混凝土自修复技术的对比分析与新自修复技术研究★

胡鹏杰 方光秀 金星翰

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

0 引言

混凝土是一种不均匀且多孔脆性的水泥基复合材料，是最普遍、也最重要的建筑材料。由于在日常的使用以及所处的环境条件，混凝土构件表面经常会产生一些微小的裂缝或裂纹。当混凝土表面产生微小裂缝时，混凝土自身会出现拉伸变形，将超过混凝土拉伸强度，最终演变成宏观的裂缝，而危害建筑安全，甚至会造成无法挽回的损失。因此，能够自我愈合裂缝的自愈混凝土有效地减少了此类灾害的发生。

随着近年来混凝土自愈性研究[1]的开展，如何进一步提高混凝土的自愈性能一直是一项难题，各种自修复技术与猜想也不断被提出。例如：用环氧树脂补强灌浆料以及钻孔填塞等，不仅粘结力强，而且有较好的耐热性与稳定性。自愈混凝土是一种当表面出现细小裂缝时，第一时间，自身能够通过一系列反应释放出修复液以进行自我愈合的新型混凝土，其自我愈合的过程是一个非常复杂的化学以及物理过程。20世纪末，Carolyn Dry第一次提出自愈混凝土的概念，随后，一些学者对此开始了研究。目前，针对混凝土自愈性能的研究仅处于探索阶段，且只有美国，日本等少数国家已进行了系列研究，至今还仍未取得突破性的进展。

由于我国在智能复合材料的研究领域处于领先地位，杨红等在20世纪末研究了用记忆合金与液芯修复损伤混凝土的技术，其后又首创了智能结构的空心光纤研究法。混凝土自修复技术的出现，不仅减少了安全事故的发生，而且极大地降低了不必要的经济损失。随着进一步提高混凝土的自愈性能，建筑物的使用寿命将会更长，且安全性也会显著提高。

1 国内外自修复技术的研究现状

1.1 智能修复技术

近年来，随着科学技术的发展，多种学科之间相互渗透，进而研究出一种可以自我诊断并进行修复的智能混凝土。它能模仿生物的生命系统，能对外界变化产生感知并作出适时灵敏的反应，具有自我诊断、调节和修复等功能。这一技术是将微型传感器、驱动器、空心纤维以及处理器装入混凝土中，微型传感器主要由光纤组成，用来感知以及检测混凝土各部分的变化，并实时传输到微处理器以做出相应的反应，进而实现对混凝土的修复与调节。当混凝土表面出现结构变化的同时，会引起传感器中光纤的变形，导致通过光纤的光线强度、波长等发生变化，根据这些变化信息可以确定结构的应力、变形以及裂缝。在空心纤维中填充入适当的修复液，当裂缝出现时，将通过一系列反应，微处理器会使空心纤维释放出修复液而修复混凝土。

通过我国对智能修复混凝土研究文献[2]的收集整理与统计分析而得出，张妃二、姚立宁等，利用光在光纤中传播时光强的衰减以及光脉冲展宽的传输特性，研究出空心光纤的传输特性与匹配特性，并组构成一个较为完整的检测及修复体系。他们利用注入以粘度较小的缩聚高分子溶液而组成的粘结修补剂，以此实现对混凝土裂缝的修复。通过埋设在混凝土中的光纤光强变化，可以检测到裂缝的产生，而且多模光纤在裂缝处的光强变化或光时域反射仪(OTDR)可以诊断与定位裂缝。研究得出，利用空心光纤注胶来实现混凝土结构的自我修复及诊断是一种可行的方法，既及时又有效的修复混凝土裂缝。

1.2 仿生物自修复技术

随着生物学的发展，生物组织的自我愈合能力引起了人们的关注，例如：人的皮肤被划破后，血管扩张充血，血浆以及各种细胞从血管中渗出，在伤口处血液和纤维蛋白经过一系列反应迅速转变为固态的纤维蛋白并结成网状，进而在伤口内逐渐形成凝块保护伤口；骨头折断后，将它们对接起来，经过一段时间便会自己愈合。人们受到这一自愈行为的启发，在混凝土中加入含有粘结性修复液的液芯纤维或者微型胶囊，当混凝土表面出现裂缝的时候，藏于表面的液芯纤维或微型胶囊受到张力随之开裂并释放出修复液流入损伤处，修复液遇空气凝固将裂缝粘结起来，从而实现混凝土的自修复。具体修复原理如图1所示。

