使用混凝土自修复技术提高道路和桥梁耐久性的研究

王友成

(中铁二十一局集团有限公司，甘肃 兰州 730070)

道路和桥梁是现代社会的交通命脉，它们的健康状况直接影响到人们的生活质量和经济发展。然而，随着时间的推移，由于各种因素的影响，如交通过载、环境腐蚀和材料老化，这些基础设施经常出现裂缝、孔隙和其他形式的损伤。传统的修复方法通常既费时又费钱，且不一定能够确保长期的效果。近年来，混凝土自修复技术作为一种新型的、具有前景的解决方案引起了广泛的关注。自修复技术的核心思想是利用特定的材料和技术，使混凝土在受到损伤后能够自我修复，从而延长其使用寿命。

1 混凝土自修复技术概述

1.1 自修复机理

自修复混凝土的机理是一种结合微生物学和化学原理的先进技术，核心在于往混凝土中添加了微生物和特定的自修复剂，如图1所示。当混凝土出现微裂缝或损伤时，这些微生物和修复剂被激活并启动其生物和化学反应。微生物通过其代谢过程分泌胶原蛋白、蛋白质和多糖等，形成堵塞裂缝的晶体；特定微生物还可通过其钙化能力引起钙离子的溶解和重积，形成钙化物填补裂缝[1]。而自修复剂则与周围环境发生化学反应，生成具有黏结性的水凝胶体，从而实现混凝土内部的自动修复，延长其使用寿命并增强其耐久性。

图1 自修复混凝土结构

1.2 自修复材料的种类

混凝土自修复技术日趋多样化，各技术对应不同的材料和应用特性。

如表1所示，结晶沉淀法和渗透结晶法主要依赖于特定溶液中的物质在裂缝中结晶，形成坚固的结构以封闭裂缝；微胶囊技术则是一种智能修复技术，通过裂缝触发微胶囊破裂释放修复剂；液芯纤维法则通过纤维中的液体为混凝土提供额外的韧性和延展性，增强其耐久性；微生物诱导碳酸盐沉淀技术利用微生物的代谢作用产生碳酸盐，有效填充和修复裂缝；而形状记忆合金法则通过合金的独特记忆特性，在裂缝发生时自动改变形状以封闭裂缝。每种技术都有其独特的优点和应用领域，为混凝土的修复和维护提供了新的思路和方法。

表1 自修复材料种类

2 主要自修复方法及其工作原理

2.1 使用形成裂缝的微生物

微生物诱导的混凝土自修复技术为现代土木工程领域带来了革命性的变革。核心原理是利用特定的微生物，如巴斯勒菌属和其他相似细菌，促进碳酸盐沉淀的形成，以填充和修复混凝土裂缝。这些微生物在被封入混凝土中时是休眠状态，但当混凝土出现裂缝并与外界水分接触时，它们“苏醒”，开始进行生物代谢活动。这些微生物消耗营养物质并释放碳酸盐离子，逐渐在裂缝区域形成结晶沉淀。这种碳酸盐沉淀物不仅与混凝土紧密结合，提供了额外的结构强度，而且还能有效阻挡水分和有害物质的进一步渗透，从而增强混凝土的耐久性[2]。

该方法的成功在于它集生物技术和传统土木工程技术于一体，为实现持久、自适应地混凝土修复提供了一种全新途径。微生物的使用不仅解决了混凝土自修复的实际需求，还因其环境友好、无需外部能源和维护的特性，受到了广泛关注。值得注意的是，这种自修复技术在长期、连续的应用中仍需进一步研究，以确保其在各种环境条件下的稳定性和效率。

2.2 使用水泥基材料

水泥基材料自修复技术主要利用水泥及其衍生材料在特定条件下固化和水合的特性，来实现混凝土裂缝的自动修复。核心机制是，当裂缝产生并与外部水分接触时，未反应的水泥粒子和某些添加剂被激活，启动其再水合过程，从而形成新的水化产物并在裂缝区域沉积。

这些新形成的水化产物，如硅酸盐水化钙和Ca(OH)2，结构紧密且与原有混凝土基体具有良好的黏附性，因此能有效地封闭和修复微裂缝。此外，一些特定的水泥添加剂，如膨胀剂或延缓剂，可以被设计为在裂缝形成后逐渐释放，进一步增强自修复效果。这种方法的优点是利用了混凝土的固有材料特性，无需额外添加复杂的外部剂或系统。

然而，要充分实现这种自修复机制，水泥基材料的选择、配比和添加剂的种类及其浓度都需要经过精确的优化。这确保了在裂缝形成后，材料具有足够的潜在水合能力和适当的反应速率，从而在适当的时间内实现有效修复。总体而言，通过水泥基材料为混凝土提供自修复能力是一种简洁、经济且具有巨大潜力的技术，但其在实际应用中仍需考虑环境、应用场景和长期效果等多种因素。

2.3 使用水合化合物

水合化合物，特别是某些特定的水泥水合化产物，已被证明在混凝土自修复过程中起到关键作用。这些水合化合物能够在水的参与下发生化学反应，形成坚硬的结晶体或凝胶状物质，从而在混凝土的裂缝中沉积并实现封闭和修复。

核心原理是利用混凝土内部残留的或特意添加的活性材料，如未反应的硅酸盐、CaO或其他活性矿物，当裂缝与外部水分或湿气接触时，这些活性物质会迅速与水反应，生成新的水合化合物。例如，CaO与水反应可以生成Ca(OH)2，进而与环境中的CO2反应生成CaCO3，这一稳定的水合化产物会紧密地堆积在裂缝中，形成屏障并避免进一步的损伤[3]。

