自修复混凝土在低层框架结构加固中的应用

李旭东

摘 要： 混凝土结构的开裂，一直是工程界和学术界研究的一个重要课题，混凝土裂纹自修复技术是近些年提出的混凝土裂纹修补的新方法。本文介绍了自修复混凝土的分领域技术类别及其原理，分析了自修复混凝土的国内研究现状以及发展趋势，并对生物与建筑其他方面的结合进行了介绍。

关键词： 混凝土;开裂;自修复技术;生物与建筑

【中图分类号】TU528 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.27.044

1 前言

混凝土是世界上应用最普遍的建筑材料，无论多么细心地混合加固，所有的混凝土最终都会产生裂缝，混凝土裂缝会产生渗漏。如果墙壁地板上有裂缝，地下室、车库就可能进水，影响结构的使用;混凝土内的钢筋会使钢筋锈蚀，更会影响结构的安全，如何更好的加固钢筋砼结构一直是工程师研究的方向之一。同时在一些年久失修低层框架，如何减少加固作业面及施工周期是业主和工程师的期望之一;在对待一些及近现代历史建筑，修旧如旧的要求让工程师寻求一种更好的方法，即保留历史对建筑物带来的美感，有能解决结构的安全问题。因此人们一直在想方设法让加固混凝土更高效耐用。

具有自愈功能的建筑物并非是天方夜谭。今天，我们组就要为大家介绍汉克教授在对土木和生物这两个学科交叉研究之后的研究成果，一种具有自动修复裂纹功能的混凝土。

2 历史发展及前景

2.1 国内发展

目前，国内对智能材料结构的研究一般都集中在对它的自诊断、自适应功能的研究上，对于自修复的研究尚处于起步阶段。

同济大学混凝土材料研究国家重点实验室等研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分即所谓的第六组分，如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。当混凝土材料内部出现损伤时，仿生传感器可以及时诊断预警，当内部出现微裂纹时，部分液芯纤维破裂，胶粘剂流出深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合，恢复并提高混凝土材料的性能。该智能复合材料的研究可实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复，以超前意识确保混凝土结构的安全性，延长混凝土构筑物的使用寿命。这种研究方向可以给高等级结构（如设计适用年限为100年的建筑物）提供一种保护屏障。但如果此修复技术造价低廉，是否可以给工程师提供一种对既有建筑加固维护的方法？

2.2 国外发展

研究混凝土裂纹的自防护最早可以追溯到1925年，Abram发现混凝上试件在抗拉强度测试开裂后，将其放在户外8年，裂纹竟然愈合了，而且强度比先前提高了两倍。后来挪威学者Stefan Jacobsen的研究也表明，混凝土在冻融循环损伤后，将其放置在水中2～3个月，混凝土的抗压强度有了4～5%的恢复。在混凝土裂纹自防护问题上，国内外的研究者提出了各种方法。研究者受生物界的启示，模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后具有自行修复和再生功能。在混凝土传统组分中复合特殊组分或者在混凝土内部形成智能型仿生自愈合网络系统，当混凝土材料出现裂纹时，部分胶粘剂流出并深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合。

2.3 发展前景

对于一些楼龄在20～30年的建筑，其表面裂缝多为非结构性裂缝，但日积月累也多有伤及砼保护层，并出现钢筋外露的情况。构件箍筋内是否有损伤需要经过较为细致检测方可得出结论。

对结构裂缝的处理方式为表面封闭法或压力灌浆法，前者仅适用于处理浅层裂缝，后者灌入的环氧树脂又需要支模加压等一系列工序，并且对灌入树脂有流动性的要求;若经核实砼构件强度不够，又需要使用粘贴钢板法、置换砼构件、外包型钢等方法进行加固，此类施工方法需要较大的施工作业面和较长的周期，加固完成后对建筑物外观有一定的影响。

用生物混凝土完成此类修补工作带来的好处显而易见。原材料为参加微生物的水泥和水。以水为媒介更容易渗入裂缝，通过微生物砼更高效的将新旧砼形成整体。虽然在在短期内，以传统方式修复混凝土裂缝更为经济，但随着国家对于老旧小区的改造由改建加固代替拆迁搬迁这一政策的改变，未来时日老旧小区的队伍会日益庞大。如何提高老旧小区的改建加固效率这一问题是值得广大工程师探讨，并且是较高的社会效益和经济效益的。

3 概述

3.1 自愈合混凝土的原理

因此，目前对生物建筑材料的研究大多集中在混凝土领域，中科院微生物研究所对这个领域也格外关注。目前，微生物在生物建材领域的应用方式主要有以下几种类型：

（1）、将微生物代谢产物作为外加剂，引入到混凝土的配制当中，以便配制具有高强度和高弹性的新型混凝土;

