自修復(fù)混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展

1、自修復(fù)混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展    摘要：自修復(fù)是生物的重要特征之一。自修復(fù)的核心是物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給，其過程由生長活性因子來完成5。自修復(fù)混凝土是模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生，恢復(fù)機(jī)理，采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，對(duì)材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。 關(guān)鍵詞：自修復(fù) 混凝土  1 自修復(fù)混凝土的基本特征自修復(fù)是生物的重要特征之一4。自修復(fù)的核心是物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給，其過程由生長活性因子來完成5。自修復(fù)混凝土是模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生，恢復(fù)機(jī)理，采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的

2、方法，對(duì)材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。據(jù)此，學(xué)者們?cè)O(shè)想具有自修復(fù)行為的智能材料模型為，在材料的基體中布有許多細(xì)小纖維的管道。管中裝有可流動(dòng)的物質(zhì)修復(fù)劑。在外界環(huán)境作用下，一旦材料基體開裂，則纖維隨即裂開，其內(nèi)裝的修復(fù)劑流淌到開裂處，由化學(xué)作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)粘合，從而抑制開裂修復(fù)材料。這可以提高開裂部分的強(qiáng)度，增強(qiáng)延性彎曲的能力，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能6。若采用低模量的膠粘劑修復(fù)混凝土，則可以改善建筑結(jié)構(gòu)的阻尼特性，以減輕地震的大風(fēng)對(duì)建筑物的破壞；如果膠粘劑彈性模量較大，則可以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度；不同凝固時(shí)間的膠粘劑可以用于對(duì)結(jié)構(gòu)的彎曲進(jìn)行控制。自修復(fù)混

3、凝土，從嚴(yán)格意義上來說，應(yīng)該是一種機(jī)敏混凝土。機(jī)敏混凝土是一種具有感知和修復(fù)性能的混凝土,是智能混凝土的初級(jí)階段,是混凝土材料發(fā)展的高級(jí)階段7。由這種材料構(gòu)建的混凝上結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋和損傷后，如何利用自身的材料特性達(dá)到自修復(fù)、自鈍化，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)起到自防護(hù)的作用，是我們關(guān)注的主要問題。近年來,損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機(jī)敏混凝土的相繼出現(xiàn)為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來，可在自修復(fù)混凝土的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入信息科學(xué)的內(nèi)容，如感知、識(shí)別和驅(qū)動(dòng)控制等。從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境、材料結(jié)構(gòu)和健康狀況的自診斷和自修復(fù)等目的。使其具有多種完善的仿生功能，包括骨

4、骼系統(tǒng)（基材）提供的承載能力，神經(jīng)系統(tǒng)（傳感網(wǎng)絡(luò)）提供的檢測(cè)和感知能力，肌肉系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)元件）提供的康復(fù)能力，真正達(dá)到混凝土材料的結(jié)構(gòu)智能一體化的境界82 國內(nèi)外的研究狀況與存在的問題智能混凝土是材料學(xué)的一個(gè)研究分支，其起源可追溯到上世紀(jì)六十年代，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)科學(xué)家采用碳墨為導(dǎo)電組分制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。八十年代末期，日本土工程界的研究人員設(shè)想并著手開發(fā)構(gòu)筑高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對(duì)混進(jìn)變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。美國在1993年，由于有國家科學(xué)基金的資助，開辦了與土木建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。然而，正如前面所說，智能混凝土材料是具有若干個(gè)S行為的材料9,即具有自我診斷功能(s

5、elf-diagnosis)、自我調(diào)節(jié)功能(self-tuning)、自我恢復(fù)功能(self-recovery)、自我修復(fù)功能(self-repair)等多種功能的綜合,缺一不可，以目前的科技水平，制備完善的智能混凝土材料是相當(dāng)困難的，也是不現(xiàn)實(shí)的。2.1 國外的研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)外雖然先后開展了智能仿生混凝土的研究，并取得了一些有價(jià)值的成果。如相繼出現(xiàn)的水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料、水泥基磁性復(fù)合材料、具有屏蔽磁場(chǎng)和電磁波的水泥基復(fù)合材料、損傷自診斷水泥基復(fù)合材料、自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度的水泥基復(fù)合材料等。但是如何對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋和損傷進(jìn)行及時(shí)、有效、快速的修復(fù)和愈合，還未形成比較完善的理論和成熟

