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新型混凝土自修复材料的研究与应用一、前言随着城市化进程的加快，建筑材料的需求量也在不断增加。
同时，由于建筑物的长期使用和环境的恶劣，建筑材料也会出现各种问题，例如混凝土龟裂、钢筋锈蚀等。
这些问题的存在不仅影响建筑物的美观度，还会影响其使用寿命和安全性。
因此，研究新型混凝土自修复材料，解决建筑材料问题，具有重要的实际意义。
二、新型混凝土自修复材料的定义新型混凝土自修复材料是指在混凝土中加入具有自修复功能的材料，使混凝土在受到损伤后能够自行修复，达到恢复原有性能的目的。
这些自修复材料包括微生物、纳米颗粒、微胶囊等。
三、新型混凝土自修复材料的研究进展1、微生物自修复混凝土微生物自修复混凝土是利用微生物的代谢活动来修复混凝土龟裂等问题的一种方法。
这种混凝土可以在微生物的作用下，通过产生碳酸盐和胞外聚合物等物质来修复龟裂。
2、纳米颗粒自修复混凝土纳米颗粒自修复混凝土是利用纳米颗粒的特殊性质来修复混凝土龟裂等问题的一种方法。
这种混凝土可以在受到损伤后，通过纳米颗粒的自组装能力来填充龟裂处的空隙，从而实现自修复。
3、微胶囊自修复混凝土微胶囊自修复混凝土是利用微胶囊的特殊结构来修复混凝土龟裂等问题的一种方法。
这种混凝土可以在受到损伤后，通过微胶囊内的修复剂释放，来填充龟裂处的空隙，实现自修复。
四、新型混凝土自修复材料的应用前景新型混凝土自修复材料具有广阔的应用前景。
首先，它可以实现混凝土的自我修复，从而增加混凝土的使用寿命和安全性。
其次，它还可以减少混凝土的维修费用，降低建筑物的运营成本。
此外，新型混凝土自修复材料还可以应用于各种道路、桥梁、隧道等建筑物的修复和维护。
五、新型混凝土自修复材料的发展趋势未来，新型混凝土自修复材料将会朝着更加智能化、高效化和环保化的方向发展。
例如，研究人员将会探究更多的自修复材料，并将它们应用于混凝土中，以实现更加全面的自修复功能。
同时，研究人员还将会开发出更加智能的混凝土自修复材料，例如可以自动感知、自动修复的混凝土材料。
自修复混凝土的研究进展张健(贵州毕节瑞泽新型建材有限公司,贵州毕节551700)摘要:介绍了自修复混凝土的起源与发展,阐述了混凝土自修复的作用机理,在提出自修复混凝土修复材料选择的基础上,概述了现阶段自修复混凝土的研究现状,最后提出关于自修复混凝土的一点看法。
关键词:混凝土;自修复;粘结剂Abstract:This paper introduces the origin and development of self-repairing concrete,expounds the self-repairing mechanism of concrete,and summarizes the present research status of self-repairing concrete on the basis of the selection of repairing materials for self-repairing concrete.At last,the author's opinion on self-repairing concrete is put forward.Key words:concrete;self-compaction;agglomerant0引言自修复混凝土是在借鉴仿生学研究原理的基础上所设计研发的能够实现自我修复的智能—结构统一的混凝土体系。
其可以在不借助外力的情况下对自身的损害进行诊断与处理,受到越来越多学者的关注。
研究人员根据生物的组织器官损伤后可自行愈合的启示,将混凝土模拟成一个可以感知与修复的系统,将特定的结构与组分事先预混入混凝土的水泥基体里面,使之能够实现损伤的自我修复功能。
