水泥基材料裂缝自修复技术的研究与进展

刘鹏

（内蒙古交通职业技术学院，赤峰024005）

1 前言

水泥基材料裂缝自修复的概念可以追溯到20 世纪90 年代，当时的研究主要集中于通过在材料中引入某些活性成分，使其在裂缝形成后能够自行修复。随着材料科学和生物学的发展，相关自修复技术发展极其迅速，为工程建设行业发展做出了有效贡献。

2 水泥基材料裂缝自修复技术的概述

水泥基材料裂缝自修复是指在没有外界修复措施的条件下，利用材料自身的性能对裂缝进行修复的技术。这种技术涉及材料科学、物理学、生物学等多个领域，是近年来水泥基材料研究的重要方向之一。根据作用机理，水泥基材料裂缝自修复可以分为主动愈合和被动愈合两种技术。主动愈合技术需要在一定条件下，通过外界干预，如引入修复剂等，促使材料内部发生化学反应，进而实现裂缝的修复。被动愈合技术则是利用微生物或植物等生物体产生的代谢物质，如脲酶、细菌等，对裂缝进行修复[1]。这些生物体可产生矿物沉淀，如碳酸钙等，填充裂缝，进而实现修复。水泥基材料裂缝自修复技术具有广泛的应用前景，可以应用于桥梁、隧道、高速公路等基础设施的维护和修复。这种技术不仅可以提高结构的安全性和耐久性，还可以降低维修成本和时间。

3 水泥基材料裂缝自修复技术的研究进展

3.1 水泥基材料裂缝主动愈合技术

3.1.1 微胶囊技术在水泥基材料裂缝自修复中的应用

微胶囊技术在水泥基材料裂缝自修复中扮演着重要的角色。微胶囊是一种微观的封装体，能够包裹多种物质，包括修复剂、催化剂、生物活性物质等。当水泥基材料出现裂缝时，微胶囊中的修复剂可以在压力、温度等外界条件的作用下释放出来，对裂缝进行修复，如图1。微胶囊自修复技术，具体可以分为物理和化学两类。

图1 微胶囊触发机理

（1）物理自修复微胶囊的触发机制主要是利用了材料的形变和损伤。当水泥基材料出现裂缝或损伤时，微胶囊会因为受到外力的作用而发生破裂。一旦微胶囊破裂，封装的修复剂就会被释放出来，并随着裂缝的扩展而渗透到材料的损伤部位[2]。这个过程就像给材料打了一剂“修复针”，让材料在损伤后的自我修复能力得以发挥。（2）化学自修复微胶囊的触发机制涉及化学反应。当微胶囊破裂后，修复剂和催化剂会与周围的材料发生化学反应，产生一定的聚合反应而固化。这个过程可以填补裂缝，使材料的结构得到恢复，并提高材料的整体性能。当微胶囊进入到水泥基材料过程中，一方面微胶囊中的修复剂可以在材料内部形成微小通道，随着时间的推移，修复剂逐渐渗透到裂缝中，对裂缝进行填充和修复[2]。另一方面，微胶囊还可以通过控制修复剂的释放速度和释放量，实现修复剂在裂缝中的均匀分布和有效利用，提高修复效果。通过微胶囊技术来修复水泥材料的裂缝，不仅能够提高修复剂的使用效率，减少修复剂的浪费和损失，同时还能够延长修复剂的作用时间，使得修复剂能够在更长的时间内发挥作用。此外，微胶囊还能够提高水泥基材料的耐久性和稳定性，降低材料的老化和损坏速度。

