混凝土自修復技術的對比分析與新自修復技術研究★

胡鵬杰 方光秀 金星翰

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

0 引言

混凝土是一種不均勻且多孔脆性的水泥基復合材料，是最普遍、也最重要的建筑材料。由于在日常的使用以及所處的環境條件，混凝土構件表面經常會產生一些微小的裂縫或裂紋。當混凝土表面產生微小裂縫時，混凝土自身會出現拉伸變形，將超過混凝土拉伸強度，最終演變成宏觀的裂縫，而危害建筑安全，甚至會造成無法挽回的損失。因此，能夠自我愈合裂縫的自愈混凝土有效地減少了此類災害的發生。

隨著近年來混凝土自愈性研究[1]的開展，如何進一步提高混凝土的自愈性能一直是一項難題，各種自修復技術與猜想也不斷被提出。例如：用環氧樹脂補強灌漿料以及鉆孔填塞等，不僅粘結力強，而且有較好的耐熱性與穩定性。自愈混凝土是一種當表面出現細小裂縫時，第一時間，自身能夠通過一系列反應釋放出修復液以進行自我愈合的新型混凝土，其自我愈合的過程是一個非常復雜的化學以及物理過程。20世紀末，Carolyn Dry第一次提出自愈混凝土的概念，隨后，一些學者對此開始了研究。目前，針對混凝土自愈性能的研究僅處于探索階段，且只有美國，日本等少數國家已進行了系列研究，至今還仍未取得突破性的進展。

由于我國在智能復合材料的研究領域處于領先地位，楊紅等在20世紀末研究了用記憶合金與液芯修復損傷混凝土的技術，其后又首創了智能結構的空心光纖研究法。混凝土自修復技術的出現，不僅減少了安全事故的發生，而且極大地降低了不必要的經濟損失。隨著進一步提高混凝土的自愈性能，建筑物的使用壽命將會更長，且安全性也會顯著提高。

1 國內外自修復技術的研究現狀

1.1 智能修復技術

近年來，隨著科學技術的發展，多種學科之間相互滲透，進而研究出一種可以自我診斷并進行修復的智能混凝土。它能模仿生物的生命系統，能對外界變化產生感知并作出適時靈敏的反應，具有自我診斷、調節和修復等功能。這一技術是將微型傳感器、驅動器、空心纖維以及處理器裝入混凝土中，微型傳感器主要由光纖組成，用來感知以及檢測混凝土各部分的變化，并實時傳輸到微處理器以做出相應的反應，進而實現對混凝土的修復與調節。當混凝土表面出現結構變化的同時，會引起傳感器中光纖的變形，導致通過光纖的光線強度、波長等發生變化，根據這些變化信息可以確定結構的應力、變形以及裂縫。在空心纖維中填充入適當的修復液，當裂縫出現時，將通過一系列反應，微處理器會使空心纖維釋放出修復液而修復混凝土。

通過我國對智能修復混凝土研究文獻[2]的收集整理與統計分析而得出，張妃二、姚立寧等，利用光在光纖中傳播時光強的衰減以及光脈沖展寬的傳輸特性，研究出空心光纖的傳輸特性與匹配特性，并組構成一個較為完整的檢測及修復體系。他們利用注入以粘度較小的縮聚高分子溶液而組成的粘結修補劑，以此實現對混凝土裂縫的修復。通過埋設在混凝土中的光纖光強變化，可以檢測到裂縫的產生，而且多模光纖在裂縫處的光強變化或光時域反射儀(OTDR)可以診斷與定位裂縫。研究得出，利用空心光纖注膠來實現混凝土結構的自我修復及診斷是一種可行的方法，既及時又有效的修復混凝土裂縫。

1.2 仿生物自修復技術

隨著生物學的發展，生物組織的自我愈合能力引起了人們的關注，例如：人的皮膚被劃破后，血管擴張充血，血漿以及各種細胞從血管中滲出，在傷口處血液和纖維蛋白經過一系列反應迅速轉變為固態的纖維蛋白并結成網狀，進而在傷口內逐漸形成凝塊保護傷口；骨頭折斷后，將它們對接起來，經過一段時間便會自己愈合。人們受到這一自愈行為的啟發，在混凝土中加入含有粘結性修復液的液芯纖維或者微型膠囊，當混凝土表面出現裂縫的時候，藏于表面的液芯纖維或微型膠囊受到張力隨之開裂并釋放出修復液流入損傷處，修復液遇空氣凝固將裂縫粘結起來，從而實現混凝土的自修復。具體修復原理如圖1所示。

