張健

（貴州畢節(jié)瑞澤新型建材有限公司，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

自修復(fù)混凝土是在借鑒仿生學(xué)研究原理的基礎(chǔ)上所設(shè)計研發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù)的智能—結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的混凝土體系。其可以在不借助外力的情況下對自身的損害進行診斷與處理，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。研究人員根據(jù)生物的組織器官損傷后可自行愈合的啟示，將混凝土模擬成一個可以感知與修復(fù)的系統(tǒng)，將特定的結(jié)構(gòu)與組分事先預(yù)混入混凝土的水泥基體里面，使之能夠?qū)崿F(xiàn)損傷的自我修復(fù)功能。當(dāng)混凝土受到損傷出現(xiàn)裂紋的時候，事先預(yù)置于水泥基中的修復(fù)單元就在外力、受熱或者化學(xué)侵蝕等作用下將自身攜帶的修復(fù)組分釋放到混凝土的損傷處，阻止裂紋的再擴大，同時對已有裂紋進行填充與粘結(jié)，實現(xiàn)混凝土的損傷自修復(fù)目標(biāo)。這樣的自修復(fù)體系較以往的人工修復(fù)來說不僅約成本，同時也省去外界操作環(huán)節(jié)，又能夠及時地控制混凝土的損害持續(xù)發(fā)生。在混凝土的自我修復(fù)過程中，要求混凝土體系能夠比較快速的對損傷作出反應(yīng)，同時針對損傷重新建立體系的完整性，并防止損傷的持續(xù)發(fā)生。

1 自修復(fù)混凝土的作用機理

自修復(fù)混凝土就是在生命系統(tǒng)自修復(fù)的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計出一個讓混凝土具備自修復(fù)功能的體系。其大致過程可歸納為：預(yù)先在混凝土中摻加起催化作用的組分，而具有粘結(jié)功能的組分則以 “膠囊”或其他類似形式為載體摻入。當(dāng)混凝土受到外力作用而使其出現(xiàn)裂紋時，裂紋處攜帶粘結(jié)劑的載體就會破裂并釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑遇到事先摻入的催化劑就會相互反應(yīng)，將裂紋填充與修復(fù)，同時阻止裂紋進一步擴展，從而起到對混凝土的修復(fù)作用。

2 自修復(fù)混凝土原材選擇

2.1 載體的選擇

負責(zé)攜帶粘結(jié)劑的載體作用不可小覷。在載體材料的選擇上主要考慮載體的抗壓強度、抗張拉強度以及線膨脹系數(shù)。如果載體的抗壓強度較低，當(dāng)其摻入混凝土中就會影響混凝土的強度，致使混凝土對外界載荷的抵御性能減弱。載體的抗張拉強度也非常重要，如果載體的抗張拉強度太大，載體就可能在混凝土出現(xiàn)裂紋損傷時不發(fā)生破裂，此時，其中的粘結(jié)劑就不會被釋放，從而起不到修復(fù)作用。線膨脹系數(shù)同樣是作為是否適合用于載體材料的一個衡量指標(biāo)。如果載體線膨脹系數(shù)過大，當(dāng)外界溫度變大時，載體受溫度影響就會在混凝土內(nèi)部形成一定的應(yīng)力，對混凝土自身性能的保持與穩(wěn)定很不利。當(dāng)外界溫度降低時，載體材料又會出現(xiàn)較大的收縮，破壞載體與混凝土之間的粘結(jié)。除此之外，載體材料的自身性能還必須穩(wěn)定，不僅可以長期穩(wěn)定存在于混凝土中而不被破壞，同時又能長期儲存粘結(jié)劑而不與其發(fā)生反應(yīng)。而現(xiàn)階段，載體材料幾乎都為玻璃材料。玻璃作為一種脆性材料，其抗壓強度可達60～90 MPa，而抗張拉強度只有4～6 MPa左右，玻璃的線膨脹系數(shù)與混凝土的線膨脹系數(shù)非常相近。此外，玻璃材料極易獲得且廉價，所以，玻璃無論從哪方面而言都是作為載體材料的首選。

