水泥基材料裂縫自修復技術的研究與進展

劉鵬

（內蒙古交通職業技術學院，赤峰024005）

1 前言

水泥基材料裂縫自修復的概念可以追溯到20 世紀90 年代，當時的研究主要集中于通過在材料中引入某些活性成分，使其在裂縫形成后能夠自行修復。隨著材料科學和生物學的發展，相關自修復技術發展極其迅速，為工程建設行業發展做出了有效貢獻。

2 水泥基材料裂縫自修復技術的概述

水泥基材料裂縫自修復是指在沒有外界修復措施的條件下，利用材料自身的性能對裂縫進行修復的技術。這種技術涉及材料科學、物理學、生物學等多個領域，是近年來水泥基材料研究的重要方向之一。根據作用機理，水泥基材料裂縫自修復可以分為主動愈合和被動愈合兩種技術。主動愈合技術需要在一定條件下，通過外界干預，如引入修復劑等，促使材料內部發生化學反應，進而實現裂縫的修復。被動愈合技術則是利用微生物或植物等生物體產生的代謝物質，如脲酶、細菌等，對裂縫進行修復[1]。這些生物體可產生礦物沉淀，如碳酸鈣等，填充裂縫，進而實現修復。水泥基材料裂縫自修復技術具有廣泛的應用前景，可以應用于橋梁、隧道、高速公路等基礎設施的維護和修復。這種技術不僅可以提高結構的安全性和耐久性，還可以降低維修成本和時間。

3 水泥基材料裂縫自修復技術的研究進展

3.1 水泥基材料裂縫主動愈合技術

3.1.1 微膠囊技術在水泥基材料裂縫自修復中的應用

微膠囊技術在水泥基材料裂縫自修復中扮演著重要的角色。微膠囊是一種微觀的封裝體，能夠包裹多種物質，包括修復劑、催化劑、生物活性物質等。當水泥基材料出現裂縫時，微膠囊中的修復劑可以在壓力、溫度等外界條件的作用下釋放出來，對裂縫進行修復，如圖1。微膠囊自修復技術，具體可以分為物理和化學兩類。

圖1 微膠囊觸發機理

（1）物理自修復微膠囊的觸發機制主要是利用了材料的形變和損傷。當水泥基材料出現裂縫或損傷時，微膠囊會因為受到外力的作用而發生破裂。一旦微膠囊破裂，封裝的修復劑就會被釋放出來，并隨著裂縫的擴展而滲透到材料的損傷部位[2]。這個過程就像給材料打了一劑“修復針”，讓材料在損傷后的自我修復能力得以發揮。（2）化學自修復微膠囊的觸發機制涉及化學反應。當微膠囊破裂后，修復劑和催化劑會與周圍的材料發生化學反應，產生一定的聚合反應而固化。這個過程可以填補裂縫，使材料的結構得到恢復，并提高材料的整體性能。當微膠囊進入到水泥基材料過程中，一方面微膠囊中的修復劑可以在材料內部形成微小通道，隨著時間的推移，修復劑逐漸滲透到裂縫中，對裂縫進行填充和修復[2]。另一方面，微膠囊還可以通過控制修復劑的釋放速度和釋放量，實現修復劑在裂縫中的均勻分布和有效利用，提高修復效果。通過微膠囊技術來修復水泥材料的裂縫，不僅能夠提高修復劑的使用效率，減少修復劑的浪費和損失，同時還能夠延長修復劑的作用時間，使得修復劑能夠在更長的時間內發揮作用。此外，微膠囊還能夠提高水泥基材料的耐久性和穩定性，降低材料的老化和損壞速度。