当混凝土受到损伤出现裂纹的时候,事先预置于水泥基中的修复单元就在外力、受热或者化学侵蚀等作用下将自身携带的修复组分释放到混凝土的损伤处,阻止裂纹的再扩大,同时对已有裂纹进行填充与粘结,实现混凝土的损伤自修复目标。
自生性微生物修复混凝土的研究进展一、前言自生性微生物修复混凝土近年来备受关注。
自然界中存在着能够利用混凝土中的营养物质、水和空气等资源生存并对混凝土进行修复的微生物，这种修复方式具有环保、经济、可持续等优势。
本文将对自生性微生物修复混凝土的研究进展进行全面的介绍和探讨。
二、自生性微生物修复混凝土的原理混凝土中的微生物可分为两类：一类是在混凝土中生长繁殖的微生物，称为自生性微生物；另一类是在混凝土表面随着空气等进入混凝土中的微生物，称为外来微生物。
自生性微生物修复混凝土的原理是通过自生性微生物对混凝土中的有害物质进行降解、转化，使混凝土恢复其原有的物理、力学性能。
自生性微生物修复混凝土的主要机理如下：1. 微生物代谢微生物通过吸收混凝土中的有机物质和无机物质，进行代谢活动，产生酸、碱、酶等物质，这些物质可以分解混凝土中的有害物质，促进混凝土的自愈合作用。
2. 微生物胞外聚合物微生物可以分泌胞外聚合物，这些聚合物具有很强的黏附性和胶凝性，可以填补混凝土中的微裂缝和毛细孔，增强混凝土的抗渗性和抗裂性。
3. 微生物生长微生物可以在混凝土中生长繁殖，形成微生物菌群，这些菌群可以利用混凝土中的有机物质和无机物质进行生长代谢，形成微生物胞外聚合物和代谢产物等，促进混凝土的自愈合作用。
三、自生性微生物修复混凝土的应用自生性微生物修复混凝土已经被广泛应用于工程领域中，主要包括以下几个方面：1. 桥梁养护桥梁是重要的交通运输设施，经常会受到汽车和大货车等车辆的冲击，从而导致桥梁混凝土的损坏。
采用自生性微生物修复混凝土的方法可以有效地提高桥梁混凝土的抗裂性和抗渗性，延长桥梁的使用寿命。
2. 隧道养护隧道是交通运输中必不可少的工程设施，经常会因为湿度高、车辆振动等因素而导致混凝土的损坏。
采用自生性微生物修复混凝土的方法可以增强隧道混凝土的抗渗性和抗裂性，减少隧道的维修和养护成本。
3. 水利工程养护水利工程是保障民生的重要基础设施，经常会因为水流的冲击和水质的侵蚀等因素而导致混凝土的损坏。
混凝土裂缝自修复技术研究进展目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究目的 (4)1.3 研究意义 (5)2. 混凝土裂缝的形成与演化 (6)2.1 混凝土裂缝的形成机理 (7)2.2 混凝土裂缝的演化过程 (8)2.3 混凝土裂缝的类型与特征 (10)3. 混凝土裂缝自修复材料研究 (11)3.1 自修复材料的分类与特点 (12)3.2 聚合物基自修复材料研究进展 (14)3.3 无机纳米颗粒基自修复材料研究进展 (15)3.4 纤维增强型自修复材料研究进展 (16)4. 混凝土裂缝自修复技术应用 (17)4.1 底面处理技术 (18)4.2 自修复涂料制备与应用 (19)4.3 自修复胶粘剂制备与应用 (21)4.4 自修复灌浆料制备与应用 (22)5. 混凝土裂缝自修复技术评价方法 (23)5.1 自修复性能评价指标体系 (24)5.2 自修复性能测试方法与标准 (25)5.3 自修复效果评价方法与标准 (27)6. 混凝土裂缝自修复技术应用案例分析 (28)6.1 建筑工程实例分析 (29)6.2 道路桥梁工程实例分析 (31)6.3 其他工程实例分析 (32)7. 结论与展望 (33)7.1 主要研究成果总结 (34)7.2 存在问题与不足 (35)7.3 发展趋势与展望 (36)1. 内容概述混凝土裂缝自修复技术，作为当前建筑材料领域的重要研究方向，旨在应对日益严重的混凝土结构裂缝问题。
