混凝土裂缝自愈合的研究与进展

杨 卉（南华大学城市建设学院，湖南 衡阳421001）

1 引 言

混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展，所以及时对扩展裂缝进行修复就可以很好地减缓失效。但若采用人工修复技术不仅延误了最佳修复时间，并且耗费人力财力。如果混凝土能在产生裂缝后立刻做出反应自行愈合，那么结构修复的经济性和有效性就会大大提高。

1925 年学者Abrams[1]第一个发现了混凝土的自行愈合现象，开裂试件在户外放置8a 后愈合了裂缝，并提高了抗压强度。这一发现使通过混凝土自愈合而修复结构变得可行。因此，一些学者开始进行混凝土裂缝自愈合的研究。

随着国内外学者在这方面的进一步研究显示依靠混凝土本身的愈合能力不能达到理想的修复效果。于是人们开始寻求其他的方法来实现混凝土自己愈合裂缝的目的。比如目前研究较多的仿生自愈合技术。

基于混凝土自身的愈合机理，也有采用催化结晶涂料的自愈合方法，这种方法是通过催化混凝土中游离的钙离子和未水化的水泥发生反应达到愈合裂缝的目的，目前投入使用的是一些防水水泥。更有学者研究了在水泥基中掺入耐碱微生物对水泥基试件愈合性能的影响。

自愈合混凝土有其研究的价值与意义，但是实现难度很大。国内外部分学者进行了大量实验研究， 已经初步形成了几种可行的研究方法，对混凝土材料的革命性变化产生了积极的推动作用。本文将介绍国内外关于混凝土自愈合的研究情况，并进行简要的总结与分析。

2 国内外研究情况

2.1 混凝土本身的愈合能力

在混凝土裂缝自愈合研究的初期阶段，主要是基于混凝土本身潜在的愈合能力的研究，实际体现在对于其机理和愈合效果的研究。

J.Stefan（1995）[2]将混凝土试件冻融破坏后，放置水中2 ～3 个月后混凝土几乎能全部恢复损失的共振频率，并且裂缝中有钙矾石晶体和氢氧化钙晶体。

此实验是在有水环境中且产生了水泥水化产物，这说明混凝土自愈合可能的形成原因是混凝土中未水化完全的水泥再次水化。

国内也有学者做了这方面的实验和研究，并更进一步得到确切结论。程东辉、潘洪涛[3]对混凝土的这种自愈合现象的机理进行了研究，得出了其愈合的四方面原因，其中水泥浆体水化就是主要原因。且对于3mm 左右的裂缝，当其暴露于水环境大于600 小时，裂缝可以完全愈合。

但是可愈合的裂缝宽度在不同的情况下是否会改变该研究并未进行探索。于是又有学者在这方面展开了研究。

姚武、钟慧[4]的研究发现混凝土的自愈合能力存在一个损伤阈值， 损伤小于损伤阈值时随损伤的增大，自愈合率也增大；损伤大于损伤阈值则随损伤的增大，自愈合率减小。

李厚祥、唐春安[5]等通过试验分析得到了在一定水压梯度下，一周后可能自愈合的混凝土裂缝宽度。结果表明，水压梯度越大，裂缝自愈合所容许的宽度越小。

刘小艳[6]等对混凝土自愈合的性能做了试验研究，试验结果表明低等级水泥比高等级水泥同条件下的自愈合能力强，掺入粉煤灰和碳纤维对混凝土的愈合能力都有提高。这表明混凝土的成分会影响其愈合能力。

通过他们的研究可以看出，混凝土本身的愈合能力非常有限，不仅需要合适的湿度等条件，而且愈合较缓慢，即使改变混凝土的成分，对其愈合能力的提高也满足不了预期修复水平。通过激发混凝土本身的愈合能力来修复结构可行性不大。

2.2 仿生自愈合混凝土

既然通过混凝土自身的能力无法达到快速修复的目的，人们开始探索通过人为的方法来实现。

1989 年日本高木俊宜教授将信息科学融合于材料的物性和功能提出了智能材料（Intelligent materials）概念，即能感知，能作出响应，并且具有学习能力等的新材料。而美国的R.E.Newnham 教授则更具体地提出具有其中一两项功能的称为机敏材料（Smart material）[7]。

