混凝土自修复技术国内外研究进展

马荣，倪国海，曹兆洋，黄钰雲，施响城

（南京工程学院 建筑工程学院，江苏，南京，211167）

0 引言

随着社会发展， 混凝土已成为目前建筑市场用量最大的建筑材料。但是混凝土材料并非完美，体积大，重量大，施工麻烦，其中存在的最大问题是混凝土在不同环境、荷载等不利因素的影响下，容易产生裂缝。为了避免或减小裂缝带来的危害，国内外大多采取定期保养及后期外界填补的方式，但这类后期维护的方法，工期长，经济效益低，而且在重新组合之后， 其各种性能还是否能符合要求尚未可知。因此，希望能寻求一种更好的解决混凝土开裂问题的技术。

1 混凝土自修复技术

1.1 自修复技术背景

自修复混凝土通过模仿动物再生创伤骨组织结构恢复机理的方式，创新性采取多种方式，对损伤破坏的材料进行修复再生， 是提高材料性能的一种新型复合材料。但是如何能减少混凝土开裂及愈合混凝土裂缝， 还未形成一个相对有效且完整的理论体系，仅有部分国家仍处于实验室阶段，仍有许多问题需要解决。

就目前的混凝土结构裂缝修复手段，业内大多采用定期维护保养与后期对裂缝的外界填补方式，其效果并不显著。自修复混凝土作为多功能混凝土分支不可或缺的组成部分，其创新的修复方式有着极大优势，对解决工程中因混凝土裂缝而产生的问题，有着重大的研究意义。

混凝土自修复的主流方式，有基于水泥基材料的自我修复体系、内置纤维管自修复体系、微生物自修复体系、微胶囊自修复体系及高吸水性材料自修复体系。

1.2 国外研究状况

早期，Abrams 意外发现经过抗压强度试验破坏之后的混凝土试件放置在户外很长一段时间之后，该试件的抗压强度提高到原先测得的抗压强度的2倍之后，揭开了国内外研究混凝土自修复的序幕[1]。

20 世纪末叶，Dry Carolyn 教授根据日本学者微胶囊的研究方法，以空心玻璃纤维代替微胶囊，并以缩醛高分子材料作为修复材料， 注入空心玻璃纤维中，混凝土出现裂缝使得玻璃纤维随之破坏，修复剂材料流出， 并发生化学反应产生硬化沉淀填补裂缝，达到修复效果[2]；后来Victor 等人在空心纤维管中注入超强力的胶水作为修复剂材料， 观察到混凝土出现裂缝后，纤维中的超强力胶水流出，连接并弥补裂缝，使得混凝土结构的刚度明显提高[3]。

21 世纪初， 日本学者Yuji Sakai 等研究了掺入形状记忆合金的方式进行混凝土修复。Yuji Sakai 在尺寸为100 mm×100 mm×500 mm 规格的水泥砂浆梁中埋入直径为2 mm 的弹性形状记忆合金金属丝，并对其采用三点加压抗折试验，结果显示，形状记忆合金可以提高梁的韧性[4]；十年后，Joseph 采用氰基丙烯酸盐粘合剂作为修复材料，将玻璃纤维管中植入混凝土构件中，玻璃管的一段伸出试块并弯曲，当玻璃纤维管随裂缝开裂后，向伸出试块外部的玻璃管一段注入修复剂，通过管道流到裂缝部位并对裂缝进行修复[5]；

2015 年， 根特大学微生物生态与技术实验室诸多学者与根特大学马格纳尔混凝土研究实验室合作试图通过从造纸厂废水中去除Ca2+的方法将微生物诱导CaCO3沉淀的经济效益提高了一个等级[6]。同年，代尔夫特工业大学Koster 等人研究发现与未处理的颗粒相比，按照不同的混合配方制备的颗粒具有更好的浸出保护作用。当涂层产生比所需雾化差的低压单流体喷嘴涂层更多的颗粒时，使用高压单流体喷嘴可以改善雾化效果。此外，当用高压喷嘴喷雾器制备的颗粒掺入水泥浆中时，其性能要比用低压喷嘴喷雾器制备的颗粒更好[7]。