20世紀日本東北大學的三橋博三教授等用環氧樹脂和水玻璃等化學材料作為修復劑置于空心纖維內并裝入混凝土構件內，當構件發生裂縫時，部分空心纖維隨之開裂，釋放出修復液流入開裂處，待修復劑凝固實現裂縫的修補。隨后Carolyn Dry等用高分子溶液做粘結劑，采用三點彎曲試驗測試了試件經修復前后的承載狀況，實驗表明，被修復液修復后的試件能承受更大的荷載且部分性能得到了改善。

1.3 滲透結晶修復技術

我國的匡亞川，歐進萍等[5]針對混凝土結構的滲漏以及防水材料的老化，提出了一種新型的滲透結晶自修復的方法，通過試驗研究了無機滲透材料的摻量對混凝土性能的影響，并總結出摻量的合理使用范圍。他們選用的滲透材料是由波特蘭水泥、極細的硅砂以及多種特殊活性的化學物質組成的灰色粉末狀的無機材料，這種材料的壽命與混凝土幾乎一致，且抗老化能力強、無毒無害、施工起來也較簡單。在試驗中進行了壓縮、劈裂和滲透等3項試驗，并且分別測其抗壓、抗拉強度的恢復率和二次抗滲壓力。

在壓縮試驗中用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，待澆筑后，在標準養護條件下養護28 d后進行加載，初始階段的加載速度率為3 kN/s，當達到400 kN時，則采用等位移速度加載，加載速率為0.1 mm/min。整理加載數據后得知，滲透結晶材料調動了水泥的積極性，并顯著提高了混凝土的力學性能，而修復裂縫后的強度也有一定的恢復，摻量較大時修復能力較強。

劈裂及抗拉強度的恢復率試驗初始階段加載速率200 N/s，當荷載達到50 kN時，采用等位移速度加載，其加載的速率為0.05 mm/min，直到試件表面出現第一條裂縫停止，而后將出現裂縫的試件重新置于養護室養護，之后進行第2次加載，用兩次劈裂荷載之比來體現修復能力。對比數據后得知滲透結晶材料的加入使混凝土的抗拉強度得到了顯著的提升。

2 自修復技術的對比分析

智能修復是現代科學技術快速發展的產物，這一技術實現了對混凝土的實時監控，并且在修復裂縫時具有反應迅速、節省材料、效率高等特點，在力學性能方面，智能修復后的混凝土強度會有所提高，智能混凝土的產生，大大節省了人力物力，其通過電子元件實現對自身的實時監控，并且可以將混凝土的各種信息數據傳達至電腦端，極大地方便了我們對混凝土性能的研究。目前，智能修復技術仍有很大的研究價值，其應用前景非常廣闊。

仿生物自修復技術是人們從生物組織中受到啟發研究出來的，這種自修復技術大大節省了自愈混凝土的成本，且施工較為容易。將內含修復液的微型膠囊或液芯纖維加入混凝土中，對混凝土的配合比影響較小，并且對其抗壓、抗彎等力學性能影響較小。被愈合后的混凝土試塊能夠承受更大的荷載，且其延展性、柔韌性也得到較大的改善。

滲透結晶修復技術不僅可以提高混凝土的強度恢復率和抗滲恢復率，而且該技術對于細小裂縫的修復效率較高，滲透結晶材料可以明顯改善混凝土裂縫的自愈合效果，并且降低裂縫深度。在混凝土中摻入適量的水泥基滲透結晶材料能夠增加混凝土的密實性，并且可以提高混凝土抗拉強度、抗壓強度以及抗滲壓力，其中抗滲壓力的提高最大。在滲透結晶混凝土開裂后，在一定的條件下養護，性能會得到較好的恢復，在一定的范圍內，摻量越大修復能力就越大。

3 新型的混凝土自修復方案

在混凝土中加入內含修復液的微型膠囊，不僅可以節省成本，又能提高混凝土的承載性能以及延展性，而滲透結晶技術則可提高強度恢復率和對細小裂縫的修復率，并且可以明顯改善混凝土裂縫的自愈合效果，降低裂縫深度。因此，若將兩種技術結合或許可以進一步提高混凝土的修復效果與力學性能。

其施工的具體流程與關鍵控制點如圖2所示。

4 結語

1)混凝土的自修復技術仍需進行大量的研究和改進，目前的自修復技術還存在較大的缺陷和不足。

2)混凝土自修復技術可有效治理裂縫等質量通病，在節約經濟和減少工程事故等方面起到重要作用。

3)本文提出了新型混凝土自修復技術方案的修復原理、優點與施工流程以及質量控制關鍵點，可為后續的試驗研究提供參考。