混凝土裂縫自愈合性能探究和進(jìn)展

1、混凝土裂縫自愈合性能探究和進(jìn)展摘要：混凝土在受力或其它因素的作用下，會(huì)出 現(xiàn)裂縫，影響了混凝土的使用壽命，裂縫自愈合混凝土可以 在不影響結(jié)構(gòu)尺寸和美觀的情況下，在混凝土出現(xiàn)裂縫后， 自動(dòng)分泌出的粘結(jié)液流出深入裂縫，粘結(jié)液可使混凝土裂縫 重新愈合，恢復(fù)并提高混凝土的性能。關(guān)鍵詞：裂縫；自愈合；混凝土中圖分類號(hào)：tv543+. 6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a1裂縫的危害以及形成的原因土木工程結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土是最常使用的兩種材 料。但是，由于受到自身材料性能的限制，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 中總是存在著程度不同的裂縫，裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的使用性能及使 用壽命都會(huì)產(chǎn)生非常大的影響：一方面，在外荷載的作用下, 結(jié)構(gòu)的破壞都是由混凝

2、土中裂縫的逐漸發(fā)展所導(dǎo)致；另一方 面，裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致裂縫處鋼筋發(fā)生銹蝕，從而影響整個(gè) 建筑物的安全性及耐久性能。裂縫產(chǎn)生的原因可描述如下：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物在使用 過(guò)程中承受兩大類荷載：第一類荷載包括靜、動(dòng)荷載和其他 荷載；第二類荷載即變形荷載。結(jié)構(gòu)的裂縫就是由這兩大類 荷載引起的，概括起來(lái)裂縫的主要成因如下：1）由于外荷 載（動(dòng)、靜荷載）的直接作用引起的裂縫；2）由外荷載作用引起的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，由此產(chǎn)生裂縫；3）由變形引起的裂 縫，即結(jié)構(gòu)由溫度變化引起自身的收縮膨脹從而引起變形， 當(dāng)變形得不到滿足，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)某一 限值后產(chǎn)生裂縫。根據(jù)大量的調(diào)查資料，工程實(shí)際中的裂縫 產(chǎn)生的

3、原因，屬于變形變化（溫度、收縮、不均勻沉降）引 起的約占：）80%以上；屬于由荷載引起的約占20%左右。2混凝土本身的愈合能力在混凝土裂縫自愈合研究的初期階段，主要是基于混凝 土本身潛在的愈合能力的研究，實(shí)際體現(xiàn)在對(duì)于其機(jī)理和愈 合效果的研究。j. stefan（1 995）將混凝土試件凍融破壞 后，放置水中23個(gè)月后混凝土幾乎能全部恢復(fù)損失的共 振頻率，并且裂縫中有鈣磯石晶體和氫氧化鈣晶體。此實(shí)驗(yàn) 是在有水環(huán)境中且產(chǎn)生了水泥水化產(chǎn)物，這說(shuō)明混凝土自愈 合可能的形成原因是混凝土中未水化完全的水泥再次水化。 國(guó)內(nèi)也有學(xué)者做了這方面的實(shí)驗(yàn)和研究，并更進(jìn)一步得到確 切結(jié)論。程?hào)|輝、潘洪濤對(duì)混凝土的這

4、種自愈合現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究，得出了其愈合的四方面原因，其中水泥漿體水化就是主要原因。且對(duì)于3mm左右的裂縫,當(dāng)其暴露于水環(huán)境大于600小時(shí)，裂縫可以完全愈合。但是可愈合的裂縫寬 度在不同的情況下是否會(huì)改變?cè)撗芯坎⑽催M(jìn)行探索。于是又 有學(xué)者在這方面展開(kāi)了研究。姚武、鐘慧的研究發(fā)現(xiàn)混凝 土的自愈合能力存在一個(gè)損傷閾值，損傷小于損傷閾值時(shí) 隨損傷的增大，自愈合率也增大；損傷大于損傷閾值則隨損 傷的增大，自愈合率減小。李厚祥、唐春安等通過(guò)試驗(yàn)分 析得到了在一定水壓梯度下，一周后可能自愈合的混凝土裂 縫寬度。結(jié)果表明，水壓梯度越大，裂縫自愈合所容許的寬 度越小。劉小艷等對(duì)混凝土自愈合的性能做了試驗(yàn)研究