实现材料智能化是未来的研究趋势，研究者的目光开始转向这一领域，因此有学者开始研究模仿生物的愈合现象来愈合材料的研究，而这种材料就被称为仿生自愈合材料。其中仿生自愈合混凝土的研究思路大致分为三类：纤维管+胶粘剂；胶囊+胶粘剂；形状记忆合金。

2.2.1 纤维管+胶黏剂

在仿生自愈合混凝土的初期研究中，一般的思路是模仿动物受伤后流出血液进行愈合，于是主要的模型是在纤维管中注入高强度的胶粘剂。

美国Carolyn Dry[8]在1990 年发表的文章中提出了一种混凝土裂缝自愈合的方法，即通过预埋含有胶粘剂的纤维，用加热的方式启动修复。可以说这是仿生自愈合混凝土研究的开始。

Dry Carolyn[9]还尝试了其他方法。他将多孔的纤维网预埋在磷酸钙水泥（含单聚物）中，多孔纤维会释放出引发剂，引发水泥中的单聚物反应形成高聚物，反应生成的水又进一步与水泥中未水化的粒子发生水化反应。另外，他试验了一种由甲基丙烯酸甲酯（MMA），过氧化氢和钴组成的修复系统，将MMA 与后两种试剂中的一种混合注入纤维管，与注入了余下的另一试剂的纤维管同时预埋到混凝土中，纤维管随混凝土开裂而破裂后三种试剂混合会形成强度极大的物质从而修复裂缝。

同济大学习志臻[10]等，分别采用聚氨酯、丙烯酸酯注入玻璃纤维管，预埋到水泥砂浆中，并用INSTRON 试验机和声发射仪测试其愈合后的性能，结果表明，两者愈合效果明显，且采用聚氨酯的自愈合系统能够更好地愈合裂缝。

哈尔滨工业大学匡亚川[11]，进行了修复纤维力学参数的确定，然后分别以氯丁橡胶、α-氰基丙烯酸酯、环氧树脂三种胶粘剂注入玻璃纤维管预埋到混凝土梁中进行实验，试验结果显示采用氯丁橡胶愈合效果不理想，α-氰基丙烯酸酯不能达到愈合效果，而环氧树脂可以较好地愈合裂缝，但是因为不能保证双管同时破裂而有待改善。

张妃二[12]等将SJ 胶的大直径空心光纤预埋到混凝土中进行试验，结果表明，SJ 胶修复后的混凝土拉伸、压缩、弯曲试件强度分别是原值的1/3、2/3、5/3。

这一模式直接有效，但是一方面难以施工，另一方面难以实现二次修复，并且在胶粘剂和容器的选择上还需要更为具体地研究。

2.2.2 胶囊+胶粘剂

对胶粘剂容器进行改革，产生了一种新的仿生自愈合方法，即以胶囊包裹胶粘剂，分散在混凝土中。这种方法比用纤维管更能将修复剂分布均匀，能使修复液覆盖区域更广，从而更迅速地到达破损位置。

日本三桥博三等[9]将注有胶粘剂（分别是水玻璃，环氧树脂等）的空心胶囊掺入混凝土中，当混凝土开裂，胶囊随之破裂，胶粘剂流出对裂缝进行修复。

哈尔滨工业大学欧进萍、匡亚川[13]研究了一种内置胶囊混凝土，根据混凝土破坏机理确定了胶囊的破坏应力，并利用ANSYS 对修复胶囊进行了有限元分析，最后进行了试验，用注入α-氨基丙烯酸脂胶粘剂的玻璃胶囊掺入混凝土中，能够达到一定的自愈合效果。

这一方法比上一个方法有提高的地方，比如它可以分步更均匀，基本可以实现二次裂缝修复，但是仍然没有很好地解决投入实际工程中将要面临的问题。比如搅拌混凝土时无法保证胶囊不破裂，胶囊对混凝土性能的影响研究还不全面，需要进一步确定对应力做出合适反应的胶囊容器材料等。