研究表明，微膠囊自修復技術的效果主要受微膠囊的穩定性影響。

微膠囊表面微米級的粗糙度，確保其可以與水泥基材料形成有效地吸附粘結。這種吸附粘結作用不僅使得微膠囊能夠在水泥中穩定存在，還為水泥的自修復功能提供了保障。然而，微膠囊的加入會對混凝土的性能產生一定的影響。盡管微膠囊能夠長期穩定地存在于水泥水化過程中，但它的加入會導致混凝土的孔隙增加。這些孔隙的形成可能是由于微膠囊在水泥中分布不均或微膠囊自身的存在所導致的。孔隙的增加會降低混凝土的力學性能，包括抗壓強度、抗拉強度等。為了平衡微膠囊在水泥中的穩定性和混凝土的性能，需要進行深入的研究和優化。例如，可以探索不同形狀、大小和材料的微膠囊對混凝土性能的影響，以及優化微膠囊的制備工藝，使其在水泥中具有更好的分散性和穩定性。此外，還可以通過添加其他組分或采用特殊工藝來改善混凝土的性能，以抵消由于微膠囊加入而產生的負面影響。

3.1.2 微生物技術在水泥基材料裂縫自修復中的應用

微生物技術在水泥基材料裂縫自修復中的應用是一種新興的技術，其基本原理是利用微生物的生長和代謝活動，對水泥基材料中的裂縫進行自我修復。這種技術的應用，可以顯著提高水泥基材料的耐久性和安全性。在微生物自修復劑的制備過程中，通常將微生物菌株和底物一起添加到混凝土中。一般是具有礦化沉淀能力的菌種，如硅酸鹽細菌、硫酸鹽還原菌等，這些菌株可以在混凝土中生長繁殖，并利用底物中的營養物質進行代謝活動，從而產生一些對裂縫修復有益的物質[3]。在微生物自修復劑的應用過程中，其作用機理可以分為三個階段。

第一階段：脲酶作用下尿素分解。脲酶是一種能夠分解尿素產生二氧化碳和氨氣的酶。在混凝土中，脲酶主要來自添加的微生物自修復劑。當混凝土開裂時，脲酶能夠分解尿素，產生的氨氣和二氧化碳都可以被微生物利用。氨氣和二氧化碳都可以作為微生物生長的營養來源。其中，氨氣可以提供氮元素，而二氧化碳可以提供碳元素。這些元素對于微生物的生長和繁殖至關重要。

第二階段：細菌有氧呼吸分解有機酸鈣。在第一階段的基礎上，微生物利用氨氣和二氧化碳進行生長和繁殖。當微生物生長到一定階段后，它們可以通過有氧呼吸分解有機酸鈣。這個過程可以產生一些對裂縫修復有益的物質，如鈣離子、硅酸鹽等。這些物質可以填充到裂縫中，使裂縫得到修復。

第三階段：細菌無氧呼吸分解有機碳為解為CO32—和HCO3-。當裂縫中的氧氣消耗殆盡時，微生物將進行無氧呼吸，分解產物與鈣離子反應生成碳酸鈣沉淀。這樣就能夠形成碳酸鈣結晶沉淀從而起到修復的作用。雖然經實驗室驗證，微生物技術在水泥基材料修復中可以獲得良好的效果，但是對于自然條件下，或者受外力荷載影響下的水泥材料修復試驗研究相對較少，該技術的應用仍有待實踐研究。

3.2 水泥基材料裂縫被動愈合技術

3.2.1 滲透結晶自修復技術在水泥基材料裂縫自修復中的應用

滲透結晶自修復技術是一種通過利用特定材料的特性，對混凝土結構中的微小裂縫進行修復的方法。在這種技術中，使用了一種特殊的防水材料，這種材料能夠滲透到混凝土的微小裂縫中，并在這個過程中發生化學反應，生成結晶體，從而堵塞裂縫，提高混凝土的防水性能。這種技術的關鍵在于所使用的材料，該類材料通常是一些具有高滲透性的材料，如水泥基滲透結晶型防水材料。這些材料在遇到濕氣時，會吸收濕氣中的水分，并發生化學反應，生成一種結晶體，這種結晶體可以填充混凝土的微小裂縫，提高混凝土的密實度，從而達到防水的目的[4]。

該技術在水泥基材料裂縫自修復中主要是受絡合結晶和沉淀結晶兩方面反應的影響。

（1）絡合結晶。在這個過程中，母料中的活性陰離子與水泥中的Ca2+離子結合，形成一種具有一定水溶性的鈣質絡合物。這種絡合物能夠依靠濃度梯度的原理，將鈣離子逐漸滲透到混凝土的內部及裂縫處。當鈣質絡合物與混凝土內部的陰離子相遇時，就會生成鈣質沉淀物，這些沉淀物會堵塞混凝土內部的孔隙和微裂縫。這個過程就是絡合結晶的過程，它能夠有效地修復混凝土內部的裂縫。