5、，試 驗(yàn)結(jié)果表明低等級(jí)水泥比高等級(jí)水泥同條件下的自愈合能 力強(qiáng)，摻入粉煤灰和碳纖維對(duì)混凝土的愈合能力都有提高。 這表明混凝土的成分會(huì)影響其愈合能力。通過(guò)他們的研究可以看出，混凝土本身的愈合能力非常 有限，不僅需要合適的濕度等條件，而且愈合較緩慢，即使 改變混凝土的成分，對(duì)其愈合能力的提高也滿足不了預(yù)期修 復(fù)水平。通過(guò)激發(fā)混凝土本身的愈合能力來(lái)修復(fù)結(jié)構(gòu)可行性 不大。3仿生學(xué)引起的方法生物有機(jī)體的顯著特點(diǎn)之一是具有再生機(jī)能，受到破壞 以后機(jī)體能自行修補(bǔ)創(chuàng)傷.骨是具有自修復(fù)和自適應(yīng)特性的 一個(gè)范例，圖1所示為骨的自修復(fù)過(guò)程。骨折后斷裂處的血 管破裂，血液由血管的撕裂處流出，形成以裂口為中心的血 腫，

6、繼而成為血凝塊，稱為破裂凝塊，并初步將裂口連接(圖 1(a).接著形成由新生骨組織組成的骨痂，位于裂口區(qū)內(nèi) 和周?chē)?圖1 (b).與此同時(shí)，裂口內(nèi)的纖維骨痂變成軟骨， 進(jìn)一步增生而形成中間骨痂，然后中間骨痂和內(nèi)外骨痂合 并，在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的共同作用下將原始骨痂改造成 正常骨(圖1 (c)o在修復(fù)過(guò)程中新骨在變形處凹面形成，而 老骨從變形處凸面去除。自修復(fù)是生物體在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中 形成的一種自我保護(hù)、自我恢復(fù)的方式，是對(duì)外界損傷的敏 感響應(yīng)。人們從生物體系統(tǒng)中得到啟示，希望在混凝土結(jié)構(gòu)中得 到與生物體中相類似的修復(fù)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土中出現(xiàn)裂縫或損 傷時(shí)，能夠觸發(fā)一種自動(dòng)的修復(fù)反應(yīng)，自動(dòng)愈合?，F(xiàn)

7、已經(jīng)發(fā) 展好幾種裂縫仿生自復(fù)技術(shù)，圖2為混凝土自修復(fù)技術(shù)流程 圖及相關(guān)的問(wèn)題，其一為封閉裂縫自修復(fù)，其二為填充裂縫 自修復(fù)。3. 1封閉裂縫自修復(fù)混凝土封閉裂縫自修復(fù)混凝土形狀記憶合金性能穩(wěn)定，電阻率 大，對(duì)應(yīng)變敏感，可恢復(fù)應(yīng)變大；當(dāng)恢復(fù)受到約束時(shí)能產(chǎn)生 較大的恢復(fù)力。利用形狀記憶合金的這些特性，將形狀記憶 合金或聚合物預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生裂縫的部位或構(gòu)件，可制成裂縫 白監(jiān)測(cè)、自修復(fù)機(jī)敏混凝土.在外力作用下混凝土產(chǎn)生變形, 形狀記憶合金將隨之產(chǎn)生應(yīng)變.當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫 時(shí)，裂縫處的形狀記憶合金絲的應(yīng)變?cè)龃?，從而?dǎo)致其內(nèi)部 電阻值發(fā)生變化。根據(jù)事先測(cè)定的形狀記憶合金絲應(yīng)變與電 阻值的

8、關(guān)系，由測(cè)定電阻變化值的單片機(jī)就可自動(dòng)確定實(shí)際 裂縫的寬度，由形狀記憶合金絲的埋置位置，單片機(jī)就可確 定是那根結(jié)構(gòu)件或何處發(fā)生裂縫，從而可實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)裂 縫的自診斷、自監(jiān)測(cè).一旦裂縫的寬度超過(guò)允許的限值時(shí)， 單片機(jī)啟動(dòng)接通電流的裝置，通電激勵(lì)形狀記憶合金使之產(chǎn) 生形狀恢復(fù)效應(yīng)。形狀記憶合金恢復(fù)時(shí)對(duì)裂縫面施加壓應(yīng) 力，抑制裂縫的開(kāi)展，并且迫使裂縫合攏、閉合，使混凝土 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度和變形恢復(fù)。形狀記憶合金使兩裂縫面重新 結(jié)合到一起，減少了裂縫末端的應(yīng)力集中，沒(méi)有應(yīng)力集中裂 縫將不再擴(kuò)展，因此混凝土裂縫實(shí)際上被修復(fù)。3.2填充裂縫自修復(fù)混凝土填充裂縫自修復(fù)混凝土是在混凝土中布置許多細(xì)小纖 維（或

