昊磐節能·混凝土裂縫自修復技術的研究現狀

混凝土裂縫自修復技術的研究現狀

張士萍1，劉俊亮2

（1-南京工程學院建築工程學院，江蘇南京 211167

2-揚州大學化學化工學院，江蘇揚州 225002）

摘要：本文闡述了現有的混凝土自修復技術的研究現狀，包括自修復技術的發展歷程、自修復技術特徵、自修復效果評價方法以及當前存在的問題，指出了自修復技術在混凝土結構領域的研究意義和必要性。

關鍵詞：裂縫；自修復技術；評價方法

Research progress on self-sealing of cracking in concrete

ZHANG Shiping1, LIU Junliang2

(1-Department of Architecture Civil Engineering,Nanjing Institute of Technology,

Nanjing 211167, China

2- College ofChemistry and Chemical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou225002,China)

Abstract：This paper presents research progress aboutself-sealing technology of concrete materials, includingdevelopment history, technology characteristics, evaluation methods ofself-sealing performance and remaining problems. The significance and necessityof self repairing technology in the field of concrete structure are alsopointed out.

Keywords：Cracking; Self-sealing technology; Evaluation method

1引言

混凝土結構受溫、濕度的變化、外部荷載等各種環境因素影響，導致不同形貌、不同尺寸的微裂紋或損傷產生。這極大地降低混凝土材料的承載能力、耐久性及抗滲能力。若得不到及時有效的修復，勢必直接影響結構的正常使用性能，並縮短使用壽命，甚至引起災難性事故, 威脅到人們的生命和財產安全。

由於探測技術的局限性，實際工程中細微觀尺度的損傷難以快速、準確探測，同時，一般常規修復方法也難對於內部微裂紋進行有效的修復。為了解決混凝土服役過程中微裂紋修復問題，提高混凝土性能穩定性、延長混凝土使用壽命，混凝土自修復材料與技術的開發已成為混凝土開發中的一個重要研究領域。

針對傳統方法難以實現對於混凝土微裂紋修復的問題，自修復混凝土可基於材料內部損傷及所處位置進行即時感知，實現對裂紋和損傷部位主動修復,從而恢復甚至提高混凝土材料的力學性能，延長結構使用壽命。目前國內外研究人員在自修復混凝土開發上的工作主要集中在容器、膠粘劑的選擇與優化，自修復混凝土製備工藝開發以及自修復性能指標評價等方面。開發新型可靠的混凝土自修復技術，並對其修復機制進行深入研究，對於改善混凝土材料耐久性，提高混凝土構築物服役壽命具有重要意義。

2國內外研究現狀及發展動態分析

2.1混凝土自修複發展歷程

1925年Abram發現測完28天抗壓強度的損傷混凝土試件置於戶外環境8年後，抗壓強度提高至28天的兩倍多，至此首次發現混凝土的自修復現象[1]。之後挪威的Stefan將遭受凍融損傷的混凝土放在水中2-3個月，發現混凝土抗壓強度出現4-5%的恢復[2]。日本Nobuaki和美國Ryu採用電化學技術研究了鋼筋混凝土裂縫的癒合，發現裂縫癒合並且滲透性降低[3]。九十年代初期，日本學者分別用環氧樹脂、水玻璃作為修復劑注入空心玻璃纖維或膠囊中摻入混凝土，發現當混凝土開裂的時候，纖維或膠囊發生破裂，修復劑流出覆蓋裂縫，使得裂縫癒合[4]。1994年，美國Carolyn教授將裝有膠粘劑的載體摻到混凝土中，配製成自修復混凝土 [5]。1995年，美國Illinois大學採用感測裝置來感知混凝土開裂，並釋放修復劑實現裂縫自癒合，使混凝土具備了自診斷、自修復功能[6]。1998 年，美國密歇根大學Victor等人將含有超強力膠水的纖維管預埋在混凝土中，發現預埋了修復纖維的混凝土剛度得到明顯恢復[7]。Motuku[8]等人重點研究了在空心纖維在基體中分布以及修復劑的釋放。Tsuji等人1998年提出將高吸水樹脂做為混凝土自修復材料來使用，之後Lee等人深入研究了高吸水樹脂的自修復性能[9]。2001年White[10]把微膠囊自修復基體應用到環氧樹脂材料中，製備出自修復環氧樹脂材料的自修復效率可達75%。

國內對自修復混凝土的研究做了大量的工作：南京航空航天大學於1997 年研究了利用液芯光纖和形狀記憶合金對複合材料結構中的損傷進行自診斷、自修復的方法[11]。同濟大學習志臻和姚武等人研究了仿生自診斷和自修復智能混凝土，在混凝土傳統組分中複合特殊組分如仿生感測器、含膠粘劑的液芯纖維等，形成智能型仿生自診斷、自癒合網路系統[12-13]。歐進萍、匡亞川等人重點研究了將裝有修復劑的玻璃纖維管埋入水泥基材料中的修復效果[14-15]。2011年，華南理工大學的學者採用原位聚合法, 將雙環戊二烯膠黏劑加入到了脲醛樹脂里，成功合成了以脲醛樹脂為壁材，雙環戊二烯膠黏劑為芯材的自修復微膠囊[2]。