6、的工藝技術(shù)，目前只有美國、日本等少數(shù)國家處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，尚未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。研究混凝土裂紋的自防護(hù)最早可以追溯到1925年10，Abram發(fā)現(xiàn)混凝上試件在抗拉強(qiáng)度測(cè)試開裂后，將其放在戶外8年，裂紋竟然愈合了，而且強(qiáng)度比先前提高了兩倍。后來挪威學(xué)者Stefan Jacobsen的研究也表明，混凝土在凍融循環(huán)損傷后，將其放置在水中23個(gè)月，混凝土的抗壓強(qiáng)度有了45的恢復(fù)。在混凝土裂紋自防護(hù)問題上，國內(nèi)外的研究者提出了各種方法。研究者受生物界的啟示，模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法，使材料損傷破壞后具有自行修復(fù)和再生功能。在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特殊

7、組分或者在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土材料出現(xiàn)裂紋時(shí)，部分膠粘劑流出并深入裂縫，使混凝土裂縫重新愈合。美國加州大學(xué)伯克利分校的日本學(xué)者J.-S.Ryu 和東京理工大學(xué)的Nobuaki Otsuki教授應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土裂縫實(shí)施愈合作了一些研究11，并取得了一定實(shí)驗(yàn)性成果。首先，他們?cè)?00×100×200mm混凝土試件上預(yù)制裂紋，可以是表面裂紋也可以是穿透裂紋，然后將帶有預(yù)制裂紋的試件浸泡在0.1mol/L的MgC12或Mg(NO3)2溶液中，施加電流密度為0.51.0A/m2的直流電源。由于裂紋尖端附近存在更高的電流密度，電沉積先在裂紋尖端形成

8、，裂紋尖端的曲率半徑逐漸增大，最后可以達(dá)到完全鈍化；然后，在混凝土表面覆蓋約0.52mm的電沉積物。在通電的前兩個(gè)星期內(nèi)，裂紋閉合速度最快，48個(gè)星期后，裂縫幾乎完全閉合，而且滲透率降低了。還有學(xué)者在混凝土中摻入特殊的活性無機(jī)料和有機(jī)化合物，依靠自身的進(jìn)一步水化反應(yīng)和有機(jī)物在堿性條件下緩慢硬化的特性，使混凝土裂紋達(dá)到自修復(fù)、自鈍化的目的。九十年代初期，日本東北大學(xué)學(xué)者三橋博三12教授將內(nèi)含膠粘劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中，分別用水玻璃、稀釋水玻璃和環(huán)氧樹脂作為修復(fù)劑，將其注入空心膠囊或空心玻璃纖維中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心纖維破裂，膠粘劑流出深入裂縫，膠粘劑可

9、使混凝土裂縫重新愈合。他們的試驗(yàn)方法是：通過制作齡期為7天和28天的混凝土試件，來測(cè)試經(jīng)不同修復(fù)劑修復(fù)開裂后，混凝土試件的強(qiáng)度恢復(fù)率。日本學(xué)者沼尾達(dá)彌13還研究了自修復(fù)混凝土中的不同的纖維摻量、尺寸和不同的水灰比等因素對(duì)混凝土自修復(fù)產(chǎn)生的影響，直徑為3mm5mm，摻量 35的玻璃纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響差別不大。但是過多的摻入玻璃纖維，將會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降。不同水灰比對(duì)修復(fù)混凝土抗壓強(qiáng)度也有較大的影響，水灰比越大，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低。1994年，美國Illinois大學(xué)的Carolyn Dry教授將縮醛高分子溶液作為膠粘劑注入到玻璃空心纖維或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，從而形成了