研究表明，微胶囊自修复技术的效果主要受微胶囊的稳定性影响。

微胶囊表面微米级的粗糙度，确保其可以与水泥基材料形成有效地吸附粘结。这种吸附粘结作用不仅使得微胶囊能够在水泥中稳定存在，还为水泥的自修复功能提供了保障。然而，微胶囊的加入会对混凝土的性能产生一定的影响。尽管微胶囊能够长期稳定地存在于水泥水化过程中，但它的加入会导致混凝土的孔隙增加。这些孔隙的形成可能是由于微胶囊在水泥中分布不均或微胶囊自身的存在所导致的。孔隙的增加会降低混凝土的力学性能，包括抗压强度、抗拉强度等。为了平衡微胶囊在水泥中的稳定性和混凝土的性能，需要进行深入的研究和优化。例如，可以探索不同形状、大小和材料的微胶囊对混凝土性能的影响，以及优化微胶囊的制备工艺，使其在水泥中具有更好的分散性和稳定性。此外，还可以通过添加其他组分或采用特殊工艺来改善混凝土的性能，以抵消由于微胶囊加入而产生的负面影响。

3.1.2 微生物技术在水泥基材料裂缝自修复中的应用

微生物技术在水泥基材料裂缝自修复中的应用是一种新兴的技术，其基本原理是利用微生物的生长和代谢活动，对水泥基材料中的裂缝进行自我修复。这种技术的应用，可以显著提高水泥基材料的耐久性和安全性。在微生物自修复剂的制备过程中，通常将微生物菌株和底物一起添加到混凝土中。一般是具有矿化沉淀能力的菌种，如硅酸盐细菌、硫酸盐还原菌等，这些菌株可以在混凝土中生长繁殖，并利用底物中的营养物质进行代谢活动，从而产生一些对裂缝修复有益的物质[3]。在微生物自修复剂的应用过程中，其作用机理可以分为三个阶段。

第一阶段：脲酶作用下尿素分解。脲酶是一种能够分解尿素产生二氧化碳和氨气的酶。在混凝土中，脲酶主要来自添加的微生物自修复剂。当混凝土开裂时，脲酶能够分解尿素，产生的氨气和二氧化碳都可以被微生物利用。氨气和二氧化碳都可以作为微生物生长的营养来源。其中，氨气可以提供氮元素，而二氧化碳可以提供碳元素。这些元素对于微生物的生长和繁殖至关重要。

第二阶段：细菌有氧呼吸分解有机酸钙。在第一阶段的基础上，微生物利用氨气和二氧化碳进行生长和繁殖。当微生物生长到一定阶段后，它们可以通过有氧呼吸分解有机酸钙。这个过程可以产生一些对裂缝修复有益的物质，如钙离子、硅酸盐等。这些物质可以填充到裂缝中，使裂缝得到修复。

第三阶段：细菌无氧呼吸分解有机碳为解为CO32—和HCO3-。当裂缝中的氧气消耗殆尽时，微生物将进行无氧呼吸，分解产物与钙离子反应生成碳酸钙沉淀。这样就能够形成碳酸钙结晶沉淀从而起到修复的作用。虽然经实验室验证，微生物技术在水泥基材料修复中可以获得良好的效果，但是对于自然条件下，或者受外力荷载影响下的水泥材料修复试验研究相对较少，该技术的应用仍有待实践研究。

3.2 水泥基材料裂缝被动愈合技术

3.2.1 渗透结晶自修复技术在水泥基材料裂缝自修复中的应用

渗透结晶自修复技术是一种通过利用特定材料的特性，对混凝土结构中的微小裂缝进行修复的方法。在这种技术中，使用了一种特殊的防水材料，这种材料能够渗透到混凝土的微小裂缝中，并在这个过程中发生化学反应，生成结晶体，从而堵塞裂缝，提高混凝土的防水性能。这种技术的关键在于所使用的材料，该类材料通常是一些具有高渗透性的材料，如水泥基渗透结晶型防水材料。这些材料在遇到湿气时，会吸收湿气中的水分，并发生化学反应，生成一种结晶体，这种结晶体可以填充混凝土的微小裂缝，提高混凝土的密实度，从而达到防水的目的[4]。

该技术在水泥基材料裂缝自修复中主要是受络合结晶和沉淀结晶两方面反应的影响。

（1）络合结晶。在这个过程中，母料中的活性阴离子与水泥中的Ca2+离子结合，形成一种具有一定水溶性的钙质络合物。这种络合物能够依靠浓度梯度的原理，将钙离子逐渐渗透到混凝土的内部及裂缝处。当钙质络合物与混凝土内部的阴离子相遇时，就会生成钙质沉淀物，这些沉淀物会堵塞混凝土内部的孔隙和微裂缝。这个过程就是络合结晶的过程，它能够有效地修复混凝土内部的裂缝。