2.2.3 形状记忆合金

形状记忆合金（简称SMA）具有形状记忆效应和超弹性性能。根据需要，SMA 元件可以在100℃以下的某个设定温度产生动作，实现对设备或装置的自动控制或保护；也可以按作用力的大小设计SMA 驱动元件，驱动元件的动作反应时间可以根据需要在一定范围内调节。

因为SMA 的这种性能，它被应用到了自愈合混凝土的研究中，以期通过温度或者应力控制来达到混凝土感知，并进行反应的目的。

陶宝祺[14]等研究了利用SMA 和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。采用直径为0.05mm 的SMA 丝和分别装有环氧树脂和固化剂的光纤（称为液芯光纤），通过激励SMA 丝对液芯光纤产生压力使胶液流出，且通电的SMA 放出热量可以促进胶液的流动和固化。

兰州理工大学狄生奎、李慧[15]等通过试验研究了混凝土梁在加载过程中Ni-Ti SMA 丝电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度的关系，及通电激励SMA 丝恢复混凝土裂缝的变化规律。结果表明，在0.3mm 范围内SMA 更为敏感，通电激励SMA 丝能够很好地愈合混凝土裂缝。

崔迪[16]等将SMA 绞线作为主筋埋入混凝土梁中，对其和普通钢筋混凝土梁采用跨中单点加载试验测试对比其力学性能，结果表明，这种梁比普通钢筋混凝土梁在开裂后能承担的力更大，且SMA 绞线可以减小混凝土梁的残余变形和残余裂缝。

日 本Yuji Sakai 等[9]将 直 径2mm 的 超 弹SMA 预埋在砂浆梁中，进行三点弯曲实验，与普通梁比较，SMA 提高了梁的变形能力，卸载之后，SMA 梁的变形几乎全部恢复了。

采用SMA 可以对混凝土变形起到一定的恢复作用，并且可与其他方法结合，具有一定的发展前景。

2.3 在水泥基中掺入特殊材料

由混凝土天然愈合能力的研究引发了人们对激发混凝土潜在愈合功能的兴趣。继而有学者进行了这方面的开发研究。通过掺入抗渗结晶防水剂可以在有水环境中促使水泥浆中未水化的粒子迅速水化就是其中的一种较为成熟的方法。

余剑英、李旺林等[17]利用平板法试验使混凝土形成不同宽度的裂缝，通过后期养护来直观表征渗透结晶型防水材料对混凝土裂缝自愈合能力的影响。结果表明，渗透结晶型防水材料对混凝土初期宏观裂缝有明显的抑制作用。且该防水材料为水泥掺量的1%时已经具有良好的裂缝自愈合能力。

王桂明等[18]对掺有催化结晶型抗渗涂料的水泥砂浆试件进行了抗渗性能试验，孔隙率测试，研究了其力学性能和自修复性。试验结果说明这种涂料可以显著增强水泥基的力学性能，并对试件具有很强的养护自愈合功能。

国外也有学者进行了在水泥基中掺入微生物已达到自愈合目的的研究[19]：

Navarro 等研究微生物修复已发生老化的石灰石装饰表面裂缝的功效。继而，Bang 等研究微生物修复水泥基材料表面裂缝的功效，他采用巴氏芽孢杆菌和两种经过细胞重组的大肠杆菌，进行对比实验，发现尿素酶在微生物结晶过程中起到至关重要的作用。其对微生物形成的矿物沉积进行扫描电镜分析和X 射线衍射分析的结果表明矿物沉积的成份是方解石。

Jonker 等人采用好氧的嗜碱芽孢杆菌掺入到水泥净浆和水泥胶砂中做成试件，将试件在培养基中进行培养，结果表明掺了该细菌的试件表面出现大量晶体，且力学性能大大提高。

Ramachanelran 进行的试验对比了绿脓杆菌和巴氏包杆菌对水泥基试件的影响，结果说明绿脓杆菌的矿物沉积远远低于巴氏包杆菌。

采用抗渗涂料等可以对混凝土裂缝起到较好的愈合作用。但是还不能对深裂缝进行很好的修复，所以暂时只用于表面裂缝的修复。而加入嗜碱微生物可以促进矿物沉积从而在一定程度上修复裂缝，但是实际应用中混凝土不能满足微生物的生存条件，且微生物起到的修复作用还不能满足修复结构的要求。

