自修复混凝土修复机理的研究进展

李子强，曹西尧，李文琪

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

传统混凝土脆性较大且抗拉强度低， 在经历高强度载荷、 较大温差变化时易出现裂缝等影响混凝土结构的负面因素。 而裂缝又是影响混凝土强度的主要原因之一。 所以， 研究如何自修复裂缝， 从而使强度达到或者恢复原来水平就体现的十分重要。

1 自修复混凝土理论发展背景

1836 年，法国学者首次提出，自修复是水泥水化之后渗出的氢氧化钙暴露在大气下转为碳酸钙的结果。 1925 年，学者Abram 发现在混凝土试件开裂后，将试件摆放在户外8 y 之后，混凝土试件居然愈合，且自身强度较之前相比甚至增强两倍。

近年来，混凝土自修复技术更加蓬勃发展，是混凝土结构材料发展的新方向之一。 基于物理、化学、生物等各方向的自修复技术，自修复方法蓬勃发展。

2 本征型混凝土自修复技术研究概况

2．1 本征型混凝土损伤自修复机理研究现状

本征型混凝土通过在裂缝区未水化的水泥浆继续水化生成难溶的结晶沉淀方式进行自修复，内部未全水化的胶凝材料则与周围渗入的水及二氧化碳反应生成碳酸钙沉淀。

2.1.1 混凝土自然自修复法技术现状

混凝土自然自修复也就是裂缝区未水化的水泥浆继续水化生成难溶的结晶沉淀方式进行自修复，在裂缝区与外界接触处与空气中水和二氧化碳反应生成碳酸钙等结晶以沉淀方式覆盖在裂缝处，从而修复裂缝，或是强度达到初始或部分达到初始水平。

通过对混凝土进行相应的盐溶液养护可有效加快裂缝区结晶沉淀的生成， 减少相应的修复所需时间，提高自修复效率。 杨久俊等[1]设计了一种自修复情景，在使用多种盐溶液养护下，混凝土得以迅速生成相关结晶沉淀从而达到自修复， 结晶沉淀由碳酸钙、C-S-H 凝胶及Friedel 盐组成；石宝存等[2]通过实验，研究了混凝土在不同PH 值环境下混凝土裂缝的自修复效果。

2.1.2 混凝土渗透结晶自修复法技术现状

目前渗透结晶法多采用在配制混凝土时加入渗透结晶型防水剂或在已成型混凝土表面涂一层渗透结晶型的防水涂料。在平时，一般干燥情况下，这类渗透结晶材料将处于稳定状态，不会同周围材料发生化学反应，但在有渗透水的情况下，材料中的活性物质则会被“激活”，开始与未水化部分游离的氢氧化钙和部分氧化钙发生反应生成一种不溶性针状晶体。这类方法的原理是通过生成这种不溶性针状晶体将小于0.4 mm 以下混凝土毛细孔、裂缝堵塞住，从而使混凝土密实达到自修复的目的。

缺点是只能修复微小裂缝，遇到较大裂缝时则难以自我修复；优点是可重复修复，只要混凝土内仍存在渗透结晶材料， 在遇到下次出现微裂缝时，同外界接触后， 又能被激活再次进行自我修复，直到混凝土内渗透结晶材料逐渐被损耗殆尽。

2.1.3 混凝土电沉积自修复法技术现状

电沉积自修复法即通过化学的电解作用，使某种物质不断累积在混凝土表面裂缝处以达到堵塞裂缝实现修复的目的，这类方法多适用水工、海工环境中出现的混凝土裂缝修补，由于这类裂缝所处环境特殊，采用一般填堵修补方法较难修复，通过电沉积法， 以钢筋混凝土构建中的钢筋骨架为阴极，外加上惰性电极，以水环境作为电解液。在两极之间通上电流便会发生一系列电化学反应，生成多种不溶于水的化合物沉积、 覆盖在混凝土裂缝处，降低混凝土渗透性，达到阻止外界环境进一步破坏混凝土内部结构的目的。

3 外源型混凝土自修复技术研究概况

3.1.1 混凝土胶囊自修复法技术现状

混凝土胶囊自修复是指基于混凝土将聚合物等液体化学物质修复剂放入微胶囊或空心纤维中，再将其与混凝土一同搅拌。当混凝土受力出现裂缝时，胶囊的囊壁或者空心纤维会发生破裂，胶囊中储存的修复剂随之流出渗透至裂缝处，同混凝土中携带的固化剂发生水化物反应，以达到修复裂缝的目的王险峰[3]等研究了环氧树脂微胶囊在掺加量为3%和6%时水泥砂浆的强度修复率, 并分析了同一掺量下试样损伤发生时和修复后的微观结构。结果表明, 随着微胶囊掺量的增加, 修复率不断提高,同时微观分析表明, 掺有微胶囊的水泥材料自愈合效果也更好；Rule 等研究微胶囊直径及裂缝尺寸对混凝土自修复效果的影响, 结果发现, 微胶囊液体修复材料释放量与直径基本成正比；BrownEN等自修复聚合物材料在完成材料性能修复功能的同时,微胶囊在复合材料中也起到了增韧作用。 原始的和断裂修复后的韧性值均强烈依赖于微胶囊的尺寸和浓度；李元杰等[4]添加包覆修复剂的微胶囊,增韧效果提高，主要原因为针状斑纹和表面微裂纹的增加,而填充固态粒子观测不到这种现象。