2.2 自修復最新技術及其特徵

混凝土自修復技術大體可分為主動式和被動式修復[16]。主動式修復為水泥基體中預埋有裂紋感知系統和修復體，當混凝土產生損傷時，感測器可及時感知確定損傷位置，並將信號傳送給外部控制系統，外部控制系統激發修復體系釋放修復劑對損傷部位進行修復。目前主要包括形狀記憶合金和空芯光纖修復技術。形狀記憶合金通過通電激勵形狀記憶合金使之產生形狀恢復效應，對裂縫面施加壓應力，迫使裂縫合攏、減少裂縫末端應力集中，抑制裂縫發展，達到裂縫自修復。形狀記憶合金可實現長期在線實時監測，達到結構自修復功能[17]。但是，形狀記憶合金的形狀記憶效應有賴於加熱，這限制了它的工作範圍，且長期使用工作穩定性較差[18-19]。空心光纖是指纖芯、包層和塗敷層等組成的多層介質結構。將含修復劑的空心光纖網路預埋於混凝土中，當混凝土結構產生內部變形或損傷時，光纖受到外力作用變形，使得光損耗加大，改變輸出光信號，使得監控系統及時監測到基體損傷，並精確判斷損傷位置，進而在注膠系統加壓作用下，纖芯內修復劑從空芯光纖管內迅速流出，對損傷處進行修復[20]。空心光纖彌補了工程應用中無損檢測與修補方法的不足，即對結構使用過程中的損傷、疲勞、衝擊、缺陷、腐燭、振動等情況進行實時監測，又對混凝土的損傷、裂縫進行適時的快速修復，實現了光傳輸、損傷診斷和損傷修復的一體化[21]。但是，空芯光纖纖芯很細，容量非常有限，制約了修復劑的儲存量，並且空心光纖與混凝土結構也存在匹配問題[22]。

被動式修復是指混凝土損傷變形時，將預埋於內部的修復體系撕裂，修復劑流出封堵裂紋，主要包括微膠囊技術、中空纖維技術、滲透結晶法、微生物修復等[23]。微膠囊技術是預先摻入裝有修復劑的微膠囊和固化劑，出現裂縫的時候，裂紋尖端的微膠囊在集中應力的作用下破裂，修復劑流出，滲入基體的裂紋中，與分散在基體材料中的固化劑相遇，修復劑固化將裂紋修復[16]。但是修復樹脂儲存量有限，並且催化劑和微膠囊的分散要與破壞區域相匹配，同時修復樹脂消耗後會產生內部孔隙[24]。中空纖維自修復方法是將膠粘劑注入到中空玻璃纖維中並埋到混凝土中，從而形成智能仿生自癒合網路系統。當混凝土出現損傷和裂紋時，纖維內膠粘劑流出滲入裂紋，化學作用下膠粘劑發生固結，從而抑制開裂、修復裂紋。滲透結晶法的主要原理是在混凝土製備過程中摻入滲透結晶材料，其中的活性功能組分在混凝土乾燥時處於休眠狀態，當混凝土發生開裂且有水滲入時，活性組分發生化學反應生成新的結晶物質，填充裂縫，實現裂縫自癒合[25]。滲透結晶法因具有所生成的產物與水泥水化產物類似，可實現重複自癒合功能，並且可在一定程度上實現混凝土力學性能和耐久性的修復。裂縫微生物修復是一種新型修復技術，其機理是利用自然界普遍存在的礦化微生物的新陳代謝，生成一些以碳酸鈣為代表的相對不溶或難溶的化合物，實現裂縫修復[26-27]。考慮到混凝土的高強鹼性環境，用於混凝土自修復的微生物多為嗜鹼性芽孢桿菌，目前國內外對巴氏芽孢桿菌和巴士芽孢八疊球菌的研究較多[28]。微生物自修復過程漫長，難以即時修復，同時對寬裂紋修復作用有限，另外修復過程中消耗水泥基體中氫氧化鈣，導致混凝土內部鹼度的降低，這對鋼筋不利[29-30]。