3 结 语

从发现混凝土的自愈合能力开始，国内外学者找到了研发新型混凝土的新途径，随之而展开的科研渐渐形成了自愈合型混凝土的雏形，但要实现工程应用仍需要更多的深入研究，自愈合混凝土尚未成熟。智能混凝土是未来的发展方向，研发出可用于工程实践的机敏混凝土是第一步，随着材料科学的发展，更多新材料的发现与使用，研制智能混凝土的目标终会实现。

目前所研究的自愈合混凝土中，仍然存在着需要解决的问题：

1）自愈合混凝土一般采用胶粘剂进行修复，而启动修复的问题至今还没有得到完美的解决方法。有采用加热方法，通电SMA 启动，通过容器与混凝土力学性能相匹配而进行机械力学启动等，在实际应用中都是有难度的。

2）胶粘剂的选择，目前已经有一些愈合效果较好的胶粘剂，但是并非理想，环氧树脂效果好但是双组分给实际应用带来了不可忽略的问题。

3）容器的选择。首先是容器的材料，目前有采用玻璃，也有采用光纤，主要还是要与混凝土力学性能匹配，并且不会对混凝土构件强度产生不利影响。然后是容器的形状，如何能使修复试剂更快更充分地达到需要修复的位置，并且方便施工，这些都是是需要进一步改进的。

4）修复剂只能一次性使用，当二次受损将不具有自愈合的性能。

[1]Abram.A，Concrete，V.10.P50，August，(1925)

[2]Stefan Jacbonsen，self healing of high strenghth concrete afrer deterioration by freeze/thaw.[J]Cement and Concrete Research，1996，26(1)：5562

[3]程东辉，潘洪涛.混凝土裂缝自动愈合机理研究[J]森林工程.2005.21(3)

[4]姚武，钟慧.混凝土损伤自愈的机理.[J]材料研究学报.2006.20(1)

[5]李厚祥，唐春安.混凝土裂缝自愈合特性研究.[J]武汉理工大学学报.2004.26(3)

[6]刘小艳，姚武.混凝土损伤自愈合性能的实验研究[J]建筑材料学报.2005.8(2)

[7]姚康德，许美萱.智能材料[M]天津大学出版社.1996

[8]Dry Carolyn，Alteration of matix permeability，pore and crack structure by the time release of internal chemicals.Proceedings of the ACS/NIST Conference on Advances in Cementitious Material，American ceramic Society.July 22-26，1990，729-728

[9]匡亚川，欧进萍.混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展[J]力学进展.2006.36(3)

[10]习志臻.仿生自愈合水泥砂浆的研究[J]建筑材料学报.2002.5(4)

[11]匡亚川.内置纤维胶液管钢筋混凝土梁裂缝自愈合行为试验和分析[J]土木工程学报.2005.38(5)

[12]张妃二，姚立宁.光纤智能混凝土结构自修复的研究[J]功能材料与器件学报，2003，9(1)：91-94.

[13]欧进萍，匡亚川.内置胶囊混凝土的裂缝自愈合行为分析和试验[J]固体力学学报.2004.25(3)

[14]淘宝祺.形状记忆合金增强智能复合材料结构的自诊断、自修复功能的研究[J]航空学报.1998.19(2)

[15]狄生奎，李慧.SMA 混凝土梁的裂缝监测及自修复[J]建筑材料学报.2009.12(1)

[16]崔迪，李宏男等.形状记忆合金混凝土梁力学性能试验研究[J]工程力学.2010.27.(2)

[17]余剑英，李旺林.渗透结晶型防水材料赋予混凝土裂缝自愈合性能的研究[J]中国建筑防水.2009.8

[18]王桂明.催化结晶型抗渗涂料对水泥基材料性能的影响[J]武汉理工大学学报.2006.28.(3)

[19]袁雄洲，孙伟.水泥基材料裂缝微生物修复技术的研究与进展[J]硅酸盐学报.2009.37(1)