（2）沉淀結晶。在此過程中，活性母料會溶于水并滲透到混凝土內部，與Ca2+離子反應生成鈣質沉淀物。這些沉淀物會堵塞結構內部的孔隙和裂縫。水是發生沉淀結晶的必要條件，如果混凝土內部過于干燥，母料就會進入“休眠”狀態，一旦內部濕潤度足夠，它們又會重新被激活。這個過程就是沉淀結晶的過程，它能夠有效地修復混凝土內部的裂縫。在具體的反應過程中，絡合結晶和沉淀結晶是相互結合的。這兩種反應的相互結合能夠實現滲透結晶自修復的目的。它們能夠共同作用，有效地修復混凝土內部的微小裂縫，提高混凝土的防水性能和耐久性。該技術的修復效果受限于修復劑的滲透深度，由于修復劑主要依靠滲透作用進入裂縫，因此對于較深的裂縫，修復劑可能無法完全滲透，從而影響修復效果。并且修復機的價格也相對較高，并不適合大規模應用。未來，可以通過改進修復劑的配方和性能，提高其滲透深度和活性，同時還可以通過研究其他自修復技術，如微生物修復、納米材料修復等，與滲透結晶自修復技術相結合，形成更為綜合、有效的修復方法。

3.2.2 膨脹自修復技術在水泥基材料裂縫自修復中的應用

膨脹自修復技術在水泥基材料裂縫自修復中的作用機理主要涉及材料遇水膨脹的特性。這種技術使用了一種特殊的膨脹水泥基材料，當這種材料遇到水時，會經歷一個體積膨脹的過程。這個體積膨脹可以產生一定的壓力，這個壓力可以填充混凝土的微小裂縫，提高混凝土的密實度，從而達到防水的目的。在具體操作中，膨脹水泥基材料與水接觸時，材料中的某些成分會吸收水分并發生化學反應，導致材料的體積膨脹。隨著膨脹的持續進行，材料可以持續吸收水分并保持膨脹狀態。當混凝土結構中出現微小裂縫時，這些膨脹材料可以通過填充這些裂縫來提高混凝土的防水性能。此外，這種膨脹自修復技術的自我修復能力也與其作用機理密切相關。當混凝土結構出現新的微小裂縫時，這些膨脹材料能夠再次發生膨脹，對裂縫進行修復。這種自我修復的能力使得混凝土結構的防水性能得到了極大的提升。有研究人員對硫鋁酸鈣- 氧化鈣型膨脹劑在水泥基材料裂縫自修復中的表現進行了實驗研究[5]，通過位移控制方法制出寬度由表及里呈線性關系的裂縫，在早期的自修復過程中，硫鋁酸鈣在裂縫處產生的修復產物較多，這些產物主要是AFt（鈣礬石）。AFt 是一種具有良好水化性能的物質，能夠與混凝土中的Ca(OH)2反應，生成更加穩定的鈣礬石- 石膏復合材料，從而有效地修復裂縫。然而，在后期的自修復過程中，氧化鈣的表現也得到了明顯的改善。這主要是因為氧化鈣在遇到水后會產生Ca(OH)2，這種物質具有較好的粘結性和水化性，能夠有效地堵塞裂縫并提高混凝土的密實度。此外，氧化鈣還可以與CO2反應，生成CaCO3，這種物質具有良好的耐久性和穩定性，能夠有效地防止裂縫的進一步擴展。膨脹自修復技術的修復效果受到裂縫寬度以及水泥基材料成分的影響，裂縫寬度過大或者過小，都會影響該技術的應用效果，并且針對不同的水泥基材料，可能需要調整材料的配比和性能以滿足自修復的要求。

4 結論

綜上所述，水泥基材料裂縫自修復技術的研究與進展取得了顯著的成果。然而，仍存在許多挑戰和問題需要進一步研究和解決。未來，需要深入研究各種自修復技術的原理和性能，探索新的修復材料和方法，以提高修復效率、降低成本和改善耐久性。