为提高自修复效率，研究者还探索了向混凝土中加入特定的触发剂或促进剂，这些化学物质在遇到水时会更迅速地生成水合化合物，从而实现更快速、更稳定的裂缝修复。此外，对于特定的应用环境，如海水环境，选择与之相容的水合化合物对提高修复效果尤为关键。

2.4 使用纳米材料

纳米技术在多个领域都展现出了巨大的潜力，特别是在提高材料性能方面。在混凝土的自修复领域，纳米材料已被认为是一种极具前景的修复策略。纳米材料，如纳米硅酸盐、纳米钛酸盐和纳米氧化铝等，因其特殊的微观结构和高的比表面积，使其在混凝土中的分散性和亲和性都得到了显著提高。

核心工作原理基于纳米材料独特的物理化学性质。首先，纳米材料可以有效地弥散在混凝土基质中，当混凝土出现裂缝时，纳米材料可以在裂缝处迅速凝聚和结晶，形成紧密的封闭结构。其次，纳米材料的高比表面积使其与周围环境的相互作用极大增强，这不仅促使了更快的化学反应速率，还提高了裂缝处的修复质量，提供了更强的黏结性能。此外，某些纳米材料，如纳米硅酸盐，能与混凝土中的钙离子发生反应，形成稳定的钙硅酸盐水合物，进一步增强了混凝土的修复和耐久性。

但需要注意的是，纳米材料的选择和掺入量需要根据混凝土的实际应用环境和工作条件进行精准调控。过多的纳米材料可能会导致混凝土的工作性能降低，而选择不当的纳米材料可能会影响到混凝土的长期稳定性。

3 混凝土自修复技术在道路和桥梁工程中的应用

3.1 道路工程中的应用实例

在近年的一项重要的道路工程项目中，为了提高新建道路的耐久性并减少维护成本，工程师选择了使用自修复混凝土技术。这个项目位于一个多雨和经常发生冻融循环的地区，这种环境条件使得道路混凝土常常出现裂缝和破损。

在该道路工程中，为了克服这些挑战，工程师选择了采用纳米硅酸盐和微生物诱导碳酸盐沉淀技术的组合方式。纳米硅酸盐通过与混凝土中的钙离子反应，迅速形成稳定的钙硅酸盐水合物，从而强化混凝土结构，增强其耐冻融性能。而微生物诱导碳酸盐沉淀技术，利用了特定的细菌，这些细菌在检测到微裂缝时被激活，经过其生物代谢过程，产生碳酸盐晶体填充裂缝，实现自我修复[4]。

这种自修复混凝土的使用显著降低了道路的维护频率，同时也减少了维护所需的资源和时间。在该项目完工后的2年里，尽管该地区经历了多次严重的冻融循环，但这段道路仍旧保持了良好的状态，几乎没有出现裂缝。此外，与传统混凝土相比，这种自修复混凝土的成本仅增加了不到5%，但其带来的长期效益和减少的维护成本远远超出了这一初次投资。

3.2 桥梁工程中的应用实例

在某城市的关键交通枢纽，有一座大型桥梁，它连接了城市的两个主要商业区。由于这座桥梁经常承受重型交通流和恶劣的环境条件，桥梁的保养和维护成本相当高。为了解决这一问题，桥梁工程师决定在桥梁的关键部位采用自修复混凝土技术。

工程师选择了采用微胶囊技术和纳米材料相结合的方法。微胶囊中包含了修复剂，当裂缝出现时，这些微胶囊会破裂并迅速释放出修复剂，与混凝土中的成分反应，形成一个坚固的修复层来封闭裂缝。而纳米材料，如纳米硅酸盐，被添加到混凝土中，为混凝土提供更好的抗压和抗弯性能，同时增强其耐腐蚀性，延长桥梁的使用寿命。

该桥梁工程自使用自修复混凝土技术后，其维护和修复的频率明显降低。尽管桥梁经常承受重型车辆的过载和不断变化的气候条件，但桥面和支撑结构仍然保持良好，几乎不见明显的裂缝或损伤。这一技术的成功应用，不仅显著降低了该桥梁的总体维护成本，还为其他城市和工程师提供了一个在桥梁和其他关键基础设施项目中采用自修复混凝土的有力案例。

3.3 与传统修复方法的比较

自修复混凝土技术与传统混凝土修复方法存在着多个关键方面的差异，具体如表2所示。首先，自修复混凝土技术明显缩短了修复时间，最多只需几小时，而传统方法可能需要数天。在修复效果上，自修复混凝土可实现接近完美的修复，达到95%～100%的完整性，而传统方法的修复效果可能仅为70%～85%。尽管自修复混凝土的初步投资成本较传统方法略高，但其更长的持久性和显著减少对环境影响使其在总体生命周期成本和环境效益上具有竞争优势。此外，由于自修复技术减少了工作中断，因此对交通和项目进度的干扰也大大减少。

表2 自修复混凝土与传统修复方法效能对比

4 结语

混凝土自修复技术代表了现代建筑材料科学的一次重要突破。通过为混凝土赋予自我修复的能力，不仅有可能大大提高公路和桥梁的使用寿命，还可降低维护成本并增强其抗应力和耐久性。相比传统的修复方法，自修复技术提供了一种更为经济、高效和可靠的解决方案。随着进一步的研究和技术创新，混凝土自修复技术有望在未来的道路和桥梁建设中得到更广泛的应用，为我国的交通基础设施带来更长久的稳定与安全。