張健

（貴州畢節(jié)瑞澤新型建材有限公司，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

自修復(fù)混凝土是在借鑒仿生學(xué)研究原理的基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)研發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù)的智能—結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的混凝土體系。其可以在不借助外力的情況下對(duì)自身的損害進(jìn)行診斷與處理，受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。研究人員根據(jù)生物的組織器官損傷后可自行愈合的啟示，將混凝土模擬成一個(gè)可以感知與修復(fù)的系統(tǒng)，將特定的結(jié)構(gòu)與組分事先預(yù)混入混凝土的水泥基體里面，使之能夠?qū)崿F(xiàn)損傷的自我修復(fù)功能。當(dāng)混凝土受到損傷出現(xiàn)裂紋的時(shí)候，事先預(yù)置于水泥基中的修復(fù)單元就在外力、受熱或者化學(xué)侵蝕等作用下將自身攜帶的修復(fù)組分釋放到混凝土的損傷處，阻止裂紋的再擴(kuò)大，同時(shí)對(duì)已有裂紋進(jìn)行填充與粘結(jié)，實(shí)現(xiàn)混凝土的損傷自修復(fù)目標(biāo)。這樣的自修復(fù)體系較以往的人工修復(fù)來(lái)說(shuō)不僅約成本，同時(shí)也省去外界操作環(huán)節(jié)，又能夠及時(shí)地控制混凝土的損害持續(xù)發(fā)生。在混凝土的自我修復(fù)過(guò)程中，要求混凝土體系能夠比較快速的對(duì)損傷作出反應(yīng)，同時(shí)針對(duì)損傷重新建立體系的完整性，并防止損傷的持續(xù)發(fā)生。

1 自修復(fù)混凝土的作用機(jī)理

自修復(fù)混凝土就是在生命系統(tǒng)自修復(fù)的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)讓混凝土具備自修復(fù)功能的體系。其大致過(guò)程可歸納為：預(yù)先在混凝土中摻加起催化作用的組分，而具有粘結(jié)功能的組分則以 “膠囊”或其他類似形式為載體摻入。當(dāng)混凝土受到外力作用而使其出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋處攜帶粘結(jié)劑的載體就會(huì)破裂并釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑遇到事先摻入的催化劑就會(huì)相互反應(yīng)，將裂紋填充與修復(fù)，同時(shí)阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而起到對(duì)混凝土的修復(fù)作用。

2 自修復(fù)混凝土原材選擇

2.1 載體的選擇

負(fù)責(zé)攜帶粘結(jié)劑的載體作用不可小覷。在載體材料的選擇上主要考慮載體的抗壓強(qiáng)度、抗張拉強(qiáng)度以及線膨脹系數(shù)。如果載體的抗壓強(qiáng)度較低，當(dāng)其摻入混凝土中就會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，致使混凝土對(duì)外界載荷的抵御性能減弱。載體的抗張拉強(qiáng)度也非常重要，如果載體的抗張拉強(qiáng)度太大，載體就可能在混凝土出現(xiàn)裂紋損傷時(shí)不發(fā)生破裂，此時(shí)，其中的粘結(jié)劑就不會(huì)被釋放，從而起不到修復(fù)作用。線膨脹系數(shù)同樣是作為是否適合用于載體材料的一個(gè)衡量指標(biāo)。如果載體線膨脹系數(shù)過(guò)大，當(dāng)外界溫度變大時(shí)，載體受溫度影響就會(huì)在混凝土內(nèi)部形成一定的應(yīng)力，對(duì)混凝土自身性能的保持與穩(wěn)定很不利。當(dāng)外界溫度降低時(shí)，載體材料又會(huì)出現(xiàn)較大的收縮，破壞載體與混凝土之間的粘結(jié)。除此之外，載體材料的自身性能還必須穩(wěn)定，不僅可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于混凝土中而不被破壞，同時(shí)又能長(zhǎng)期儲(chǔ)存粘結(jié)劑而不與其發(fā)生反應(yīng)。而現(xiàn)階段，載體材料幾乎都為玻璃材料。玻璃作為一種脆性材料，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)60～90 MPa，而抗張拉強(qiáng)度只有4～6 MPa左右，玻璃的線膨脹系數(shù)與混凝土的線膨脹系數(shù)非常相近。此外，玻璃材料極易獲得且廉價(jià)，所以，玻璃無(wú)論從哪方面而言都是作為載體材料的首選。

