結(jié)構(gòu)用自修復(fù)水泥基建筑構(gòu)件研究

□張 瑩 張藝凝 王俊淇 秦 榮

一、引言

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件存在抗裂性差、脆性大、韌性差等缺點(diǎn)，并容易遭受到外部環(huán)境因素的影響，如：溫度、濕度、荷載變化等。這是由于傳統(tǒng)構(gòu)件存在的這些問題導(dǎo)致了混凝土構(gòu)件的承載能力和耐久性以及抗?jié)B能力大大降低。面對傳統(tǒng)構(gòu)件存在的這些問題，一旦解決不夠及時(shí)，勢必會(huì)對構(gòu)件產(chǎn)生損傷，削減構(gòu)件的使用時(shí)間，嚴(yán)重的可能會(huì)發(fā)生事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失。在實(shí)際工程中，由于傳統(tǒng)水泥基構(gòu)件存在的這些缺點(diǎn)，已對施工技術(shù)人員造成了很大的不便。

基于水泥基鋼筋混凝土構(gòu)件在理論研究與實(shí)際工程中存在的不足之處，本文對自修復(fù)水泥基建筑構(gòu)件與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件的對比試驗(yàn)分析，并以此為依據(jù)，初步研究一種新型自修復(fù)水泥基建筑結(jié)構(gòu)。將新型自修復(fù)混凝土構(gòu)件與傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)對比，從而總結(jié)出此方法的可行性。

實(shí)際工程中，對于一些構(gòu)件的微小裂縫及損壞很難察覺到，與此同時(shí)，一些常規(guī)的損傷修復(fù)方式也難以將構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫進(jìn)行準(zhǔn)確有效的修復(fù)。為了高效處理混凝土構(gòu)件使用過程中因?yàn)檫@些不定原因造成的微裂紋、微毀傷等問題，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的性能，防止建筑構(gòu)件內(nèi)部裂紋的繼續(xù)發(fā)展，延長混凝土構(gòu)件的使用壽命，混凝土自修復(fù)材料與技術(shù)的研究與發(fā)展勢必成為將來建筑材料的主要方向。

二、自修復(fù)混凝土概述

在實(shí)際工程使用的建材中，水泥混凝土是經(jīng)常被使用的。但是施工及使用過程中，水泥混凝土構(gòu)件難免會(huì)出現(xiàn)一些損害或裂縫。在工程中對于構(gòu)件面出現(xiàn)的微裂縫，往往采用人工物理的修復(fù)方式使其重回正常使用狀態(tài)，而對于構(gòu)件里面產(chǎn)生的細(xì)小裂紋，及時(shí)使用儀器進(jìn)行檢測，也是相當(dāng)困難的。因此，如若能直接阻止混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫或能使構(gòu)件自身進(jìn)行裂縫的修復(fù)是具有重大意義的。

自修復(fù)混凝土是自身具有修復(fù)裂縫功能的智能混凝土材料，當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小微裂縫時(shí)，能夠自我進(jìn)行檢測，通過構(gòu)件外部或內(nèi)部條件的作用，能夠自身進(jìn)行修復(fù)微裂縫，并能夠阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

三、自修復(fù)水泥基材料的研究

現(xiàn)如今主要有形狀記憶合金(SMA)修復(fù)技術(shù)和液芯光纖(光纖法)主動(dòng)式修復(fù)和被動(dòng)式修復(fù)兩種修復(fù)方法。本文主要介紹和研究了被動(dòng)式自修復(fù)混凝土技術(shù)。當(dāng)混凝土構(gòu)件遭受到外部破壞導(dǎo)致其發(fā)生變形時(shí)，提前放置與構(gòu)件內(nèi)部的修復(fù)系統(tǒng)便會(huì)啟動(dòng)，釋放出其所攜帶的修復(fù)材料，修復(fù)材料便會(huì)進(jìn)入到裂縫中，對裂縫進(jìn)行修復(fù)，這就是被動(dòng)式修復(fù)。包括微膠囊修復(fù)技術(shù)，中空纖維技術(shù)等。

(一)微膠囊修復(fù)技術(shù)。微膠囊自修復(fù)混凝土的原理就是把作為修復(fù)混凝土的材料做成膠囊的模樣，與制作混凝土的骨料拌和在一起(內(nèi)置于混凝土構(gòu)件中)，當(dāng)混凝土構(gòu)件受到破壞或外部環(huán)境達(dá)到膠囊的感知條件，膠囊將會(huì)破裂，釋放出其中的修復(fù)材料，從而達(dá)到修復(fù)混凝土構(gòu)件的目的。近年來，微膠囊修復(fù)混凝土材料正在飛速發(fā)展，微膠囊修復(fù)材料也迅速發(fā)展為新型材料。