2.2 粘結(jié)劑的選擇

自修復(fù)混凝土中的粘結(jié)劑性能是決定混凝土自修復(fù)性能的關(guān)鍵。在選取粘結(jié)劑時不僅需要考量所選物質(zhì)的粘結(jié)性能，還要注意其粘度以及化學(xué)成分是否適合。所選取的粘結(jié)劑必須具備較好的粘結(jié)性能，粘結(jié)后要具有較高的強度。其次，要求在混凝土開裂初期，其內(nèi)置的粘結(jié)劑可以盡快流出，這樣就能夠使粘結(jié)劑所填充的空隙較小，且抑制裂紋擴展較靈敏。這就要求粘結(jié)劑具有低的粘度以及好的流動性能，可使得粘結(jié)劑在裂紋剛出現(xiàn)就可以迅速、充分充滿裂紋空隙，保證粘結(jié)后混凝土的整體性能。另外，有些粘結(jié)劑由雙組分或多組分構(gòu)成，當(dāng)兩種或以上組分混合后才具有粘結(jié)功能。然而，混凝土中摻入的粘結(jié)劑不易使不同組分混合均勻。因此，在選擇粘結(jié)劑時要盡可能使用單組分粘結(jié)劑，以確保粘結(jié)劑功能的有效發(fā)揮。在粘結(jié)劑固化方面，也要盡量選擇固化迅速、固化條件易行的粘結(jié)劑，如空氣固化型粘結(jié)劑或溶劑揮發(fā)型粘結(jié)劑。此外，在達到以上要求基礎(chǔ)上，還要能夠達到環(huán)保標(biāo)準的要求，選擇低毒或者無毒類型的粘結(jié)劑。目前，國內(nèi)外應(yīng)用于混凝土自修復(fù)中的粘結(jié)劑種類主要有聚丙烯酸脂類粘結(jié)劑、縮醛高分子類粘結(jié)劑、聚氯胺類粘結(jié)劑、水玻璃類粘結(jié)劑以及環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑等。

3 自修復(fù)混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀

早在二十世紀20年代，美國學(xué)者Abram與挪威學(xué)者Stefan Jacobsen已發(fā)現(xiàn)混凝土具有一定的強度回復(fù)功能。之后，日本學(xué)者J.S.Rya與Nobuaki Otsuk等人進行了一些關(guān)于混凝土自修復(fù)的研究，他們主要通過將受損混凝土試塊放置在一定的修復(fù)液中，在電流作用下使裂紋處產(chǎn)生化學(xué)沉積，以填充空隙修復(fù)裂紋。

直到二十世紀90年代，關(guān)于混凝土仿生自修復(fù)的研究才逐漸開展。日本學(xué)者三橋博三首次將空心膠囊作為粘結(jié)劑載體，將粘結(jié)劑置于膠囊中，再將膠囊摻入混凝土水泥基體里面，他發(fā)現(xiàn)這樣能使混凝土具有優(yōu)良的自修復(fù)功能。沼尾達彌和福尺公夫兩位學(xué)者則采用玻璃纖維作為粘結(jié)劑的載體，并得出玻璃纖維的最佳摻量，使其既不影響混凝土的自身性能，又可以擁有良好的自修復(fù)功能。我國的歐進萍與匡亞川兩位學(xué)者也通過實驗得到了空心膠囊作為粘結(jié)劑載體的最佳摻量以及膠囊的最佳尺寸。

美國學(xué)者Brown EN、Sottos NR與White SR等人研究了不同催化劑摻量對粘結(jié)劑粘結(jié)性能的影響，其研究結(jié)果表明，當(dāng)催化劑尺寸大于350 μm時，催化劑的催化效果就會變差；催化劑摻量達3%以上就會明顯影響混凝土的力學(xué)性能。我國學(xué)者習(xí)志臻、張雄等人對不同粘結(jié)劑的裂紋修復(fù)效果進行了研究，其研究結(jié)果表明，聚丙烯酸脂類粘結(jié)劑的性能要優(yōu)于聚氨酯類粘結(jié)劑，并且采用聚丙烯酸脂類粘結(jié)劑修復(fù)后的混凝土其韌性也得到明顯改善。

4 結(jié)語

智能混凝土已是混凝土發(fā)展的重要內(nèi)容，而自修復(fù)功能作為智能混凝土的重要組成部分，也成為學(xué)者研究的重點。整體來說，自修復(fù)混凝土的研究目前還處于起步階段，還有很多問題需要研究解決。筆者認為應(yīng)主要從自修復(fù)混凝土粘結(jié)劑的選擇、載體的選擇、粘結(jié)劑的摻入形式以及粘結(jié)劑的修復(fù)過程等入手研究，在此基礎(chǔ)上建立混凝土自修復(fù)的理論體系，為實際工程應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

參考文獻

[1]王建輝,張浩博,桑國臣.混凝土裂縫修復(fù)材料的研究[J].新型建筑材料.2012，39（5）：32-35.

[2]邢鋒,倪卓,湯皎寧.自修復(fù)混凝土系統(tǒng)的研究進展[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版)，2013，30（5）：486-494.

[3]高禮雄,孫國文.微生物技術(shù)在混凝土裂縫自修復(fù)中應(yīng)用的研究進展[J].硅酸鹽學(xué)報，2013，41（5）：627-636.

[4]匡亞川,歐進萍.混凝土裂縫的仿生自修復(fù)研究與進展[J].力學(xué)進展，2006，36(3)：406-414.

[5]蔣正武.國外混凝土裂縫的自修復(fù)技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2003，34(4)：261-262.