结构用自修复水泥基建筑构件研究

□张 莹 张艺凝 王俊淇 秦 荣

一、引言

传统的钢筋混凝土构件存在抗裂性差、脆性大、韧性差等缺点，并容易遭受到外部环境因素的影响，如：温度、湿度、荷载变化等。这是由于传统构件存在的这些问题导致了混凝土构件的承载能力和耐久性以及抗渗能力大大降低。面对传统构件存在的这些问题，一旦解决不够及时，势必会对构件产生损伤，削减构件的使用时间，严重的可能会发生事故，造成生命和财产的损失。在实际工程中，由于传统水泥基构件存在的这些缺点，已对施工技术人员造成了很大的不便。

基于水泥基钢筋混凝土构件在理论研究与实际工程中存在的不足之处，本文对自修复水泥基建筑构件与传统钢筋混凝土构件的对比试验分析，并以此为依据，初步研究一种新型自修复水泥基建筑结构。将新型自修复混凝土构件与传统的混凝土构件进行试验对比，从而总结出此方法的可行性。

实际工程中，对于一些构件的微小裂缝及损坏很难察觉到，与此同时，一些常规的损伤修复方式也难以将构件内部产生的微裂缝进行准确有效的修复。为了高效处理混凝土构件使用过程中因为这些不定原因造成的微裂纹、微毁伤等问题，增强建筑结构的性能，防止建筑构件内部裂纹的继续发展，延长混凝土构件的使用寿命，混凝土自修复材料与技术的研究与发展势必成为将来建筑材料的主要方向。

二、自修复混凝土概述

在实际工程使用的建材中，水泥混凝土是经常被使用的。但是施工及使用过程中，水泥混凝土构件难免会出现一些损害或裂缝。在工程中对于构件面出现的微裂缝，往往采用人工物理的修复方式使其重回正常使用状态，而对于构件里面产生的细小裂纹，及时使用仪器进行检测，也是相当困难的。因此，如若能直接阻止混凝土构件产生裂缝或能使构件自身进行裂缝的修复是具有重大意义的。

自修复混凝土是自身具有修复裂缝功能的智能混凝土材料，当构件内部产生细小微裂缝时，能够自我进行检测，通过构件外部或内部条件的作用，能够自身进行修复微裂缝，并能够阻止裂缝的进一步发展。

三、自修复水泥基材料的研究

现如今主要有形状记忆合金(SMA)修复技术和液芯光纤(光纤法)主动式修复和被动式修复两种修复方法。本文主要介绍和研究了被动式自修复混凝土技术。当混凝土构件遭受到外部破坏导致其发生变形时，提前放置与构件内部的修复系统便会启动，释放出其所携带的修复材料，修复材料便会进入到裂缝中，对裂缝进行修复，这就是被动式修复。包括微胶囊修复技术，中空纤维技术等。

(一)微胶囊修复技术。微胶囊自修复混凝土的原理就是把作为修复混凝土的材料做成胶囊的模样，与制作混凝土的骨料拌和在一起(内置于混凝土构件中)，当混凝土构件受到破坏或外部环境达到胶囊的感知条件，胶囊将会破裂，释放出其中的修复材料，从而达到修复混凝土构件的目的。近年来，微胶囊修复混凝土材料正在飞速发展，微胶囊修复材料也迅速发展为新型材料。

(二)纤维法。纤维法的修复原理与微胶囊的修复原理大致相似，纤维法的修复机理是将用于修复混凝土裂缝的修复剂放置在纤维中，并将放置修复液的纤维置于混凝土构件中，从而当混凝土构件受到外力产生裂缝时，内置于构件中的纤维便会将修复剂放出，从纤维中释放的修复剂将主动找到裂缝存在的位置，对裂缝开始实施修复。如果作为修复的纤维能够具有医生一样的诊断能力，置于纤维中的修复剂便会自动对构件产生的裂缝进行修复，从而达到修复的智能性。

四、关于自修复水泥基建筑构件的研究现状

混凝土的自修复在实验中被认为具有可行性并在1925年第一次被观察到，美国学者观察并且检测28天抗压强度的损伤混凝土构件在标准情况下高于正常值，置于野外经历了多种极端恶劣的环境长达8年。抗压强度在专业仪器检测下增加并且提升到初始数值两倍(美国学者Abram)。采取了电化学技术研究了传统构件损伤的修复(美国Ryu以及日本Nobuaki)，观察到损伤修复而且抵抗渗透率有所提升。20世纪末期，日本学者以比较新颖的方法实现了芯材和壁材的制备。为水玻璃和环氧树脂在特定的化学环境中制成芯材剂注入胶囊或者中玻璃纤维(空心化)，将自愈材料混入混凝土中，当观察到混凝土受损，制备的修复材料发生破损，环氧树脂包裹覆盖损伤部位，从而伤口得以愈合。20世纪90年代中期，美国学者将芯材为胶黏剂的胶囊混入混凝土，自修复混凝土得以制备。同期4年后，把混合好的粘粘剂的有机材料置入新型实验的预制混凝土内，超强力粘粘剂的纤维管为主要实验对象，在标准环境下观察到混合了有机材料纤维的预制混凝土刚度发生了显著恢复而且略有提高。(密歇根大学Victor等人)Motuku等人着重探讨了纤维空心化在基体的位置以释放修复剂过程。在1998年Tsuji提出构想即用高吸水树脂为自修复混凝土芯材来制备，在思维观念上这是材料的技术革新，具有独特的时代特征。随后Lee等进行了深入探讨高吸水树脂的实际应用可能性，在2001年把微胶囊愈合载体使用到以环氧树脂为芯材，研制出愈合且自修复的环氧树脂胶囊的愈合比率高达75%。