(二)纖維法。纖維法的修復(fù)原理與微膠囊的修復(fù)原理大致相似，纖維法的修復(fù)機(jī)理是將用于修復(fù)混凝土裂縫的修復(fù)劑放置在纖維中，并將放置修復(fù)液的纖維置于混凝土構(gòu)件中，從而當(dāng)混凝土構(gòu)件受到外力產(chǎn)生裂縫時(shí)，內(nèi)置于構(gòu)件中的纖維便會(huì)將修復(fù)劑放出，從纖維中釋放的修復(fù)劑將主動(dòng)找到裂縫存在的位置，對裂縫開始實(shí)施修復(fù)。如果作為修復(fù)的纖維能夠具有醫(yī)生一樣的診斷能力，置于纖維中的修復(fù)劑便會(huì)自動(dòng)對構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行修復(fù)，從而達(dá)到修復(fù)的智能性。

四、關(guān)于自修復(fù)水泥基建筑構(gòu)件的研究現(xiàn)狀

混凝土的自修復(fù)在實(shí)驗(yàn)中被認(rèn)為具有可行性并在1925年第一次被觀察到，美國學(xué)者觀察并且檢測28天抗壓強(qiáng)度的損傷混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)情況下高于正常值，置于野外經(jīng)歷了多種極端惡劣的環(huán)境長達(dá)8年。抗壓強(qiáng)度在專業(yè)儀器檢測下增加并且提升到初始數(shù)值兩倍(美國學(xué)者Abram)。采取了電化學(xué)技術(shù)研究了傳統(tǒng)構(gòu)件損傷的修復(fù)(美國Ryu以及日本Nobuaki)，觀察到損傷修復(fù)而且抵抗?jié)B透率有所提升。20世紀(jì)末期，日本學(xué)者以比較新穎的方法實(shí)現(xiàn)了芯材和壁材的制備。為水玻璃和環(huán)氧樹脂在特定的化學(xué)環(huán)境中制成芯材劑注入膠囊或者中玻璃纖維(空心化)，將自愈材料混入混凝土中，當(dāng)觀察到混凝土受損，制備的修復(fù)材料發(fā)生破損，環(huán)氧樹脂包裹覆蓋損傷部位，從而傷口得以愈合。20世紀(jì)90年代中期，美國學(xué)者將芯材為膠黏劑的膠囊混入混凝土，自修復(fù)混凝土得以制備。同期4年后，把混合好的粘粘劑的有機(jī)材料置入新型實(shí)驗(yàn)的預(yù)制混凝土內(nèi)，超強(qiáng)力粘粘劑的纖維管為主要實(shí)驗(yàn)對象，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下觀察到混合了有機(jī)材料纖維的預(yù)制混凝土剛度發(fā)生了顯著恢復(fù)而且略有提高。(密歇根大學(xué)Victor等人)Motuku等人著重探討了纖維空心化在基體的位置以釋放修復(fù)劑過程。在1998年Tsuji提出構(gòu)想即用高吸水樹脂為自修復(fù)混凝土芯材來制備，在思維觀念上這是材料的技術(shù)革新，具有獨(dú)特的時(shí)代特征。隨后Lee等進(jìn)行了深入探討高吸水樹脂的實(shí)際應(yīng)用可能性，在2001年把微膠囊愈合載體使用到以環(huán)氧樹脂為芯材，研制出愈合且自修復(fù)的環(huán)氧樹脂膠囊的愈合比率高達(dá)75%。

在1997年南京航空航天大學(xué)發(fā)現(xiàn)了使用液芯光纖和記憶合金狀態(tài)以復(fù)合材料構(gòu)型中的裂縫采用自修復(fù)方式。此外，探討智能自修復(fù)AI混凝土與同濟(jì)大學(xué)習(xí)志臻、姚武等學(xué)者，與混凝土傳統(tǒng)構(gòu)成中混合比較新穎組成成分，例如特殊傳感器、混合膠黏劑的液態(tài)纖維芯材，以新的方式展示了智能型具有前瞻性的仿生自診斷、新時(shí)代獨(dú)立的自愈合智能體系。匡亞川等著重探討了即將含有愈合劑混合入水泥基材料中愈合效果(混入玻璃纖維管)。21世紀(jì)初期，國內(nèi)學(xué)者采取了不同的方法，即原位聚合法，以有機(jī)壁材以脲醛樹脂為代表，以有機(jī)膠黏劑為壁部材料的新型自愈合微型膠囊，有機(jī)膠黏劑為雙環(huán)戊二烯膠黏劑，隨后制備成功。隨后采取了長時(shí)間的技術(shù)修改和探討，在自溶型自我修復(fù)體系以及微生物自修復(fù)愈合技術(shù)，即微膠囊自修復(fù)混凝土、做了研究和申請(同濟(jì)大學(xué)最早在國內(nèi)進(jìn)行了自修復(fù)混凝土技術(shù)專利)。深圳大學(xué)展開了除國外微膠囊自愈合(修復(fù))混凝土相關(guān)專利的研究工作以及申請加入等。在東南大學(xué)申請了除國外首件以微生物為技術(shù)依托專利，其他例如沈陽建筑大學(xué)、長安大學(xué)、山東大學(xué)等眾多高校的相關(guān)科學(xué)技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在自愈合(修復(fù))混凝土相關(guān)研究專項(xiàng)也展開了相對較多體系完全的相關(guān)探討。并且申請了相關(guān)的技術(shù)專利。