2.3環境響應高分子自修復材料在混凝土應用進展

混凝土結構所處環境主要包括水環境、氣體環境、各種陰陽離子環境等，對混凝土自癒合能力有著不同的影響。關於自修復材料對環境因素響應能力方面，目前研究較少。Jiang等人研究了礦物外加劑和環境因素對自修復性能的影響，發現環境pH和溫度較高的情況下混凝土裂縫自癒合效果較好[31]。Arn等人合成了高分子自修復劑，通過紅外、核磁、動態蒸汽吸附等方法分析其化學結構、吸附以及膨脹性能。結果發現該高分子自修復劑的膨脹性能與環境pH有關，可以通過調節環境pH來控制高分子自修復劑的膨脹性能以及釋水性能[32-33]。Snoeck研究了高吸水樹脂對裂縫的自癒合作用，發現環境濕度高於90%的時候，高吸水樹脂具有明顯的裂縫癒合作用[34]。Lee等人研究了高吸水樹脂的裂縫自修復作用，發現高吸水樹脂處於不同溶液中，膨脹性能也不同[10]。Wieland[35]從熱力學的角度，提出環境水壓越大，越有助於碳酸鈣晶體在裂縫中沉積，從而提高混凝土裂縫自癒合能力。Hans-Wolf[36]研究了溫度對混凝土裂縫癒合能力的影響，發現養護溫度越高，裂縫發生自癒合反應的速率越快，癒合效果越好。張軍學[37]對比了養護條件對水泥基材料自癒合能力的影響，發現熱養護條件對水泥基材料癒合效果最好。劉素瑞等人[38]研究了不同溶液環境下混凝土的自癒合性能，發現碳酸鈉環境下混凝土自癒合效果優於水環境。應該來說，環境響應型自修復材料的開發對於混凝土自修復來說提供了新的契機。

2.4自修復效果的評價方法

目前自修復性能的評價方法主要分為三類[27]：

（1）力學性能的恢復

主要是檢測開裂混凝土經歷一段時間的自修復之後的力學性質，並與未開裂混凝土樣品進行對比。常用的力學性能檢測方法有三點/四點彎曲試驗、抗壓/抗拉試驗、水平變形和衝擊載荷試驗。還有另外兩種非力學試驗也可用來評價力學性能，即聲發射分析和共振頻率分析。

（2）抵抗性的恢復

主要評價指標有傳輸性、電阻率及連續性，通過檢測經歷過一定時期修復過程的樣品的傳輸性、電阻率以及連續性，並與未開裂的樣品進行對比，分析三種性能的恢復程度。其中將基於傳輸性的恢復程度作為自修復效果的評價方法是目前比較流行的，尤其是水分滲透性指標，包括微膠囊自修復、滲透結晶性自修復、微生物自修復在內的自修復技術的修復性能均可採用水分滲透性來評價。電阻率指標在混凝土自修復劑的修復效果評價中相對採用較少。比較常用的檢測混凝土連續性的方法主要有超聲波法、鏽蝕試驗以及鹽凍試驗。超聲波法不僅可以檢測混凝土內部缺陷及不連續性，還可以預估缺陷的大致位置、尺寸、方向及形狀。

（3）可視化的表徵

屬於定性分析方法，主要針對修復後的混凝土的結構、組成可視化，例如晶體的沉澱過程、微膠囊修復劑的釋放過程以及裂紋的閉合過程。此方法需要藉助於特定的儀器設備，可以進一步分為顯微鏡法、影像法以及光譜學三種。顯微鏡主要用來觀測修復前後混凝土的微觀結構及特徵，最常用的是結合光學顯微方法（包括SEM、ESEM）的岩相分析。採用光學數碼顯微鏡觀測裂紋表面，獲取裂紋表面的等值線圖，從而測得裂紋寬度以及晶體產物。SEM及ESEM通常需要結合BSEI（背散射電鏡）一併使用。通過這些圖片可以推導樣品的晶體結構、再水化產物的形狀、尺寸等。影像法主要指採用BSEI、x射線斷層掃描、中子射線等方法，也是比較常用的方法之一。光譜學則是用來分析自修復後樣品中的晶體材料、化學組成、沉澱產物。當一束光射到樣品表面，可以記錄下透射光的光譜，通過分析光譜中峰的位置、形狀、強度來推導樣品的原子、分子結構。常用的光譜學方法有x射線光譜、紅外光譜、拉曼光譜、x射線衍射光譜等。其中x射線衍射法可以得到晶體樣品的3D圖，從而可以分析自修復區域的再水化產物的組成。同時也可以採用核磁共振技術在微米以及納米級別的角度研究自修復過程。

三種評價方法的局限性見表2[27]。

2.5 目前存在的問題：

（1）自修復劑自身對基體不同破壞力的感知能力的控制有待改進。

（2）無論在修復劑自身性能研究還是修復效果評價方面都缺乏相應的系統的評價體系。

（3）修復粘結劑的選擇、封入的方法、流出量的調整、釋放機理的研究、分布特性、與混凝土的相容性等問題,研究尚不完全。

（4）針對外部環境因素在混凝土自癒合能力方面的影響的研究較少。

3 結論

混凝土的自修復系統為基體微裂縫的修補和有效地延緩潛在的危害提供了一種新的方法。一個自修復系統將免去有效的監測和外部修補所需的高額費用，節省建築結構運行費用，同時有利於其安全性和耐久性，混凝土材料的使用壽命也將延長。針對混凝土裂縫自癒合的特點，開展相關有效的綜合評價方法研究，對於混凝土裂縫自癒合技術的發展十分必要。

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