自愈混凝土（1）

   1.概念

   自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生，恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。

　　2．背景

　　混凝土是一种典型的脆性材料，在使用过程中会在外力或其他因素作用下，产生微开裂或局部损伤，造成力学性能和耐久性能降低，甚至还可能引发宏观裂缝并出现脆性断裂，产生灾难性事故，给社会造成难以挽回的损失。而目前无论是在道路桥梁还是房屋土建工程，混凝土的运用都非常广泛，混凝土在工程中应用越来越普遍，越来越重要，因此混凝土裂缝修复成为了学术界和工程界的研究热点。裂缝的修复方式大致可分为两种:一种是传统的事后修复方式或定时修复，这种修复大多针对肉眼能看到的裂缝，修复部位一般为混凝土易损伤处，且受修复材料限制，容易产生二次开裂，随着技术的发展，混凝土越来越多地被应用到地下建筑物、核电站及储存剧毒物质装置等特殊环境，这种停留在被动和训一划模式下的修复方式已不能适应当前对混凝土材料的要求；另一种为自愈合自修复，能够使混凝土裂缝在早期得到控制和修复，避免宏观裂缝的产生及因渗透而带来的危害，确保了建筑物的安全和耐久性，从而解决了传统方法难以解决和无法解决的问题。混凝土按其自愈合和自修复作用方式的不同可以分为:自然自愈合、工程自愈合、被动修复和主动修复等。

　　3．研究进展

　　自从1925年Abram的一个偶然发现，拉开了自修复混凝土发展的序幕。他将进行过混凝土抗弯拉试验并已经产生裂缝了的混凝土试件随意扔在户外长达8年之久，偶然的一天他发现此混凝土试件的裂缝居然已经愈合了。带着惊喜和困惑他再次将此开裂后自动愈合的混凝土试件进行抗弯拉试验，此时他发现这些混凝土试件的强度竟然达到了以前强度值的三倍。这个发现让人们对自修复混凝土的研究燃起了希望。

　　后来有个挪威学者Stefan Jacobsen进行这方面的研究也发现，将混凝土进行冻融循环损伤以后，再将这个混凝土试件放在水中保持2-3个月的时间，重新再做混凝土的抗压强度试验时发现试件的强度有了4%-5%的恢复。

　　东京理工大学的Nobuaki Otsuki教授和美国加州大学伯克利分校的日本学者J. S. Ryu用电化学技术研究了钢筋混凝土裂缝的愈合，取得了可观的成果。首先，他们在100 X 100 X 200mm混凝土试件上预制表面裂纹或者穿透裂纹，然后将这开裂的试件浸泡在0. lmol/L Mg (N0) z或者MgClz溶液中，再施加直流电源，电流密度为:0. 5 -1. OA/m2。裂纹尖端附近电流密度更高，电沉积首先在裂纹尖端形成，裂纹尖端的曲率半径逐渐增大，最后达到完全钝化，从而在混凝土表面覆盖约0. 5-2mm的电沉积物，逐渐修复裂缝。裂缝闭合在通电的前两个星期速度最快，约4-8个星期的时间，裂缝几乎完全愈合，并且渗透率也降低了。还有一些学者在开裂的混凝土中加入特殊的活性无机料和有机化合物，靠混凝土的进一步水化和有机物在碱性条件下会缓慢硬化的特性，使带有裂缝的混凝土达到裂缝自修复、自钝化的目的。

　　 九十年代初期，日本东北大学的学者三桥博三教授将内含修复剂的玻璃纤维或空心胶囊掺入到混凝土中，分别用环氧树脂、水玻璃和稀释水玻璃作为修复剂。将修复剂注入空心玻璃纤维或空心胶囊中，当混凝土在外力作用下发生开裂时，空心纤维或胶囊破裂，修复剂流出覆盖满裂缝，使混凝土裂缝重新愈合。他们制作了龄期为7天和28天的混凝土试件，测试经不同修复剂修复裂缝后，混凝土试件的强度恢复率约达6%。

　　日本学者沼尾达弥研究了自修复混凝土的性能。研究了在自修复混凝土中不同纤维掺量、尺寸和不同水灰比等因素对自修复混凝土性能的影响。研究得出:直径为3mm^5mm，掺量3%^5%的玻璃纤维对混凝土抗压强度影响不大，但是玻璃纤维掺量过大，会导致混凝土强度下降:水灰比对修复混凝土抗压强度有较大影响，水灰比越大，混凝土抗压强度越低。

　　1994年，Carolyn Dry教授(美国工llinois大学)将载有胶粘剂(缩醛高分子溶液)的载体(空心玻璃短管或者玻璃空心纤维)加入到混凝土材料中，配制成具有智能型仿生自愈合神经网络系统的自修复混凝土。自修复混凝土结构一旦受到外界作用出现损伤或者裂缝时，载体内的胶劲剂修复液就会流出渗入到裂缝，使混凝土裂缝愈合。将经过自修复胶劲剂修复后的混凝土试件再次进行混凝土抗弯拉试验，发现试件的强度比先前还高，并且混凝土材料的延性也得到了很大的改善。

　　南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室，在我国的智能复合材料研究领域处于领先地位。1997年，他们研究了利用液芯光纤和形状记忆合金(SMA丝)对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。对总体方案进行了分析，用环氧E44和环氧E51做了初步试验:将液芯光纤和形状记忆合金埋入混凝土中，光纤的出射光由光敏管接受，当混凝土发生损伤时，由液芯光纤组成的自诊断、自修复网络使胶液流入损伤处，同时局部激励损伤处的SMA短纤维，产生局部压应力，使损伤处的液芯光纤断裂，胶液流出，对损伤处进行自修复，而且当液芯光纤内所含的胶粘剂流到损伤处后，SMA激励时所产生的热量，将大大提高固化的质量，使得自修复完成得更好。

　　2011年，南京航空航天大学的学者杨红提出:利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。该文首创将空心光纤用于智能结构中的研究方法，设计了埋入空心光纤的复合材料的诊断与修复系统，用于检测复合材料损伤程度与损伤位置以及对损伤处进行自修复等。在此复合材料中，还埋入了形状记忆合金(SMA)丝以提高复合材料的强度、安全和可靠性。研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材料，利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研究。试验表明，修复后的纸蜂窝复合材料完全达到正常材料的使用性能，树脂基复合材料在完全破坏的情况下，经修复后，材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。

　　2005年，郑州大学的学者研究了胶囊型智能复合材料。将含有胶劲剂的微胶囊颗粒加入到复合材料中，复合材料内部一旦产生损伤或者裂纹，在裂纹扩展力的作用下，埋入复合材料中的微胶囊就会破裂释放出修复胶劲剂，修复胶劲剂将裂纹修复有效阻止了裂纹的进一步扩展，实现了材料的自修复功能。

　　2010年，国内学者研究发现:在混凝土梁中预先配置SMA能够显著提高它的刚度；通过通电激励加热的方法，SMA钢筋恢复力提高可以有效减小梁的挠度和裂缝宽度；增加SMA合金的总截面面积(即提高它的配筋率)，可以提高合金对混凝土梁的驱动效果。