随着全球气候变暖、荷载作用以及地质条件变化等环境因素的影响，混凝土结构裂缝的产生频率和严重程度呈上升趋势，这不仅影响了建筑物的美观性和耐久性，还可能对结构安全造成潜在威胁。
在此背景下，自修复技术以其独特的优势受到了广泛关注。
该技术通过在混凝土中引入能够自我修复裂缝的材料或微生物，使裂缝在微观层面得到愈合，从而恢复混凝土结构的整体性能。
这种技术的应用不仅能够延长建筑物的使用寿命，还能降低维修成本，提高经济效益。
混凝土的自修复性能研究与应用随着城市建设的快速发展，混凝土作为最主要的建筑材料之一，承载着大量的结构和基础设施的重量。
然而，长期受到外界环境的侵蚀和使用压力的作用下，混凝土可能会出现裂缝和损伤，进而影响建筑物的结构安全和寿命。
为了克服这一问题，人们开始研究、开发和应用混凝土的自修复性能。
一、自修复混凝土的定义和原理自修复混凝土是指具有自动修复能力的混凝土结构。
其原理主要基于自然界的生物、物理和化学过程。
比如微生物生长、矿物质沉淀和化学反应等，这些过程能够填充和修复混凝土内部的微裂缝，使混凝土结构重新得到修复和加固。
二、自修复混凝土的特点1. 自修复混凝土能及时检测到微裂缝和损伤，通过自身机制迅速实施修复，减轻了人工检测和修复的工作量。
2. 自修复混凝土在维护过程中减少了材料的浪费，提高了资源利用效率。
3. 自修复混凝土能够有效延长建筑物的使用寿命，减少维护和修复工作的频率和成本。
三、自修复混凝土的研究进展自修复混凝土的研究和应用始于1995年。
研究集中在以下几个方面：1. 微生物修复：通过注入含有特定细菌的溶液，细菌在混凝土中生长并形成石灰岩沉淀，填充微裂缝。
2. 微胶囊修复：在混凝土内部注入微胶囊，当微裂缝出现时，微胶囊会破裂释放胶体或树脂来填充裂缝。
3. 自愈合剂修复：将自愈合剂加入混凝土中，当混凝土出现微裂缝时，自愈合剂会与混凝土中未反应的成分发生反应，形成胶状物质填补裂缝。
4. 物理修复：采用纤维材料、网格或超声波等物理手段来修复混凝土的损伤。
5. 化学修复：通过在混凝土中添加具有化学活性的材料，当混凝土发生损伤时，这些材料会与环境中的气体或水反应，形成新的物质填补裂缝。
四、自修复混凝土的应用前景自修复混凝土的研究在实验室阶段已取得了一定的进展，但在工程实践中的应用仍相对较少。
然而，随着对建筑结构安全性要求的提高和对可持续发展的追求，自修复混凝土有着广阔的应用前景。
1. 自修复混凝土可以增加建筑物的使用寿命，减少维护和修复的频率和成本，提高经济效益。
混凝土自愈合材料的研究混凝土自愈合材料的研究1.引言混凝土是建筑工程中最常用的材料之一，但它存在着一个显著的问题，即裂缝的产生。
这些裂缝会导致混凝土结构的强度和耐久性下降，从而影响结构的安全性和使用寿命。
自愈合材料的出现为解决这个问题提供了一种新的思路。
混凝土自愈合材料可以填补裂缝，从而恢复混凝土的强度和耐久性。
本文旨在介绍混凝土自愈合材料的研究进展和相关方法。
2.混凝土自愈合材料的原理混凝土自愈合材料的原理是利用各种外部刺激来触发自愈合。
其中，最常见的方法是使用微胶囊和纤维。
微胶囊中的自愈合剂在裂缝出现时会释放出来填补裂缝，从而修复混凝土。
纤维可以增加混凝土的韧性，在裂缝发生时抵抗裂缝的扩展。
3.混凝土自愈合材料的研究进展混凝土自愈合材料的研究已经进行了很长时间，并且已经取得了显著的进展。
目前，自愈合材料主要分为以下几类：（1）微胶囊自愈合材料微胶囊自愈合材料是最常见的混凝土自愈合材料之一。
其原理是在混凝土中添加微胶囊，这些微胶囊中含有自愈合剂。
当混凝土发生裂缝时，微胶囊中的自愈合剂会被释放出来，填补裂缝。
目前，常用的微胶囊材料包括聚合物、硅胶和蜡等。
（2）纤维自愈合材料纤维自愈合材料是一种通过增加混凝土的韧性来防止裂缝扩展的方法。
在混凝土中添加纤维可以有效地提高混凝土的韧性，从而抵抗裂缝的扩展。
