材料论文-自愈合混凝土的现状及其发展

自愈合混凝土的现状及其发展

戴 强 MZ150502

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州)

摘要：混凝土在受力或其他因素的作用下，会出现裂缝，影响了混凝土的使用寿命。而自愈合混凝土在出现裂缝时，能自动分泌出粘结液并渗入裂缝中，使混凝土裂缝重新愈合，恢复甚至提高混凝土的性能，从而提高整个结构的性能。自愈合混凝土将免去有效的监听和外部修补所需的高额费用，节省建筑结构运行费用，且大大有利于建筑结构的安全性和耐久性。文在简要介绍生物体损伤愈合原理的基础上，总结了混凝土自愈合技术与方法；综述了国内外有关裂缝自愈合混凝土的研究现状；分析了仿生自愈合方法中所存在的问题及其实用价值，展望了其发展趋势和应用前景；最后，指出需进一步研究的方向。

关键词：自愈合；修复；混凝土；研究进展

Research and Progress of Self-healing Concrete

Dai Qiang MZ150502

(College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu)

Abstract: When cracks appeared in concrete due to force or other factors,the useful life of concrete will decrease.When cracks appear,the self-repairing concrete will excrete phlegm.The phlegm flows into the cracks and makes them heal and restore ,and it can even enhance the performance of concrete.The self-repairing in concrete can retrench the high cost of effective monitoring,maintenance and structure running, and greatly improve safety and durability of concrete structures.In the paper,firstly,with a brief introduction to the self-repairing properties of biomaterials,two types of crack self-repairing are summarized.Secondly,the state of the arts at home and abroad of crack self-repairing in concrete materials is given.Thirdly,the problems existing in the technologies of self-repairing and their practicability are analyzed;the prospects of applications are discussed.Finally,some future research directions are suggested.

Key words: self-healing; repire;concrete; intelligent material; research advances

1 引言

随着现代材料科学的不断进步，作为最主要建筑结构材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化方向发展[1]。可以预见，在未来相当长一段时间内，混凝土依然是土木工程不可缺少的工程材料[2-3]。然而，混凝土材料本身固有脆性大的缺陷，在使用过程中由于疲劳效应、腐蚀效应和老化等不利因素的影响，混凝土结构将产生损伤积累和抗力衰减，从而不可避免地会产生微开裂和局部损伤[4]。混凝土产生裂缝不仅导致其强度降低，而且空气中的CO2，SO2，NOx，H2S和氯化物等物质极易通过裂缝渗入混凝土内部，使混凝土发生破坏，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对混凝土建筑物是十分有害的[5]。对于腐蚀或外力冲击所导致的宏观破坏，能够通过肉眼发现并且可以手工愈合，而对于结构内出现的微损伤，虽然借助于声波、X射线及C扫描等仪器，可以间接地进行定性检测，但不能定量和数据化处理。而且还有些微损伤可能探测不到，更重要的是不能进行实时监测。对于这些内部结构出现的微损伤，如果不能及时进行愈合，不但会影响结构的正常使用性能和缩短使用寿命，而且可能由此引发宏观裂缝并出现脆性断裂，将导致严重的灾难性事故和难以挽回的经济损失[6-7]。过去对混凝土材料的修复形式主要是事后维修和定时维修，随着现代社会向科学化和智能化发展，这种停留在被动和计划模式下的修复方式，已不能适应现代建筑对混凝土材料提出的要求[8]。

自愈合混凝土可以提高开裂部分的强度，增强其延性弯曲的能力，从而提高整个结构的性能。埋入在混凝土中的低模量胶黏剂可以改善结构阻尼特性；不同凝固时间的胶黏剂可以对结构的弯曲进行控制。自愈合混凝土可以解决用传统方法难以解决或不能解决的技术关键，在重大土木基础设施的及时愈合以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全性和耐久性都极具重要性。此外，自愈合混凝土作为危险条件下的密封装置也有巨大的应用前景，如有毒、有污染物质的处理，核反应设施，炸弹掩体等。

