性，还需要有持久性，能够进行长期储存，这样，其性能才能更加稳定。

五、自愈合和自修复混凝土存在的主要问题

1.受环境影响大。

纤维增强水泥基复合材料性能高于普通混凝土，其自身的自愈合性能更强，但是从影响上看，其受自然同时认为人影响较大，特别是龄期、介质、温湿度和外加剂影响较强烈，如果使用的时间过长，其愈合效果就不佳，影响到对裂缝的修复。

2.影响建筑物安全。

微生物的应用在一定条件下是安全的，但是在实际的使用中，还存在安全隐患。其对裂缝的处理效果虽然较好，能够快速对混凝土进行裂缝修复并产生自愈合，但厌氧细菌酶会在空气作用下产生氨气，如果靠近不仅危害健康，更会进行化学物质转化，生成硝酸并对周边的钢筋腐蚀。细菌是短寿命的物质，其生长与死亡后产生的机体能够在混凝土中长期保留，形成的空穴致使混凝土强度降低，影响到了建筑工程的安全。