3.1.2 混凝土纤维自修复法技术现状

混凝土纤维/玻璃纤维增强自修复技术部分原理同胶囊修复法原理相似，在自修复的修复剂载体上会存在略微不同， 纤维较胶囊相比载体量更大，可以携带更多的修复剂。玻璃纤维载体一般为中空的，且表面较光滑，同基体的相容相粘性较差，自身易碎的脆性特征也导致其在与混凝土搅拌过程中易出现纤维破裂，出现自修复能力失效的情况。

Homma 等[5]研究了钢纤维（SC）、聚乙烯纤维（PE）及二者混合纤维对水泥基材料自愈合性能的影响。发现掺PE 的ECC 试样裂缝结晶产物增长速度较快, 掺PE+SC 的试样自愈后抗拉强度得到了明显的提高。

3.1.3 混凝土微生物自修复法技术现状

混凝土微生物自修复法是基于生物原理的自修复。混凝土中的高碱缺氧环境使这种无害细菌处于休眠状态， 当混凝土结构遭受破坏出现裂纹，氧气与水分开使渗入裂缝，原本休眠的细菌孢子被激活，自身新陈代谢功能得以恢复。 喜氧微生物的新陈代谢过程得以恢复。喜氧微生物新陈代谢过程中产生二氧化碳，这些刚产生的二氧化碳与混凝土材料中的钙离子反应生成具有强度的碳酸钙沉淀，填补裂缝，防止水及其他腐蚀性物质进入裂缝，达到自修复目的。

微生物自修复法更加绿色环保， 实用性更大，不会出现因修复材料耗尽而导致修复能力丧失的问题，微生物的繁殖能力使微生物数量足以满足修复混凝土。 李沛豪等[6]采用巴氏芽孢八叠球菌进行自修复实验, 结果表明, CaCl2对应的沉淀产物主要成分为方解石, 而Ca （CH3COO）2对应的沉淀产物主要成分为球文石；Jonkers 等[7]分别将加入了甲酸钙或乳酸钙的假坚强芽孢杆菌菌液和科氏芽孢杆菌菌液掺入混凝土裂缝，结果表明，高碱环境下的微生物修复混凝土是完全可行的；Wang 等[8]采用硅藻土作为微生物保护载体， 结果表明，0.17~0.19 mm 宽度的裂缝愈合。

4 自修复混凝土优缺点及未来研究方向

4.1 自修复混凝土优缺点分析

自然自修复法、渗透结晶自修复法、电沉积自修复法均需处于潮湿或有水状态下， 才能发挥自修复能力，因此使这三种修复法应用范围受限；尽管胶囊自修复法、 纤维自修复法修复混凝土速度上有很大优势， 但在混凝土搅拌过程中容易发生破裂，丧失对混凝土自修复的能力，且这两种材料与混凝土粘结性较差。

对于混凝土微生物修复法相较前几种方法更复杂，需要考虑到微生物种类、在相对环境下的活性、休眠、适应性、应用后混凝土强度、与混凝土相适性。 总之，对于环境要求颇高，在实际使用时，还需综合考虑各方面才能实际使用，目前，微生物修复法多处于初步研究阶段， 还需要科研工作者们更加努力的探索和钻研。

4.2 未来研究方向

在自修复混凝土应用方面： 各类自修复混凝土或多或少都对环境有具体要求， 混凝土作为一种遍布各种基建、环境的材料，在对自修复混凝土多环境应用还需更加深入的研究探索， 做到一般场景，自修复混凝土均能被普遍使用。

在自修复混凝土修复效果方面：就目前而言，自修复混凝土修复裂缝能力还很有限， 修复裂缝宽度有限，部分自修复混凝土在水中修复缓慢。 如何实现自修复混凝土在较大裂缝下的自修复是个十分艰难的课题， 在满足修复效果的情况下提高自修复效率更是值得深究的。

在控制自修复混凝土成本方面： 不论是纤维修复中使用的形状记忆合金还是胶囊型掺合物，亦是渗透结晶型中使用的防水剂，其成本都是较高的，对于一般应用场景的混凝土，成本能否得到有效控制，对于自修复混凝土的实际应用是有重要影响的。 因此，对自修复混凝土的成本控制的研究是十分必要的。