20世纪日本东北大学的三桥博三教授等用环氧树脂和水玻璃等化学材料作为修复剂置于空心纤维内并装入混凝土构件内，当构件发生裂缝时，部分空心纤维随之开裂，释放出修复液流入开裂处，待修复剂凝固实现裂缝的修补。随后Carolyn Dry等用高分子溶液做粘结剂，采用三点弯曲试验测试了试件经修复前后的承载状况，实验表明，被修复液修复后的试件能承受更大的荷载且部分性能得到了改善。

1.3 渗透结晶修复技术

我国的匡亚川，欧进萍等[5]针对混凝土结构的渗漏以及防水材料的老化，提出了一种新型的渗透结晶自修复的方法，通过试验研究了无机渗透材料的掺量对混凝土性能的影响，并总结出掺量的合理使用范围。他们选用的渗透材料是由波特兰水泥、极细的硅砂以及多种特殊活性的化学物质组成的灰色粉末状的无机材料，这种材料的寿命与混凝土几乎一致，且抗老化能力强、无毒无害、施工起来也较简单。在试验中进行了压缩、劈裂和渗透等3项试验，并且分别测其抗压、抗拉强度的恢复率和二次抗渗压力。

在压缩试验中用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，待浇筑后，在标准养护条件下养护28 d后进行加载，初始阶段的加载速度率为3 kN/s，当达到400 kN时，则采用等位移速度加载，加载速率为0.1 mm/min。整理加载数据后得知，渗透结晶材料调动了水泥的积极性，并显著提高了混凝土的力学性能，而修复裂缝后的强度也有一定的恢复，掺量较大时修复能力较强。

劈裂及抗拉强度的恢复率试验初始阶段加载速率200 N/s，当荷载达到50 kN时，采用等位移速度加载，其加载的速率为0.05 mm/min，直到试件表面出现第一条裂缝停止，而后将出现裂缝的试件重新置于养护室养护，之后进行第2次加载，用两次劈裂荷载之比来体现修复能力。对比数据后得知渗透结晶材料的加入使混凝土的抗拉强度得到了显著的提升。

2 自修复技术的对比分析

智能修复是现代科学技术快速发展的产物，这一技术实现了对混凝土的实时监控，并且在修复裂缝时具有反应迅速、节省材料、效率高等特点，在力学性能方面，智能修复后的混凝土强度会有所提高，智能混凝土的产生，大大节省了人力物力，其通过电子元件实现对自身的实时监控，并且可以将混凝土的各种信息数据传达至电脑端，极大地方便了我们对混凝土性能的研究。目前，智能修复技术仍有很大的研究价值，其应用前景非常广阔。

仿生物自修复技术是人们从生物组织中受到启发研究出来的，这种自修复技术大大节省了自愈混凝土的成本，且施工较为容易。将内含修复液的微型胶囊或液芯纤维加入混凝土中，对混凝土的配合比影响较小，并且对其抗压、抗弯等力学性能影响较小。被愈合后的混凝土试块能够承受更大的荷载，且其延展性、柔韧性也得到较大的改善。

渗透结晶修复技术不仅可以提高混凝土的强度恢复率和抗渗恢复率，而且该技术对于细小裂缝的修复效率较高，渗透结晶材料可以明显改善混凝土裂缝的自愈合效果，并且降低裂缝深度。在混凝土中掺入适量的水泥基渗透结晶材料能够增加混凝土的密实性，并且可以提高混凝土抗拉强度、抗压强度以及抗渗压力，其中抗渗压力的提高最大。在渗透结晶混凝土开裂后，在一定的条件下养护，性能会得到较好的恢复，在一定的范围内，掺量越大修复能力就越大。

3 新型的混凝土自修复方案

在混凝土中加入内含修复液的微型胶囊，不仅可以节省成本，又能提高混凝土的承载性能以及延展性，而渗透结晶技术则可提高强度恢复率和对细小裂缝的修复率，并且可以明显改善混凝土裂缝的自愈合效果，降低裂缝深度。因此，若将两种技术结合或许可以进一步提高混凝土的修复效果与力学性能。

其施工的具体流程与关键控制点如图2所示。

4 结语

1)混凝土的自修复技术仍需进行大量的研究和改进，目前的自修复技术还存在较大的缺陷和不足。

2)混凝土自修复技术可有效治理裂缝等质量通病，在节约经济和减少工程事故等方面起到重要作用。

3)本文提出了新型混凝土自修复技术方案的修复原理、优点与施工流程以及质量控制关键点，可为后续的试验研究提供参考。