9、多孔的形狀記憶合金）管道，管中裝有修復(fù)劑（交聯(lián)聚 合物或溶劑），或在混凝土中摻入內(nèi)含修復(fù)劑的空心膠囊， 在外界環(huán)境作用下，一旦混凝土開(kāi)裂或出現(xiàn)損傷，內(nèi)裝的修 復(fù)劑流出滲入損傷處，填充裂縫，并在兩裂縫面之間形成黏 結(jié)，使其愈合.其中的修復(fù)反應(yīng)是通過(guò)裂縫末端壓力場(chǎng)來(lái)引 發(fā)的，增加的壓力將使空心膠囊和纖維破裂或使多孔的形狀 記憶合金變形，修復(fù)劑由裂縫所創(chuàng)造的通道表面的毛細(xì)作用 從膠囊和纖維中傳送到裂縫面，或由形狀記憶合金的收縮產(chǎn) 生的壓力傳送到裂縫區(qū)；然后通過(guò)射線、附加化學(xué)物質(zhì)（對(duì) 于多成分的修復(fù)劑），或溫度的改變來(lái)觸發(fā)修復(fù)劑發(fā)生聚合 反應(yīng)，修復(fù)裂縫及損傷。在傳統(tǒng)的人工修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫 方法中，修

10、復(fù)劑貯存在結(jié)構(gòu)的外部容器中，修復(fù)時(shí)將修復(fù)劑 的各組份混合在一起并調(diào)勻，通過(guò)壓力使其傳送到損傷區(qū)， 形成黏結(jié)、修復(fù)裂縫.因此，要使混凝土具有白行修復(fù)性且 相當(dāng)?shù)乜焖?，必須解決好3個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：a、修復(fù)劑的貯 存；b、修復(fù)劑至損傷處的傳送；c、修復(fù)功能的觸發(fā)。混凝土及其結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境，在受到損傷后自行 修復(fù)，是解決結(jié)構(gòu)中的混凝土材料損傷的最佳途徑。但是如 何適時(shí)地快速地修復(fù)混凝土材料的損傷，以及對(duì)混凝土的自 修復(fù)機(jī)理的研究，直到近年來(lái)，隨著機(jī)敏混凝土和仿生混凝 土研究熱的興起，才引起人們的重視.所有的研究大致集中 在3個(gè)方面：內(nèi)置纖維管自修復(fù)混凝土、內(nèi)置膠囊自修復(fù)混 凝土、形狀記憶合金智能自

11、修復(fù)混凝土。3. 2.1內(nèi)置纖維管自修復(fù)混凝土在仿生自愈合混凝土的初期研究中，一般的思路是模仿 動(dòng)物受傷后流出血液進(jìn)行愈合，于是主要的模型是在纖維管 中注入高強(qiáng)度的膠粘劑。美國(guó)carolyn dry舊 在1990年發(fā) 表的文章中提出了一種混凝土裂縫自愈合的方法，即通過(guò)預(yù) 埋含有膠粘劑的纖維，用加熱的方式啟動(dòng)修復(fù)?？梢哉f(shuō)這是 仿生自愈合混凝土研究的開(kāi)始。dry carolyn還嘗試了其他 方法。他將多孔的纖維網(wǎng)預(yù)埋在磷酸鈣水泥（含單聚物）中， 多孔纖維會(huì)釋放出引發(fā)劑，引發(fā)水泥中的單聚物反應(yīng)形成髙 聚物，反應(yīng)生成的水又進(jìn)一步與水泥中未水化的粒子發(fā)生水 化反應(yīng)。另外，他試驗(yàn)了一種由甲基丙烯酸甲酯（m