混凝土的自修复系统为基体微裂缝的修补和有效地延缓潜在的危害提供了一种新的方法。一个自修复系统将免去有效的监测和外部修补所需的高额费用，节省建筑结构运行费用，且大大有利于其安全性和耐久性，混凝土材料的使用寿命也将延长.本文将概述国内外混凝土仿生自修复的研究进展，并在此基础上探讨目前混凝土裂缝仿生自愈合研究所存在的问题及研究方向。

2 自愈合混凝土微损伤的自修复机理

自愈合混凝土，是一种具有感知和修复性能的混凝土。从严格意义上来说，应该是一种机敏混凝土。它是混凝土向智能材料发展的一个高级阶段。所谓智能材料[9]，指的是“能感知环境条件，并做出相应行动”的材料[10]。自愈合混凝土，是模仿生物机体受创伤后的再生、恢复机理，对材料损伤破坏具有自修复和再生功能的一种新型复合材料。

据此，国内外学者们提出了具有自修复行为的智能材料模型[11]，即在材料的基体中布有许多细小纤维的管道(类似血管)，管中装有可流动的物质——修复物质(类似血液)。在外界环境作用下，当材料基体开裂时，纤维随即发生裂开，其内装的修复剂流到裂缝处，由化学作用自动实现粘合，这可以提高开裂部分的强度，增强弯曲的能力，从而起到抑制开裂和修复材料的作用[12-13]，如图2-1和图2-2所示，若采用低模量的胶粘剂修复混凝土，则可以改善建筑结构的阻尼特性，提高混凝土材料的柔韧性，以减轻突加外载荷对建筑物的瞬间冲击，如地震、飓风对建筑物的破坏；如果胶粘剂弹性模量较大，则可以恢复结构的刚度和强度；提高材料的弹性模量。同时对于不同凝固时间的胶粘剂可以用于对结构的弯曲程度进行控制。 图2-3是在自愈合混凝土中放置胶粘剂常采用的3种实验模型：空心玻璃纤维修复效果比较好，它能根据裂缝对胶液量的需求充分满足需要，但是玻璃纤维管分散困难，容易发生结团。相比之下，胶囊分散容易，但不能充分保证修复效果。我们也可以把胶囊用医用针剂代替，很容易工业化生产，满足实际的需要。

图2-1 玻璃纤维修复机理示意图

a 内含修复胶黏剂的胶囊预先埋入混凝土内;

b 裂缝使胶囊破裂，修复剂流出;

c 流出的修复剂修复混凝土的裂缝。

图2-2 内置空心胶囊的自愈合混凝土机理示意图

a 胶囊模型; b 医用针剂模型;

c 空心玻璃纤维管模型。

图2-3 放置胶粘剂的三种模型

3 国内外的研究与发展

混凝土及其结构能够自动适应环境，在受到损伤后自行修复，是解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径。但是如何适时地快速地修复混凝土材料的损伤，以及对混凝土的自愈合机理的研究，直到近年来，随着机敏混凝土和仿生混凝土研究热的兴起，才引起人们的重视。所有的研究大致集中在3个方面：内置纤维胶液管自愈合混凝土、内置胶囊自愈合混凝土、形状记忆合金智能自愈合混凝土。

3.1 内里纤维胶液管自愈合混凝土

美国伊利诺斯大学的Carolyn Dry在1990年，研究了一种混凝土裂缝主动愈合技术。将外表涂有蜡层，内注有异丁烯酸甲脂胶黏剂的聚丙烯纤维预埋在混凝土中(图3-1(a))；当混凝土基体出现裂纹或损伤时，加热混凝土基体，使纤维管表面的石蜡熔化，胶黏剂从纤维管壁中的孔隙中流入裂缝中(图3-1(b))；继续加热30分钟左右，随着温度的升高，胶黏剂聚合，修复裂缝(图3-1(c)).实验测试了修复后试件的抗压强度(如图3- 2(a))和抗渗性能(如图3- 2(b))。测试结果表明从内部释放胶黏剂修复后的混凝土有更高的抗压强度和更好的抗渗能力。混凝土及其结构抵抗动力载荷能力的提高通常是通过构筑整体框架、增大结构尺寸或在建筑物底部附加质量阻尼和隔震装置等方式实现的，而这些做法都是在结构上对建筑物改进，而非混凝土材料本身.结构框架在地震作用下的反应可通过下式的动力方程来描述

mucukumug(t) (1)

