混凝土在受力或其它因素的作用下，會出現(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。
1、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，裂縫對結(jié)構(gòu)的使用性能及使用壽命都會產(chǎn)生非常大的影響：一方面，在外荷載的作用下，結(jié)構(gòu)的破壞都是由混凝土中裂縫的逐漸發(fā)展所導(dǎo)致；另一方面，裂縫的存在會導(dǎo)致裂縫處鋼筋發(fā)生銹蝕，從而影響整個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)物在使用過程中承受兩大類荷載：第一類荷載包括靜、動荷載和其他荷載；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，概括起來裂縫的主要成因如下：1）由于外荷載（動、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)力超過某一限值后產(chǎn)生裂縫。根據(jù)大量的調(diào)查資料，工程實際中的裂縫產(chǎn)生的原因，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，實際體現(xiàn)在對于其機(jī)理和愈合效果的研究。J.Stefan(1995)將混凝土試件凍融破壞后，放置水中2～3個月后混凝土幾乎能全部恢復(fù)損失的共振頻率，并且裂縫中有鈣礬石晶體和氫氧化鈣晶體。此實驗是在有水環(huán)境中且產(chǎn)生了水泥水化產(chǎn)物，這說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。國內(nèi)也有學(xué)者做了這方面的實驗和研究，并更進(jìn)一步得到確切結(jié)論。
程東輝、潘洪濤對混凝土的這種自愈合現(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。且對于3mm左右的裂縫，當(dāng)其暴露于水環(huán)境大于600小時，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改變該研究并未進(jìn)行探索。于是又有學(xué)者在這方面展開了研究。姚武、鐘慧的研究發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合能力存在一個損傷閾值，損傷小于損傷閾值時隨損傷的增大，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、唐春安等通過試驗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。劉小艷等對混凝土自愈合的性能做了試驗研究，試驗結(jié)果表明低等級水泥比高等級水泥同條件下的自愈合能力強(qiáng)，摻入粉煤灰和碳纖維對混凝土的愈合能力都有提高。這表明混凝土的成分會影響其愈合能力。
通過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，對其愈合能力的提高也滿足不了預(yù)期修復(fù)水平。通過激發(fā)混凝土本身的愈合能力來修復(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)體的顯著特點之一是具有再生機(jī)能，受到破壞以后機(jī)體能自行修補創(chuàng)傷。骨是具有自修復(fù)和自適應(yīng)特性的一個范例，圖1所示為骨的自修復(fù)過程。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，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)和周圍(圖1(b))。與此同時，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l(c))。在修復(fù)過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)是生物體在長期進(jìn)化過程中形成的一種自我保護(hù)、自我恢復(fù)的方式，是對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，能夠觸發(fā)一種自動的修復(fù)反應(yīng)，自動愈合。現(xiàn)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，對應(yīng)變敏感，可恢復(fù)應(yīng)變大；當(dāng)恢復(fù)受到約束時能產(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、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，裂縫處的形狀記憶合金絲的應(yīng)變增大，從而導(dǎo)致其內(nèi)部電阻值發(fā)生變化。根據(jù)事先測定的形狀記憶合金絲應(yīng)變與電阻值的關(guān)系，由測定電阻變化值的單片機(jī)就可自動確定實際裂縫的寬度，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，從而可實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的自診斷、自監(jiān)測。一旦裂縫的寬度超過允許的限值時，單片機(jī)啟動接通電流的裝置，通電激勵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)時對裂縫面施加壓應(yīng)力，抑制裂縫的開展，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，沒有應(yīng)力集中裂縫將不再擴(kuò)展，因此混凝土裂縫實際上被修復(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)是通過裂縫末端壓力場來引發(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)；然后通過射線、附加化學(xué)物質(zhì)(對于多成分的修復(fù)劑)，或溫度的改變來觸發(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，修復(fù)劑貯存在結(jié)構(gòu)的外部容器中，修復(fù)時將修復(fù)劑的各組份混合在一起并調(diào)勻，通過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)乜焖伲仨毥鉀Q好3個關(guān)鍵的問題：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。