12、ma）,過(guò) 氧化氫和鉆組成的修復(fù)系統(tǒng)，將mma與后兩種試劑中的一種 混合注入纖維管，與注入了余下的另一試劑的纖維管同時(shí)預(yù) 埋到混凝土中，纖維管隨混凝土開(kāi)裂而破裂后三種試劑混合 會(huì)形成強(qiáng)度極大的物質(zhì)從而修復(fù)裂縫。3. 2.2內(nèi)置膠囊自修復(fù)混凝土膠囊對(duì)膠粘劑容器進(jìn)行改革，產(chǎn)生了一種新的仿生自愈合方法，即以膠囊包裹膠粘劑，分散在混凝土中。這種方法 比用纖維管更能將修復(fù)劑分布均勻，能使修復(fù)液覆蓋區(qū)域更 廣，從而更迅速地到達(dá)破損位置。日本三橋博三等 將注有 膠粘劑（分別是水玻璃，環(huán)氧樹(shù)脂等）的空心膠囊摻入混凝土 中，當(dāng)混凝土開(kāi)裂，膠囊隨之破裂，膠粘劑流出對(duì)裂縫進(jìn)行 修復(fù)。3. 2. 3形狀記憶合金形狀記

13、憶合金（簡(jiǎn)稱sma）具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能。根據(jù)需要，sma元件可以在1 00°c以下的某個(gè)設(shè)定溫 度產(chǎn)生動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備或裝置的自動(dòng)控制或保護(hù)：也可以 按作用力的大小設(shè)計(jì)sma驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作反應(yīng)時(shí) 間可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因?yàn)閟ma的這種性能, 它被應(yīng)用到了自愈合混凝土的研究中，以期通過(guò)溫度或者應(yīng) 力控制來(lái)達(dá)到混凝土感知，并進(jìn)行反應(yīng)的目的。4現(xiàn)階段存在的問(wèn)題裂縫仿生自修復(fù)混凝土是一種智能材料，埋入在混凝土 材料中的功能元件，使其變得有"感覺(jué)”和"知覺(jué)"，能夠 對(duì)外界環(huán)境變化自動(dòng)做出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并具有自我修復(fù)功 能，研究難度較大。

14、雖然國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)混凝土裂縫仿 生自修復(fù)開(kāi)展了許多重要的工作，取得了一定的修復(fù)效果， 但是如何適時(shí)地快速地修復(fù)混凝土材料的損傷，尚處于起步 階段，沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論和應(yīng)用方法。要加快自修復(fù)混凝土的實(shí)用化進(jìn)程，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行以下幾 方面的研究：（1）修復(fù)纖維和修復(fù)膠囊的選擇.在摻入含有 修復(fù)劑的空心纖維或空心膠囊的修復(fù)方法中，存在玻璃纖維 或膠囊的制備工藝復(fù)雜，與混凝土原材料共同攪拌破裂等一 系列問(wèn)題.因此，進(jìn)一步研制和開(kāi)發(fā)一種強(qiáng)度較低、性能與 混凝土材料性能相匹配的智能材料來(lái)取代現(xiàn)有的玻璃修復(fù) 膠囊和玻璃修復(fù)纖維是必須解決的問(wèn)題.（2）修復(fù)材料的數(shù) 量.修復(fù)膠囊（或纖維）太少不能形成完全修復(fù)，

15、多了對(duì)混凝 土材料的宏觀性能有一定的影響.因此，應(yīng)進(jìn)一步研究由于 修復(fù)膠囊（或纖維）的摻入給混凝土性能帶來(lái)的不利影響，同 時(shí)結(jié)合修復(fù)后混凝土的強(qiáng)度回復(fù)率、裂縫封閉率、混凝土的耐久性以及斷裂能等，確定其數(shù)量的最佳取值范圍.（3）修 復(fù)材料的時(shí)效.所有的修復(fù)方法都牽涉到時(shí)間落后的問(wèn)題, 形狀記憶合金或聚合物都需要時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)化，修復(fù)劑在裂縫面 上的擴(kuò)散以及修復(fù)劑固化等都需要一定的時(shí)間.因此應(yīng)對(duì)形 狀記憶合金和修復(fù)膠黏劑的性能進(jìn)行深一步的研究，提高形 狀記憶合金的響應(yīng)速度，研制和開(kāi)發(fā)低黏度、快速硬化的修 復(fù)膠黏劑.（4）修復(fù)劑的補(bǔ)給.在裂縫修復(fù)時(shí)，當(dāng)一條裂縫 愈合，必然在修復(fù)纖維中出現(xiàn)一個(gè)"空