式中m为结构质量，c为阻尼系数，k为横向刚度，u为结构的位移，ug''为地面加速度。文[14-15]研究了一种自愈合混凝土，通过改变混凝土本身的动力特性，来提高其抗震性能。将注有修复剂的玻璃管预埋在框架梁中以及梁柱的结点，在动力荷载作用下框架出现损伤时，修复管破裂，修复剂流出深入裂缝，低模量的修复剂将改善结构阻尼特性(c)；较硬的修复胶黏剂使受损伤结构重新获得横向刚度(k)；不同凝固时间的修复剂可以控制结构弯曲时的位移(u)。实验采用液压驱动实验机对框架施加反复荷载，分别测试了框架位移为3mm时所需施加的荷载和施加0.6kN力时结构的位移，如表3-1所示。结果表明，修复后试件强度得到了一定的恢复，并且材料的延展性及柔韧性得到了改善。

(a) (b) (c)

图3-1 加热熔化纤维表面的石蜡，胶黏剂从纤维管壁的孔隙中流出，愈合混凝土

图3- 2 加热使胶黏剂从纤维管壁的孔隙中流出愈合混凝土，

其修复后的性能与传统的从混凝土表面修复后的性能对比

Carolyn[16-17]将多孔的纤维网预埋在磷酸钙水泥(含有单聚物)基体材料中，从多孔纤维中释放出引发剂，与掺在水泥中的单聚物聚合成高聚物，而聚合反应留下的水分促使水泥水化。因此，在纤维网的表面形成大量有机及无机物质，它们互相穿插豁结，最终形成与动物骨骼结构相似的无机、有机相结合的复合材料，具有优异的强度及延性等。在材料使用过程，如果发生损伤，多孔的有机纤维会释放修复剂修复损伤，具有与骨骼相似的自修复机能。

文献[18]研究了一种由甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体，过氧化氢和钻三组份构成的修复系统，其中后两组份为引发剂。实验时先将其中的一种引发剂与MMA单体混合；然后将混合物及另一引发剂分别注入不同修复纤维管中。当混凝土开裂时，纤维管破裂，三组份混合引起聚合反应，生成一种坚硬的似树脂玻璃的物质修复裂缝。修复单体在混凝土裂缝或孔隙中渗透，可用以下的经验公式来描述

DDr3cos

 （2）

式中D为渗透系数；γ为表面张力；θ为接触角；r为孔隙的平均半径；ε为孔隙率；η为单体的黏度；D*为常量，其值为2.00×109cm-2。

Caroylnl[19]将注有修复剂的脆性纤维管预埋在混凝土中，荷载导致裂缝产生，使纤维管破裂并且释放修复剂进入裂缝中，修复裂缝。利用视觉来确定纤维破裂，在试件表面上能看到有染色的修复剂流出。修复剂固化后再进行第2次3点弯曲实验，测试了试件修复前后的承载力状况(如表3-2)，其中试件1，试件2，试件3

为对比试件。试件纤维管中无修复剂。试验

结果表明，修复剂修复后的试件能承受更多的荷载。广东工业大学的张妃二等[20]采用类似的方法，将含有SJ胶的大直径空心光纤埋入混凝土中，使混凝土具有自愈合功能。实验结果表明，SJ胶修复的混凝土结构的拉伸、压缩和弯曲试件，强度分别可达到原始值的1/3、2/3、3/5。中国科学院金属研究所的赵晓鹏等[21]在研究具有自愈合行为的智能材料时，以水泥为基体进行了实验，取得了一定的修复效果。