但是如何適時地快速地修復(fù)混凝土材料的損傷，以及對混凝土的自修復(fù)機(jī)理的研究，直到近年來，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CarolynDry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，即通過預(yù)埋含有膠粘劑的纖維，用加熱的方式啟動修復(fù)。可以說這是仿生自愈合混凝土研究的開始。DryCarolyn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，多孔纖維會釋放出引發(fā)劑，引發(fā)水泥中的單聚物反應(yīng)形成高聚物，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，他試驗了一種由甲基丙烯酸甲酯(MMA)，過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預(yù)埋到混凝土中，纖維管隨混凝土開裂而破裂后三種試劑混合會形成強(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)氧樹脂等)的空心膠囊摻入混凝土中，當(dāng)混凝土開裂，膠囊隨之破裂，膠粘劑流出對裂縫進(jìn)行修復(fù)。
3.2.3 形狀記憶合金
形狀記憶合金(簡稱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100℃以下的某個設(shè)定溫度產(chǎn)生動作，實現(xiàn)對設(shè)備或裝置的自動控制或保護(hù)：也可以按作用力的大小設(shè)計SMA驅(qū)動元件，驅(qū)動元件的動作反應(yīng)時間可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因為SMA的這種性能，它被應(yīng)用到了自愈合混凝土的研究中，以期通過溫度或者應(yīng)力控制來達(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”和“知覺”，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化自動做出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并具有自我修復(fù)功能，研究難度較大。雖然國內(nèi)外研究人員已對混凝土裂縫仿生自修復(fù)開展了許多重要的工作，取得了一定的修復(fù)效果，但是如何適時地快速地修復(fù)混凝土材料的損傷，尚處于起步階段，沒有形成系統(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題。因此，進(jìn)一步研制和開發(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)，多了對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的不利影響，同時結(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)材料的時效。所有的修復(fù)方法都牽涉到時間落后的問題，形狀記憶合金或聚合物都需要時間來轉(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間。因此應(yīng)對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，研制和開發(fā)低黏度、快速硬化的修復(fù)膠黏劑。
(4)修復(fù)劑的補給。在裂縫修復(fù)時，當(dāng)一條裂縫愈合，必然在修復(fù)纖維中出現(xiàn)一個“空位”，盡管此時新缺陷的危險性小于原裂縫，但顯然會影響材料性能。因此，對修復(fù)過程中的修復(fù)劑的補給應(yīng)進(jìn)一步的研究，建立快速的補給體系，以保證損傷處有足夠多的修復(fù)劑。對于多次修復(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)傳輸是通過體內(nèi)縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。比如動物體內(nèi)血液傳輸是由許多動、靜脈血管及無數(shù)毛細(xì)血管完成。同時，心臟的跳動為血液的流動提供了必要的能量。在自修復(fù)過程中修復(fù)劑的傳輸僅靠其自身的滲透是一個很緩慢甚至較難進(jìn)行的過程，因此應(yīng)向修復(fù)管道內(nèi)施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ源龠M(jìn)修復(fù)劑的流動。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)劑的釋放速度等這些問題有待于進(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)動機(jī)理有效性的限制，驅(qū)動修復(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，裂縫過寬，修復(fù)劑將順著裂縫面在重力作用往下流，而不會在裂縫面上滲透，修復(fù)效果差，而且纖維管上方的裂縫也無法修復(fù)。因此，要想達(dá)到理想的修復(fù)效果，實現(xiàn)裂縫的快速地在線修復(fù)，對控制裂縫寬度的方法進(jìn)行深一層的研究具有現(xiàn)實意義。
(7)主動和被動修復(fù)。在主動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)劑的釋放時間可由人工控制，但需要主動傳感器和外界能源，加熱對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)劑的被動修復(fù)中，纖維管(或膠囊)的破裂就是驅(qū)動修復(fù)劑釋放的傳感器，釋放位置是預(yù)定的，但膠黏劑的釋放時間不易控制。因此，應(yīng)結(jié)合兩種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點，進(jìn)一步研究既能控制修復(fù)時間又能控制修復(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
本文主要介紹了混凝土裂縫仿生自修復(fù)技術(shù)和國內(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，但是隨著人們對自修復(fù)混凝土研究工作的深入開展，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)實可行的，裂縫自修復(fù)混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景是十分廣闊的。在這方面繼續(xù)深入研究，對實現(xiàn)以較低成本獲得材料可靠性提高的目標(biāo)非常有意義，同時對進(jìn)一步開發(fā)結(jié)構(gòu)一智能一體化的混凝土也具有重要的意義。
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