2.2 粘結(jié)劑的選擇

自修復(fù)混凝土中的粘結(jié)劑性能是決定混凝土自修復(fù)性能的關(guān)鍵。在選取粘結(jié)劑時(shí)不僅需要考量所選物質(zhì)的粘結(jié)性能，還要注意其粘度以及化學(xué)成分是否適合。所選取的粘結(jié)劑必須具備較好的粘結(jié)性能，粘結(jié)后要具有較高的強(qiáng)度。其次，要求在混凝土開裂初期，其內(nèi)置的粘結(jié)劑可以盡快流出，這樣就能夠使粘結(jié)劑所填充的空隙較小，且抑制裂紋擴(kuò)展較靈敏。這就要求粘結(jié)劑具有低的粘度以及好的流動(dòng)性能，可使得粘結(jié)劑在裂紋剛出現(xiàn)就可以迅速、充分充滿裂紋空隙，保證粘結(jié)后混凝土的整體性能。另外，有些粘結(jié)劑由雙組分或多組分構(gòu)成，當(dāng)兩種或以上組分混合后才具有粘結(jié)功能。然而，混凝土中摻入的粘結(jié)劑不易使不同組分混合均勻。因此，在選擇粘結(jié)劑時(shí)要盡可能使用單組分粘結(jié)劑，以確保粘結(jié)劑功能的有效發(fā)揮。在粘結(jié)劑固化方面，也要盡量選擇固化迅速、固化條件易行的粘結(jié)劑，如空氣固化型粘結(jié)劑或溶劑揮發(fā)型粘結(jié)劑。此外，在達(dá)到以上要求基礎(chǔ)上，還要能夠達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求，選擇低毒或者無(wú)毒類型的粘結(jié)劑。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于混凝土自修復(fù)中的粘結(jié)劑種類主要有聚丙烯酸脂類粘結(jié)劑、縮醛高分子類粘結(jié)劑、聚氯胺類粘結(jié)劑、水玻璃類粘結(jié)劑以及環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑等。

3 自修復(fù)混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀

早在二十世紀(jì)20年代，美國(guó)學(xué)者Abram與挪威學(xué)者Stefan Jacobsen已發(fā)現(xiàn)混凝土具有一定的強(qiáng)度回復(fù)功能。之后，日本學(xué)者J.S.Rya與Nobuaki Otsuk等人進(jìn)行了一些關(guān)于混凝土自修復(fù)的研究，他們主要通過(guò)將受損混凝土試塊放置在一定的修復(fù)液中，在電流作用下使裂紋處產(chǎn)生化學(xué)沉積，以填充空隙修復(fù)裂紋。

直到二十世紀(jì)90年代，關(guān)于混凝土仿生自修復(fù)的研究才逐漸開展。日本學(xué)者三橋博三首次將空心膠囊作為粘結(jié)劑載體，將粘結(jié)劑置于膠囊中，再將膠囊摻入混凝土水泥基體里面，他發(fā)現(xiàn)這樣能使混凝土具有優(yōu)良的自修復(fù)功能。沼尾達(dá)彌和福尺公夫兩位學(xué)者則采用玻璃纖維作為粘結(jié)劑的載體，并得出玻璃纖維的最佳摻量，使其既不影響混凝土的自身性能，又可以擁有良好的自修復(fù)功能。我國(guó)的歐進(jìn)萍與匡亞川兩位學(xué)者也通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了空心膠囊作為粘結(jié)劑載體的最佳摻量以及膠囊的最佳尺寸。

美國(guó)學(xué)者Brown EN、Sottos NR與White SR等人研究了不同催化劑摻量對(duì)粘結(jié)劑粘結(jié)性能的影響，其研究結(jié)果表明，當(dāng)催化劑尺寸大于350 μm時(shí)，催化劑的催化效果就會(huì)變差；催化劑摻量達(dá)3%以上就會(huì)明顯影響混凝土的力學(xué)性能。我國(guó)學(xué)者習(xí)志臻、張雄等人對(duì)不同粘結(jié)劑的裂紋修復(fù)效果進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明，聚丙烯酸脂類粘結(jié)劑的性能要優(yōu)于聚氨酯類粘結(jié)劑，并且采用聚丙烯酸脂類粘結(jié)劑修復(fù)后的混凝土其韌性也得到明顯改善。

4 結(jié)語(yǔ)

智能混凝土已是混凝土發(fā)展的重要內(nèi)容，而自修復(fù)功能作為智能混凝土的重要組成部分，也成為學(xué)者研究的重點(diǎn)。整體來(lái)說(shuō)，自修復(fù)混凝土的研究目前還處于起步階段，還有很多問(wèn)題需要研究解決。筆者認(rèn)為應(yīng)主要從自修復(fù)混凝土粘結(jié)劑的選擇、載體的選擇、粘結(jié)劑的摻入形式以及粘結(jié)劑的修復(fù)過(guò)程等入手研究，在此基礎(chǔ)上建立混凝土自修復(fù)的理論體系，為實(shí)際工程應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

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