表3-1 弯曲实验数据

试件

样品

试件

101b

101c

101d 弯曲试验（位移为3mm） 第1次试验 第2次试验 增加值 弯曲试验（荷载为0.6kN） 第1次试验第2次试验增加值增加率（%） 增加率（%） 荷载（kN）荷载（ kN） （kN） 位移（mm） 位移（mm） （mm） 0.42 0.55 0.55 0.3 0.20 0.30 0.50 0.25 -0.22 -0.25 -0.05 -0.05 -52.40 -45.45 -9.10 -16.60 6.0 3.5 3.1 — 7.2 6.0 4.0 4.8 1.2 2.5 0.9 — 20.00 71.40 29.00 —

表3-2 试件修复前后的承载力

试件

样品

A

B

C

D

E

试件1

试件2

试件3 弯曲试验 第1次试验 荷载（kN） 0.7484 0.7711 0.8051 0.8959 0.7893 0.7802 0.7938 0.7666 第2次试验 荷载（kN） 0.8845 0.9526 1.0297 0.9888 0.7666 0.6713 0.6985 1.0660 增加值 （kN） 0.1361 0.1814 0.2245 0.0930 -0.0227 -0.1089 -0.0953 0.2994 增加率 （%） 18.2 23.5 27.9 10.4 -2.9 -14.0 -12.0 39.1

美国密歇根大学的Victor等[22]，将含有超强力胶水的纤维管预埋在一种特殊的纤维增强混凝土材料中，制备了可应用到民用设施上的自愈合混凝土。实验测试了反复荷载下试件修复前后的刚度(如图3-3)，其中，N-M2为没有修复纤维的试件，S-M2为预埋了修复纤维的试件。结果表明，8/9的S-M2试件刚度都得到了恢复，而没有修复纤维的试件刚度下降10%到40%不等。

Carolyn等[23]尝试了一种钢筋抗腐蚀的新方法，其基本原理是将多孔的聚丙烯纤维管预埋在钢筋附近，管内注有硝酸钙修复剂，表面涂有多烃基的化合物或石蜡，由外表涂层来控制修复的释放。当混凝土中氯离子的浓度达到能够破坏钢筋表面的钝化膜时，多经基化合物分解，纤维管释放硝酸钙修复剂，阻止钢筋腐蚀，或加热钢筋熔融石蜡释放硝酸钙修复剂。实

验结果表明，修复纤维外表涂层为多经基化合物和石蜡的试件的腐蚀量，分别为未掺修复剂试件的腐蚀量的1/4和1/6。敲开修复后的试件，比较钢筋的腐蚀面积(如图3-4)，发现未掺入修复剂的试件中钢筋的腐蚀面积为70%，掺有硝酸钙的试件中钢筋的腐蚀面积为90%，预埋有修复纤维且外表涂层为多烃基化合物(Polyol)的试件中钢筋的腐蚀面积为60%，而外表涂层为石蜡(Wax)的试件中钢筋的腐蚀面积为85%。

同济大学的习志臻等分别将含有聚氨酯、丙烯酸酯的空心玻璃纤维埋入水泥砂浆基体中，制备了一种自愈合水泥砂浆[24]。利用声发射仪测试了砂浆愈合后的质量，图3-5和图3-6分别为普通砂浆和丙烯酸酯。

图3-3 试件的弯曲刚度 图3-4 钢筋的腐蚀面积

图3-5 普通砂浆的声发射信号图

图3-6 丙烯酸酚修复后的砂浆试件声发射信号图

修复后的声发射信号图。经比较可见，修复后的水泥砂浆，其声发射事件累计数和振铃

累计数从一开始便迅速增加，当荷载达到最大值时开始出现明显的声发射的峰值，并且没有

产生凯塞效应，因此认为混凝土中的裂缝得到了修复。哈尔滨工业大学的匡亚川等[25]，将含有修复剂的玻璃纤维管预埋在钢筋混凝土，混凝土受拉开裂，修复剂流出修复裂缝(如图3-7)。作者从修复纤维微分单元的平衡状态得到了：混凝土开裂，修复纤维能及时发挥修复作用的参数设计可按以下公式取值

t(2.7c0.1d/et)y

1.5fu,2rtt2 （3）

Lcrlcr,min （4）

式中t和Lcr分别是修复纤维管的壁厚和最小长度，c为混凝土净保护层厚度，d为受拉钢筋直径，ρet为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向钢筋配筋率，υ为钢筋表面的特征系数，τy为混凝土基体剪应力的屈服值，r是修复纤维管的半径，lcr,min是混凝土相邻裂缝间距最小值，σfu为修复纤维的极限抗拉强度。