目前，常用的纤维材料包括钢纤维、碳纤维和玻璃纤维等。
（3）微生物自愈合材料微生物自愈合材料是一种通过利用微生物来填补混凝土中的裂缝的方法。
当混凝土中出现裂缝时，这些微生物会在裂缝处生长，并产生胶原蛋白等物质来填补裂缝。
目前，常用的微生物包括细菌和真菌等。
4.混凝土自愈合材料的制备方法混凝土自愈合材料的制备方法有很多，其中一些常见的方法包括：（1）微胶囊自愈合材料的制备方法将自愈合剂加入微胶囊的内部，并将其添加到混凝土中。
在混凝土发生裂缝时，微胶囊中的自愈合剂会被释放出来，填补裂缝。
制备微胶囊的材料可以是聚合物、硅胶和蜡等。
混凝土中自愈合技术的研究与应用一、引言随着世界经济的发展和城市化进程的加快，建筑物的数量不断增加，建筑材料的需求量也与之同步增长。
混凝土作为建筑材料的主要组成部分之一，其使用量也在不断增加。
然而，混凝土在使用过程中难免会受到各种因素的影响而产生裂缝，这些裂缝不仅会影响混凝土的性能，还会影响建筑物的使用寿命和安全性。
为了解决这一问题，自愈合技术应运而生。
二、自愈合技术的定义自愈合技术是指在材料中添加特定的物质，当材料发生裂缝时，这些物质会在裂缝中迅速反应，形成一种具有自愈合能力的物质，填补裂缝并恢复材料的完整性。
三、自愈合技术的研究进展1. 自愈合机理的研究自愈合技术是一项复杂的技术，其核心是自愈合机理的研究。
目前，研究人员主要从以下几个方面探索自愈合机理：自愈合物质的选择、物质的反应机理、物质的反应速率等。
2. 自愈合物质的选择目前，自愈合材料的选择主要包括高分子材料、微生物材料、纳米材料等。
其中，高分子材料具有成本低、施工方便等优点，但其自愈合能力较弱；微生物材料具有自愈合能力强、环保等优点，但在施工和维护过程中需要特殊的条件和技术；纳米材料具有自愈合能力强、耐久性好等优点，但其成本较高，需要进一步的研究和开发。
3. 自愈合物质的反应机理自愈合物质的反应机理与其自愈合能力密切相关。
目前，研究人员主要从分子层面、材料内部结构等方面探索自愈合物质的反应机理。
例如，环氧树脂中添加的微胶囊内含有单体和催化剂，当裂缝出现时，单体和催化剂会自动释放出来，在空气中迅速反应，形成聚合物填补裂缝。
4. 自愈合物质的反应速率自愈合物质的反应速率是影响自愈合能力的重要因素之一。
研究人员通过调整自愈合物质的组成、形状等因素，可以提高其反应速率。
例如，将微胶囊中的单体分散成更小的颗粒可以提高反应速率。
四、自愈合技术在混凝土中的应用1. 自愈合混凝土的制备自愈合混凝土的制备需要在混凝土中添加自愈合物质，并通过特定的施工工艺将其均匀分布在混凝土中。
自生性微生物修复混凝土的研究进展一、前言混凝土是一种广泛使用的材料，但它的使用寿命受到许多因素的影响，如环境因素、施工质量等。
微生物修复技术是一种新兴的混凝土修复技术，该技术使用自生性微生物修复混凝土中的裂缝和损伤，从而提高混凝土的使用寿命。
本文将对自生性微生物修复混凝土的研究进展进行详细的探讨。
二、自生性微生物修复混凝土的原理混凝土中的微生物可以利用混凝土中的营养物质生长和繁殖，从而修复混凝土的裂缝和损伤。
自生性微生物修复技术是一种利用混凝土中的自生微生物来修复混凝土的技术。
在混凝土中添加一些有益的微生物，可以增加微生物的数量，从而提高混凝土的自愈合能力，使混凝土的使用寿命得到延长。
三、自生性微生物修复混凝土的优点1. 自生性微生物修复混凝土的修复效果好。
微生物在混凝土中自行生长，可以填补混凝土中的裂缝和损伤，从而修复混凝土。
2. 自生性微生物修复混凝土的成本低。
与传统的混凝土修复方法相比，自生性微生物修复混凝土的成本更低，因为微生物可以自行生长，不需要额外的成本。
3. 自生性微生物修复混凝土的环保性好。
微生物可以自行生长和繁殖，不会对环境造成污染。