（2）、直接使用微生物进行建筑材料的生产，例如球石藻可以在人工控制下，大量生产建筑行业必备的原材料——生石灰;

（3）、直接将微生物加入到混凝土的配制原材料中，利用微生物在混凝土中的代谢产物来影响混凝土的特性。

3.2 自愈合混凝土的技术

生物混凝土最主要的优点就是能够愈合裂缝[3]。表面上和普通混凝土一样，实际上添加了“愈合剂”。这种“愈合剂”把芽孢杆菌和乳酸鈣装进生物降解塑料而做成“修复胶囊”。在混凝土中掺入“愈合剂”，就成了可以自动愈合的生物混凝土。

芽孢杆菌可耐高低温，碱性极强，在没有食物和氧气的条件下可以存在数十年，其休眠期长达200年。普通水泥含有氢氧化钙与二氧化碳反应产生碳酸钙，偏碱性。这样的环境适合芽孢杆菌生存。建筑物的设计使用寿命一般为五十年，所以在芽孢杆菌的有生之年，是能够充分发挥作用的。

芽孢杆菌本身不能作为修复材料，而是修复材料的‘生产者。它通过获取食物，产生石灰石，最终完成修复混凝土的任务。

在芽孢杆菌实现自身价值之前，首先混凝土要产生裂缝，其次要有水，水的渗入可以使‘愈合剂（胶囊）溶解[4]。溶解后，休眠的芽孢杆菌就会发芽、增殖并食用乳酸钙。在这一过程中，钙离子和碳酸根离子就会结合形成碳酸钙（石灰石），封住裂缝，实现修复。生物混凝土能够在三周内完成裂纹修复，最多可以愈合0.8mm宽的裂纹。

因此利用生物混凝土这一特征，在处理一些结构构件加固的问题时，可以避开传统加固方式的弊端。

3.3 自愈合混凝土的优势

自愈混凝土的优点：

（1）最直观的好处就是提高了混凝土的使用寿命，促使长期的成本降低了，因为自愈混凝土的自愈能力，基本不改变结构尺寸和建筑外观。

（2）自愈混凝土取材方便，外加钢筋用量也减少了，从而降低加固成本。

（3）施工作業面较传统加固方式少，便于施工。

（4）有较好的耐火性能。

（5）自愈混凝土可以非常好的适应各种环境，对抗地震、暴风、爆炸等重大的自然灾害，也是有非常强的应对能力。

4 生物在建筑中的其他应用

生物技术在智能建筑中的应用包括：①生物技术与建材的融合，使建筑物更节能;②环境检测技术。希望将来生物智能芯片的感知能力更接近于人，生物技术将对有害物的处理发挥功效;③生物智能将把建筑智能化提高到一个新的水准。

5 结语

为了迎合21世纪人类对建筑材料和结构提出的功能——智能一体化要求，对存在潜在损坏危险的混凝土表面进行有效保护、对造成裂纹和损伤的混凝土结构进行自修复，使混凝土结构具备自防护功能，是具有很大经济和社会效益的事情;自修复混凝土可以解决用传统方法难以解决和不能解决的技术关键，它对确保高层建筑、桥梁、核电站等重大土木基础设施的安全和长期的耐久性，以及减轻台风、地震冲击等诸多破坏因素方面有很大的应用潜力，对确保建筑物的安全和耐久性都极具重要性，也对传统的建筑材料研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。

通过生物技术的发展运用于建筑，将会进入一步解决建筑在发展过程中出现的材料，环境。智能化控制等问题，使建筑产业更加的具有包容性，同时促使建筑设计的新形式式，新风格的出现。

参考文献

[1] 程显强.智能混凝土的研究现状及其发展趋势[J].低温建筑技术，2009 ， 31 （5） ：20-21.

[2] 蒋正武.国外混凝土裂缝的自修复技术[J].建筑技术，2003，34（4），261-262.

[3] 王雪，翟颠颠，郭远臣等.混凝土内置微生物自修复材料的研究进展[J].硅酸盐通报，2017 ， 36 （5） ：1605-1608.

[4] 李珠，冯涛，周梦君等.基于科式芽孢杆菌矿化沉积的混凝土裂缝自修复性能试验研究[J]，2017 （6） ：5-8.

[5] 钱春香，任立夫，罗勉等，基于微生物诱导矿化的混凝土表面缺陷及裂缝修复技术研究进展[J].工业建筑.2015，5.

[6] 吴蒙，林志红，任恕.分子识别在生物化学传感技术中的应用[J].传感技术学报， 1997 （1） ：54-61.