图3-7 环氧树脂胶黏剂修复混凝土裂缝

采用与文献[26]类似的方法，研究了钢筋混凝土梁裂缝的自愈合。测试了愈合前后，梁跨中挠度为2.5mm时，试件所承受的荷载。试验结果表明：修复剂使混凝土梁的弯曲强度得到了明显的恢复。

3.2 内置胶囊自愈合混凝土

日本东北大学的三桥博三等将内含黏结剂的空心胶囊掺入混凝土材料中(图3-8(a))，一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂，部分空心胶囊破裂(图3-8(b))，黏结液流出渗入裂缝，使裂缝重新愈合(图3-8(c))。三桥博三分别用水玻璃和环氧树脂等修复剂进行了实验，测试了不同的龄期下，经不同修复剂在开裂修复后，混凝土材料的强度回复率[27]。

图3-8 内置胶囊仿生自愈合混凝土的自愈合机理

日本茨城大学的沼尾达弥等[28]对自愈合混凝土中的不同纤维尺寸、掺量和不同水灰比等对混凝土修复后产生的影响作了一些研究，实验结果表明：外径为3mm和5mm，掺量3%和5%的玻璃纤维，对混凝土抗压强度的影响不大，增大水灰比混凝土的抗压强度降低。

Carolyn[29-30]将大量的内注有密封剂的小玻璃管预埋在混凝土桥面(如图3-9)，当混凝土干燥收缩时产生应力，混凝土开裂，密封剂流出修复裂缝，并在桥面的薄弱区形成了裂缝修复线(如图3-10)。

哈尔滨工业大学的欧进萍等[31]，建立了描述修复胶囊在混凝土中的分布和取向函数，用以统计分布在混凝土基体中各个方向的胶囊数，分布在0~θ范围内的修复胶囊数占掺入在混凝土中的修复胶囊总数的百分数为

21sindd1cos (5) 200

式中，θ为胶囊的轴线方向与铅垂方向的夹角。若结构稍有损伤，修复胶囊就破裂，以至于再次出现较严重的损伤时无法进行修复，文中根据混凝土的破坏机理，提出了修复胶囊的破坏应力，用以确定修复胶囊的几何参数(直径和壁厚)；并利用商业软件对修复胶囊进行了有限元分析，确定了其合理的壁厚。

图3-9 修复管预埋在混凝土桥面的表面 图3-10 修复管释放的修复剂在桥面形成了裂缝修复线

3.3 形状记忆合金智能自愈合混凝土

何思龙等[32]将预应变为1.8%的形状记忆合金预埋在钢筋混凝土简支梁中，

通过自动加热

系统将形状记忆合金加热至各种设定温度，研究了梁在定值静荷载和定值冲击荷载下的反应。试验结果表明，形状记忆合金可以对结构施加较大的预应力，提高结构的强度和刚度，从而大大降低结构的静、动力反应，实现对结构的智能控制。

陶宝棋[33]和熊瑞生[34]等提出了形状记忆合金自愈合混凝土.将经过预拉的SMA丝预埋在混凝土中易开裂区域，同时在该区域内置光纤。当混凝土在工作中出现不允许的裂缝或裂缝宽度时，微处理系统根据光纤拾取的信号发出指令，对处于裂缝处或附近的SMA丝通电加热激励，使其收缩变形，使裂缝闭合或限制裂缝的进一步开展。