16、位”，盡管此時(shí)新缺 陷的危險(xiǎn)性小于原裂縫，但顯然會(huì)影響材料性能.因此，對(duì) 修復(fù)過(guò)程中的修復(fù)劑的補(bǔ)給應(yīng)進(jìn)一步的研究，建立快速的補(bǔ) 給體系，以保證損傷處有足夠多的修復(fù)劑.對(duì)于多次修復(fù)的 可行性也有待于進(jìn)一步深入地研究和討論.（5）修復(fù)劑的傳 輸.生物體內(nèi)的物質(zhì)傳輸是通過(guò)體內(nèi)縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí) 現(xiàn).比如動(dòng)物體內(nèi)血液傳輸是由許多動(dòng)、靜脈血管及無(wú)數(shù)毛 細(xì)血管完成.同時(shí)，心臟的跳動(dòng)為血液的流動(dòng)提供了必要的 能量.在自修復(fù)過(guò)程中修復(fù)劑的傳輸僅靠其自身的滲透是一 個(gè)很緩慢甚至較難進(jìn)行的過(guò)程，因此應(yīng)向修復(fù)管道內(nèi)施加適 當(dāng)?shù)膲毫?，以促進(jìn)修復(fù)劑的流動(dòng).管內(nèi)壓力與修復(fù)質(zhì)量關(guān)系, 管內(nèi)壓力與修復(fù)范圍的關(guān)系，以及修復(fù)劑的

17、釋放速度等這些 問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究.（6）裂縫寬度的控制.裂縫寬度必 須控制，否則的話，將需要大量的修復(fù)管，這將影響混凝土 的性能.就是不考慮修復(fù)劑的量，最大的裂縫允許寬度也受 驅(qū)動(dòng)機(jī)理有效性的限制，驅(qū)動(dòng)修復(fù)劑到基體裂縫中是依靠裂 縫所創(chuàng)造的狹窄通道表面的毛細(xì)管作用，而修復(fù)管內(nèi)的毛細(xì) 管作用力抑制修復(fù)劑流出，因此裂縫寬度應(yīng)該被限制在小于 修復(fù)管的內(nèi)直徑范圍內(nèi).此外，裂縫過(guò)寬，修復(fù)劑將順著裂 縫面在重力作用往下流，而不會(huì)在裂縫面上滲透，修復(fù)效果 差，而且纖維管上方的裂縫也無(wú)法修復(fù).因此，要想達(dá)到理 想的修復(fù)效果，實(shí)現(xiàn)裂縫的快速地在線修復(fù)，對(duì)控制裂縫寬 度的方法進(jìn)行深一層的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。（7

18、）主動(dòng)和被動(dòng) 修復(fù).在主動(dòng)加熱熔化纖維表面的石蠟，從纖維管壁的孔隙 中釋放修復(fù)劑修復(fù)混凝土裂縫的技術(shù)中，修復(fù)劑的釋放時(shí)間 可由人工控制，但需要主動(dòng)傳感器和外界能源，加熱對(duì)混凝 土的性能有一定的影響.而在從纖維管（或膠囊）的破裂釋放 修復(fù)劑的被動(dòng)修復(fù)中，纖維管（或膠囊）的破裂就是驅(qū)動(dòng)修復(fù) 劑釋放的傳感器，釋放位置是預(yù)定的，但膠黏劑的釋放時(shí)間 不易控制。因此，應(yīng)結(jié)合兩種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步研究 既能控制修復(fù)時(shí)間又能控制修復(fù)位置，且能夠根據(jù)混凝土損 傷程度、裂縫的寬度大小自動(dòng)調(diào)整修復(fù)劑的流出量，而且比 較經(jīng)濟(jì)的智能修復(fù)技術(shù).結(jié)語(yǔ)本文主要介紹了混凝土裂縫仿生自修復(fù)技術(shù)和國(guó)內(nèi)外 混凝土裂縫仿生自修復(fù)的研究現(xiàn)狀.雖然自修復(fù)混凝土的理 論還有待進(jìn)一步的完善，它在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍處于嘗試階 段，但是隨著人們對(duì)自修復(fù)混凝土研究工作的深入開(kāi)展，利 用其自行修復(fù)性，為混凝土材料的安全使用和維護(hù)保障提供 可靠的技術(shù)保證是現(xiàn)實(shí)可行的，裂縫自修復(fù)混凝土在結(jié)構(gòu)中 的