近期，布拉格捷克技术大学Schreiberová 等人基于生物自愈剂对混凝土材料特性的影响，研究其组成。将一些最合适且经常提出的养分，如乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙、尿素和酵母提取物等直接添加到水泥砂浆中，并且它们对材料特性的影响强度和流变性进行了评估和比较。结果表明，硝酸钙、甲酸钙、 乳酸钙和尿素通常具有增加抗压强度的潜力，尤其是在早期。相反，与对照系列相比，酵母提取物的施用剂量导致抗压强度急剧下降，因此需要进一步优化浓度[8]。

1.3 国内研究状况

国内学者对自修复混凝土的研究还处于初步阶段，目前主要集中在对混凝土自诊断与自适应的研究，但近年来，随着对功能性混凝土材料研究的展开，自修复混凝土方面的研究也取得一定成绩。

本世纪初， 福州大学刘承超等人借助ADINA8.0 软件建立模型，对混凝土中的预埋修复玻璃胶囊进行分析，确定了其合理的几何参数，为此后空心玻璃胶囊的选用提供了参考[9]。

至2005 年， 国内掀起了关于智能混凝土自修复研究的热潮，罗素蓉教授采用免振捣自密实混凝土作为自修复混凝土的基材， 分别将三种胶粘剂（α-氰基丙烯酸酯、氯丁橡胶和聚氨酯）注入修复空心玻璃纤维内，进行混凝土简支梁构件的三分点纯弯试验，发现可作为自修复混凝土用的修复胶粘剂是经稀释而改善了流动性的氯丁橡胶胶粘剂以及聚氨酯胶粘剂；α-氰基丙烯酸脂胶粘剂经过改性、 脆性韧性调整后， 也可作为修复胶粘剂使用[10]。2009 年，吴翠莲等人又选取了三种胶粘剂（氯丁万能胶、环氧树脂、聚氯乙烯胶粘剂）作为修复剂进行了弯曲试验，发现三者都能作为自修复剂其中氯丁万能胶的修复效果最好[11]。

2013 年，同济大学陆洲导等人对6 个混凝土试件进行楔入劈拉试验， 通过环氧树脂注胶技术尝试修复劈裂后的试件， 接着二次对试件进行楔入劈拉试验，发现次修复技术可显著推迟试件裂缝的再开展[12]。三年后，广东省海洋土木工程耐久性重点实验室以环氧树脂E-51 为固化剂， 脲醛树脂为外壳材料， 通过原位聚合法设计合成了脲醛/环氧微胶囊，并研究了微胶囊的生存力以及微胶囊对标本力学性能的影响。通过SEM/EDS 验证了微囊在破裂时的破裂和裂缝愈合效果，评估其自修复能力[13]。

2018 年， 华南理工大学江沈阳等人采用寿命预测的方法，针对自修复混凝土裂缝修复后的状态进行寿命预测，采用人工制作的方式使环氧树脂包裹硅酸钠并覆盖细沙制作了硅酸钠修复剂，并通过多次试验，探索出适合于研究自修复混凝土修复后寿命的混凝土试件裂缝生成方式[14]。

2019 年，同济大学先进土木工程材料实验室徐晶等人利用微生物诱导成矿实现混凝土的开裂自修复， 选取了掺入质量分数20%硅灰的硫铝酸盐水泥作为低碱性胶凝负载材料对菌体进行负载保护[15]。

2 目前自修复混凝土存在的问题

目前国内在此方面的研究主要集中在自诊断与自适应方面， 就自修复研究尚处于起步阶段，且应用中也存在众多问题。

（1）目前自修复方式较多，且各自优势与弊端，如何从优选择尚没有一个较完善的标准。

（2）目前自修复混凝土在实际应用中有着诸多不便，无法大范围使用。

（3）自修复混凝土使用前期增加的资金投入与后期维护工作量的减少关系尚未可知。

（4）自修复后的混凝土，其强度及耐久性等尚没有保证，仅处于试验阶段。

3 结语

为了适应时代发展需要，自修复混凝土技术的研究必须提上日程， 同时可以借鉴国外学者方法，并创新多种方式，尽快打破技术壁垒。随着研究的不断深入，混凝土材料会在耐久性、环境保护、经济效益与安全保障方面实现更大突破。