美国的Maji等[35]将形状记忆合金绞线预埋在30.5cm×2.5cm×l.3cm砂浆小梁中进行了试验，其结果表明SMA绞线可以对梁有较大的驱动作用。

邓宗才等[36]将形状记忆合金丝偏心埋置于50mm×50mm×465mm的混凝土梁中，研究了合金丝(筋)在逆相变过程中，其回复力使混凝土梁产生挠曲变形的能力。形状记忆合金被激励起，梁在合金回复力作用下的弯曲变形可按结构力学公式计算，合金驱动力作用下梁的反拱挠度为

NPePl2

P (6)8EI

式中，Np为总压力(混凝土受到总压力Np等于合金总拉力Ta，ep为压力偏心距，l为跨度，EI为截面抗弯刚度。文献[37]研究了形状记忆合金混凝土轴心构件变形特性，试验结果表明SMA在加热逆相变过程中可以实现对混凝土轴心构件施加预应力；并可以控制混凝土构件的变形。

Li和Li[38]将NiTi-SMA筋预埋在钢筋混凝土梁的受拉区，当梁受力较大致使某一性能指标超过允许限值，加热SMA筋，SMA受限回复将产生回复力，最大回复力可由式(7)和(8)计算，即

rr1(TAf) (7)

FsrA (8)

式中：T是温度；Af是马氏体逆相变终了温度；θ是热弹性张量；σr，σr（1）分别为温度T和Af时SMA受限回复应力；A为横截面积。

SMA筋产生的回复力可以减少梁的弯矩，从而减小了梁的应力。利用SAP91软件对钢筋混凝土梁进行了有限元分析，研究结果表明：SMA筋可以有效减小裂缝处钢筋混凝土梁的拉应力，甚至使拉应力变为压应力。

日本的Yuji Sakai等[39]将直径为2mm的超弹性形状记忆合金丝预埋在100mm ×100mm×500mm的砂浆梁，并进行了三点弯曲试验，试验结果表明，与普通钢筋混凝土梁相比，形状记忆合金提高了梁的变形能力，卸载之后，形状记忆合金梁的变形几乎全部恢复。

4 存在的问题与今后研究方向

目前大部分研究集中在空心修复纤维在基体中的分布和随后修复剂的释放方面，通过这些化学制品密封基体的微裂缝以及使损伤界面重新愈合，达到控制开裂的目的。虽然国内外一些专家对自愈合混凝土作了大量研究，但是从自愈合混凝土的发展来看，目前尚有许多问题需要解决，如结构耐久性、与混凝土的断裂匹配的相容性、短管及短管空穴对强度的影响、多次可愈合性、分布特性，有关修复粘结剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机理的研究、纤维或胶囊的选择、胶液的时效、以及愈合的可靠性和可行性等一系列问题，这些方面的研究尚不完全，还有大量的工作需要做。特别是对自愈合混凝土在实际生产中的制备和应用上所存在的问题，解决好这些问题无疑将对自愈合混凝土今后的发展产生深远的影响。

此外，自愈合混凝土作为一种智能混凝土材料，其未来发展应既是高性能的建筑结构材料，同时又具有优异的智能性能，真正达到混凝土材料结构与智能一体化的境界。这就需要在自愈合混凝土的基础上，进一步融入信息科学技术，如感知、识别、和控制驱动等技术，从而使其具有多种完善的仿生功能，包括骨骼系统(基材)提供的承载能力、神经系统(传感网络系统)提供的监测和感知能力、肌肉系统(驱动系统)提供的调整响应能力和免疫系统(自愈合)提供的康复能力，这才是自愈合混凝土发展的最终目的。

5 结语

智能混凝土是当代智能化发展的产物，是随着当今高科技发展起来的。自愈合混凝土可对土木建筑结构的应力、应变和温度等参数进行实时监控，对损伤进行及时修复。这对确保混凝土结构的安全性和延长其使用寿命非常重要。通过对基础理论及应用技术的深入研究，将使传统混凝土材料获得巨大的发展。自愈合混凝土材料作为对传统混凝土材料的一种突破，为传统建材未来的发展注入了新活力，也提供了新的发展方向，具有更广阔的发展前景。

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