五、自修復(fù)水泥基結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

目前除了一小部分的研究探討還處在初級理論研究探討和試驗(yàn)室摸索階段，并沒有形成完整的體系理論和提供可以開展實(shí)驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在修復(fù)劑自主愈合修復(fù)的相關(guān)探討方面已經(jīng)得到了并不是很多的進(jìn)展。但是很多問題依然沒有答案，例如在置入構(gòu)件后纖維或微膠囊后所呈現(xiàn)愈合效果的呈現(xiàn)規(guī)律比如力學(xué)性能發(fā)生變化和傳遞水分性能改變、膠囊形狀異變管狀膠囊尺寸依據(jù)(包括膠囊內(nèi)部的長度、壁部厚度以及二維自修復(fù)合整體中有關(guān)摻量的明確規(guī)定劃量、催化劑以及微細(xì)玻璃管(空心化)的制備、芯材在放出的過程中變化規(guī)律、自愈材料的使用時(shí)間、損壞寬度與膠囊放出愈合劑其中的判據(jù)、多次重復(fù)在荷載條件下的多次愈合問題等連續(xù)的困擾。與此同時(shí)，在從與之有關(guān)的方向來糾察自行修復(fù)技術(shù)的探討還比較貧瘠，傷痕自主修復(fù)的技術(shù)在最后要求抵達(dá)愈合裂縫傷痕的目標(biāo)，而混凝土表現(xiàn)出的傷痕區(qū)域分布狀態(tài)、尺寸區(qū)間、是否連通和傷痕形狀外貌都會(huì)對愈合表象產(chǎn)生特殊影響，科學(xué)地規(guī)定刻畫建筑材料可以展示的傷痕格局對探討自主愈合技術(shù)也非常的重要，一個(gè)完整的構(gòu)想是根據(jù)傷痕和構(gòu)件的形狀學(xué)角度進(jìn)行探討自主愈合技術(shù)在建筑復(fù)合材料中所含相對量分析結(jié)果。在現(xiàn)階段自主修復(fù)混凝土前景預(yù)測，獨(dú)立修復(fù)自主愈合混凝土技術(shù)是多種學(xué)科交叉性較強(qiáng)的新技術(shù)，它包含到土木工程、有機(jī)材料、化學(xué)等大的科學(xué)領(lǐng)域。為了獨(dú)立愈合(修復(fù))混凝土體系與相對技術(shù)的發(fā)展趨勢能夠較快實(shí)際使用于工程建筑，在眾多科學(xué)領(lǐng)域間互相交匯貫通，解決問題共同發(fā)展是最重要的。

即使在混凝土自愈合(修復(fù))技術(shù)還有較多重要技術(shù)性困難問題等待著人們?nèi)ゴ蜷_它們，包括獨(dú)立和自生自愈合(修復(fù))、功能與一體的水泥基建筑材料的相對智能化已成開始使現(xiàn)代建筑材料有新的發(fā)展趨勢。混凝土自主愈合(修復(fù))體系為建筑構(gòu)件微傷痕的修復(fù)愈合和有成效地減慢實(shí)際存在但并未發(fā)現(xiàn)的危害提出了新的解決方式，該體系會(huì)減少或消除人工的檢測以及外部維修補(bǔ)漏以及需要的大量費(fèi)用，節(jié)約建筑構(gòu)造以降低經(jīng)費(fèi)消耗、提高使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。自愈合(修復(fù))混凝土作為新型的智能建筑材料，是成為建筑材料構(gòu)造——智能一體系化的重要節(jié)點(diǎn)，打造智能體系完成智能建筑的產(chǎn)業(yè)升級。在大型土木基建的隨時(shí)愈合等各種各樣的問題有很多的處理辦法與解決方式，為實(shí)現(xiàn)建筑物的使用安全和耐久性增強(qiáng)都是重要的。

六、結(jié)語

對混凝土構(gòu)件進(jìn)行闡述，分析了國內(nèi)外關(guān)于自修復(fù)混凝土構(gòu)件的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了自修復(fù)水泥基材料混凝土構(gòu)件的研究方法。目前，中國關(guān)于自修復(fù)混凝土構(gòu)件的研究只有不到20年的時(shí)間，技術(shù)水平還不夠成熟。放眼未來建筑行業(yè)的發(fā)展前景，自修復(fù)混凝土構(gòu)件在建筑行業(yè)的地位必將大幅提升，并成為不可或缺的構(gòu)件。因此，對于自修復(fù)混凝土構(gòu)件的研究，還需要努力，要努力做到新型、環(huán)保、高效、低成本。加快讓自修復(fù)混凝土技術(shù)進(jìn)入實(shí)際工程是最重要的，未來關(guān)于自修復(fù)混凝土技術(shù)的研究將是大趨勢。