10、智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)損傷和裂紋時(shí)，管內(nèi)或短管內(nèi)裝的修復(fù)劑流出滲入裂縫，由于化學(xué)作用使修復(fù)膠粘劑固結(jié)，從而抑制開裂，修復(fù)裂縫。修復(fù)后的混凝土試件經(jīng)過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其強(qiáng)度比先前還有了較大提高，并且材料的延性也得到了較大的改善3,6。1995年，美國國家科學(xué)基金會(huì)和Illinois大學(xué)合作，提出了用充滿修復(fù)膠粘劑的具有傳感功能的裝置來感知混凝土構(gòu)件的開裂，并使其愈合的可能性，實(shí)現(xiàn)混凝土的自診斷、自修復(fù)14。1996年，美國Illinois大學(xué)的ATRE實(shí)驗(yàn)室在混凝土橋面內(nèi)預(yù)裝有低模量的內(nèi)含修復(fù)膠粘劑的修復(fù)管，混凝土產(chǎn)生橫向收縮時(shí)，橫向收縮應(yīng)變使管破裂，修復(fù)膠

11、粘劑從管中留出，填充愈合橋面的裂縫15。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法用來修復(fù)橋面橫向收縮引起的裂縫是可行的。由于修復(fù)膠粘劑彈性模量低，裂縫愈合區(qū)比未開裂前有更大的承受變形的能力。在此基礎(chǔ)上, Carolyn Dry教授還根據(jù)動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土材料16。其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料并在其中加入多孔的編織纖維網(wǎng)，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。由此，在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)，它們互相穿插粘接，最終形成的復(fù)合材料是與動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機(jī)有機(jī)相結(jié)合的復(fù)合材料，其性能具有優(yōu)異的

12、強(qiáng)度及延性。而且，在材料使用過程中，如果發(fā)生裂紋或損傷，多孔有機(jī)纖維會(huì)釋放高聚物，愈合裂紋或損傷。日本學(xué)者HHilalshi17和英國學(xué)者SMBleay18分別在1998、2001年采用類似的方法研究了混凝上裂紋的自防護(hù)問題。2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)對(duì)智能材料結(jié)構(gòu)的研究一般都集中在對(duì)它的自診斷、自適應(yīng)功能的研究上，對(duì)于自修復(fù)的研究尚處于起步階段。南京航空航天大學(xué)的智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在我國的智能復(fù)合材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。在1997年，他們研究了利用形狀記憶合金（SMA絲）和液芯光纖對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行自診斷、自修復(fù)的方法。對(duì)總體方案進(jìn)行了分析,采用E44和E51

13、的環(huán)氧樹脂，做了初步的試驗(yàn)：在混凝土中埋入形狀記憶合金和液芯光纖，光纖的出射光由光敏管接受，當(dāng)損傷發(fā)生時(shí),由液芯光纖組成的自診斷、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)使膠液流入損傷處，同時(shí)局部激勵(lì)損傷處的SMA短纖維,產(chǎn)生局部壓應(yīng)力,使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出,對(duì)損傷處進(jìn)行自修復(fù)19,而且當(dāng)液芯光纖內(nèi)所含的膠粘劑流到損傷處后，SMA激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生得熱量，將大大提高固化的質(zhì)量，使得自修復(fù)完成得更好。2001年，南京航空航天大學(xué)的楊紅20提出了利用空心光纖來實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的自診斷、自修復(fù)。該文首創(chuàng)了用于智能結(jié)構(gòu)的空心光纖研究方法，并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究。此外，還設(shè)計(jì)了埋入空心光纖的復(fù)合材料診斷與修復(fù)系統(tǒng)用于檢測(cè)復(fù)合材料損傷程度與位置以及對(duì)損傷處進(jìn)行自修復(fù)等。在復(fù)合材料中，還埋入了形狀記憶合金(SMA)絲以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、安全和可靠性。研究的對(duì)象是紙蜂窩和樹脂基兩種復(fù)合材料，利用空心光纖注膠的方法進(jìn)行了復(fù)合材料自修復(fù)的研究。實(shí)驗(yàn)表明，修復(fù)后的紙蜂窩復(fù)合材料完全達(dá)到正常材料的使用性能，樹脂基復(fù)合材料在完全破壞的情況下，經(jīng)修復(fù)后，材料的拉伸和壓縮性能得到很大的恢復(fù)。同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研究的仿生自診斷和自修復(fù)智能混凝土是模仿生物對(duì)創(chuàng)傷的感知和生物組織對(duì)創(chuàng)傷部位愈合的機(jī)能