在1997年南京航空航天大学发现了使用液芯光纤和记忆合金状态以复合材料构型中的裂缝采用自修复方式。此外，探讨智能自修复AI混凝土与同济大学习志臻、姚武等学者，与混凝土传统构成中混合比较新颖组成成分，例如特殊传感器、混合胶黏剂的液态纤维芯材，以新的方式展示了智能型具有前瞻性的仿生自诊断、新时代独立的自愈合智能体系。匡亚川等着重探讨了即将含有愈合剂混合入水泥基材料中愈合效果(混入玻璃纤维管)。21世纪初期，国内学者采取了不同的方法，即原位聚合法，以有机壁材以脲醛树脂为代表，以有机胶黏剂为壁部材料的新型自愈合微型胶囊，有机胶黏剂为双环戊二烯胶黏剂，随后制备成功。随后采取了长时间的技术修改和探讨，在自溶型自我修复体系以及微生物自修复愈合技术，即微胶囊自修复混凝土、做了研究和申请(同济大学最早在国内进行了自修复混凝土技术专利)。深圳大学展开了除国外微胶囊自愈合(修复)混凝土相关专利的研究工作以及申请加入等。在东南大学申请了除国外首件以微生物为技术依托专利，其他例如沈阳建筑大学、长安大学、山东大学等众多高校的相关科学技术研发团队在自愈合(修复)混凝土相关研究专项也展开了相对较多体系完全的相关探讨。并且申请了相关的技术专利。

五、自修复水泥基结构的发展前景

目前除了一小部分的研究探讨还处在初级理论研究探讨和试验室摸索阶段，并没有形成完整的体系理论和提供可以开展实验的相关技术，国内外学者在修复剂自主愈合修复的相关探讨方面已经得到了并不是很多的进展。但是很多问题依然没有答案，例如在置入构件后纤维或微胶囊后所呈现愈合效果的呈现规律比如力学性能发生变化和传递水分性能改变、胶囊形状异变管状胶囊尺寸依据(包括胶囊内部的长度、壁部厚度以及二维自修复合整体中有关掺量的明确规定划量、催化剂以及微细玻璃管(空心化)的制备、芯材在放出的过程中变化规律、自愈材料的使用时间、损坏宽度与胶囊放出愈合剂其中的判据、多次重复在荷载条件下的多次愈合问题等连续的困扰。与此同时，在从与之有关的方向来纠察自行修复技术的探讨还比较贫瘠，伤痕自主修复的技术在最后要求抵达愈合裂缝伤痕的目标，而混凝土表现出的伤痕区域分布状态、尺寸区间、是否连通和伤痕形状外貌都会对愈合表象产生特殊影响，科学地规定刻画建筑材料可以展示的伤痕格局对探讨自主愈合技术也非常的重要，一个完整的构想是根据伤痕和构件的形状学角度进行探讨自主愈合技术在建筑复合材料中所含相对量分析结果。在现阶段自主修复混凝土前景预测，独立修复自主愈合混凝土技术是多种学科交叉性较强的新技术，它包含到土木工程、有机材料、化学等大的科学领域。为了独立愈合(修复)混凝土体系与相对技术的发展趋势能够较快实际使用于工程建筑，在众多科学领域间互相交汇贯通，解决问题共同发展是最重要的。

即使在混凝土自愈合(修复)技术还有较多重要技术性困难问题等待着人们去打开它们，包括独立和自生自愈合(修复)、功能与一体的水泥基建筑材料的相对智能化已成开始使现代建筑材料有新的发展趋势。混凝土自主愈合(修复)体系为建筑构件微伤痕的修复愈合和有成效地减慢实际存在但并未发现的危害提出了新的解决方式，该体系会减少或消除人工的检测以及外部维修补漏以及需要的大量费用，节约建筑构造以降低经费消耗、提高使用寿命等优点。自愈合(修复)混凝土作为新型的智能建筑材料，是成为建筑材料构造——智能一体系化的重要节点，打造智能体系完成智能建筑的产业升级。在大型土木基建的随时愈合等各种各样的问题有很多的处理办法与解决方式，为实现建筑物的使用安全和耐久性增强都是重要的。

六、结语

对混凝土构件进行阐述，分析了国内外关于自修复混凝土构件的发展状况，介绍了自修复水泥基材料混凝土构件的研究方法。目前，中国关于自修复混凝土构件的研究只有不到20年的时间，技术水平还不够成熟。放眼未来建筑行业的发展前景，自修复混凝土构件在建筑行业的地位必将大幅提升，并成为不可或缺的构件。因此，对于自修复混凝土构件的研究，还需要努力，要努力做到新型、环保、高效、低成本。加快让自修复混凝土技术进入实际工程是最重要的，未来关于自修复混凝土技术的研究将是大趋势。