（2）沉淀结晶。在此过程中，活性母料会溶于水并渗透到混凝土内部，与Ca2+离子反应生成钙质沉淀物。这些沉淀物会堵塞结构内部的孔隙和裂缝。水是发生沉淀结晶的必要条件，如果混凝土内部过于干燥，母料就会进入“休眠”状态，一旦内部湿润度足够，它们又会重新被激活。这个过程就是沉淀结晶的过程，它能够有效地修复混凝土内部的裂缝。在具体的反应过程中，络合结晶和沉淀结晶是相互结合的。这两种反应的相互结合能够实现渗透结晶自修复的目的。它们能够共同作用，有效地修复混凝土内部的微小裂缝，提高混凝土的防水性能和耐久性。该技术的修复效果受限于修复剂的渗透深度，由于修复剂主要依靠渗透作用进入裂缝，因此对于较深的裂缝，修复剂可能无法完全渗透，从而影响修复效果。并且修复机的价格也相对较高，并不适合大规模应用。未来，可以通过改进修复剂的配方和性能，提高其渗透深度和活性，同时还可以通过研究其他自修复技术，如微生物修复、纳米材料修复等，与渗透结晶自修复技术相结合，形成更为综合、有效的修复方法。

3.2.2 膨胀自修复技术在水泥基材料裂缝自修复中的应用

膨胀自修复技术在水泥基材料裂缝自修复中的作用机理主要涉及材料遇水膨胀的特性。这种技术使用了一种特殊的膨胀水泥基材料，当这种材料遇到水时，会经历一个体积膨胀的过程。这个体积膨胀可以产生一定的压力，这个压力可以填充混凝土的微小裂缝，提高混凝土的密实度，从而达到防水的目的。在具体操作中，膨胀水泥基材料与水接触时，材料中的某些成分会吸收水分并发生化学反应，导致材料的体积膨胀。随着膨胀的持续进行，材料可以持续吸收水分并保持膨胀状态。当混凝土结构中出现微小裂缝时，这些膨胀材料可以通过填充这些裂缝来提高混凝土的防水性能。此外，这种膨胀自修复技术的自我修复能力也与其作用机理密切相关。当混凝土结构出现新的微小裂缝时，这些膨胀材料能够再次发生膨胀，对裂缝进行修复。这种自我修复的能力使得混凝土结构的防水性能得到了极大的提升。有研究人员对硫铝酸钙- 氧化钙型膨胀剂在水泥基材料裂缝自修复中的表现进行了实验研究[5]，通过位移控制方法制出宽度由表及里呈线性关系的裂缝，在早期的自修复过程中，硫铝酸钙在裂缝处产生的修复产物较多，这些产物主要是AFt（钙矾石）。AFt 是一种具有良好水化性能的物质，能够与混凝土中的Ca(OH)2反应，生成更加稳定的钙矾石- 石膏复合材料，从而有效地修复裂缝。然而，在后期的自修复过程中，氧化钙的表现也得到了明显的改善。这主要是因为氧化钙在遇到水后会产生Ca(OH)2，这种物质具有较好的粘结性和水化性，能够有效地堵塞裂缝并提高混凝土的密实度。此外，氧化钙还可以与CO2反应，生成CaCO3，这种物质具有良好的耐久性和稳定性，能够有效地防止裂缝的进一步扩展。膨胀自修复技术的修复效果受到裂缝宽度以及水泥基材料成分的影响，裂缝宽度过大或者过小，都会影响该技术的应用效果，并且针对不同的水泥基材料，可能需要调整材料的配比和性能以满足自修复的要求。

4 结论

综上所述，水泥基材料裂缝自修复技术的研究与进展取得了显著的成果。然而，仍存在许多挑战和问题需要进一步研究和解决。未来，需要深入研究各种自修复技术的原理和性能，探索新的修复材料和方法，以提高修复效率、降低成本和改善耐久性。