四、自生性微生物修复混凝土的研究进展1. 微生物的筛选微生物的筛选是自生性微生物修复混凝土的关键。
目前，常用的微生物包括细菌、真菌和酵母等。
研究人员通过对混凝土中微生物的分离和鉴定，筛选出一些具有修复能力的微生物。
例如，研究人员通过筛选出的一株芽孢杆菌能够在混凝土中生长和繁殖，从而修复混凝土中的裂缝和损伤。
2. 微生物的添加方法微生物的添加方法是自生性微生物修复混凝土的另一个关键。
目前，常用的微生物添加方法包括直接添加和控释添加两种方式。
直接添加是将微生物直接添加到混凝土中，控释添加是将微生物包装在微胶囊中，然后将微胶囊添加到混凝土中。
通过控释添加可以控制微生物的释放速度，从而提高混凝土的修复效果。
3. 微生物对混凝土性能的影响微生物对混凝土的性能有一定的影响。
混凝土自修复技术的研究进展与展望一、引言混凝土自修复技术是近年来工程领域中备受瞩目的研究方向之一。
它能够有效地提高混凝土结构的耐久性和可靠性，延长混凝土结构的使用寿命，降低维护和修复成本。
本文旨在回顾混凝土自修复技术的发展历程，分析其优缺点，并对未来发展进行展望。
二、混凝土自修复技术的发展历程1.传统修复方法传统的混凝土结构修复方法主要包括破坏部位的拆除、重新浇筑混凝土或者使用钢板加固等方法。
这些方法具有一定的效果，但是需要停机维修，耗时耗力，成本高昂。
2.微生物自修复技术微生物自修复技术是一种新型的混凝土自修复技术。
研究表明，一些细菌可以在混凝土中生长繁殖，并在混凝土受到破坏时产生胶状物质填补裂缝，从而实现混凝土的自修复。
这种方法具有环保、经济、高效等优点，但是需要较长时间才能达到修复效果，且需要复杂的管理和维护。
3.化学自修复技术化学自修复技术是通过在混凝土中添加化学物质，使其在混凝土受到破坏时自动产生胶状物质填补裂缝。
这种方法具有速度快、效果好等优点，但是需要添加化学物质，可能对环境造成影响，且添加的化学物质可能与混凝土发生反应导致混凝土性能下降。
4.热自修复技术热自修复技术是通过在混凝土中添加特殊材料，使其在混凝土受到破坏时产生热量，从而实现混凝土的自修复。
这种方法具有效果好、速度快等优点，但是需要添加特殊材料，成本较高，且可能对环境造成影响。
5.光自修复技术光自修复技术是通过在混凝土中添加光敏材料，当混凝土受到破坏时，光敏材料会受到光刺激产生活性物质填补裂缝，从而实现混凝土的自修复。
这种方法具有环保、高效等优点，但是需要添加光敏材料，成本较高。
6.电化学自修复技术电化学自修复技术是通过在混凝土中添加电极，当混凝土受到破坏时，电极会产生氢气和氧气填补裂缝，从而实现混凝土的自修复。
这种方法具有速度快、效果好等优点，但是需要添加电极，成本较高。
三、混凝土自修复技术的优缺点分析1.优点（1）提高混凝土结构的耐久性和可靠性；（2）延长混凝土结构的使用寿命；（3）降低维护和修复成本；（4）环保、高效。
文章编号:1671-3559(2006)04-0287-05收稿日期:2006-03-01基金项目:山东省博士基金(03BS060)作者简介:刘 鹏(1982-),男,山东滕州人,硕士生。
自修复混凝土研究进展刘 鹏,贾 平,周宗辉,程 新(济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022)摘 要:智能混凝土是建筑材料与智能科技相结合的产物,是智能材料的一种。
自修复混凝土是智能混凝土发展的高级阶段。
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。
自修复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。
全面回顾了自修复混凝土的发展背景和国内外的研究现状,阐述了现今自修复混凝土研究与应用中存在的问题,通过深入分析,展望了自修复混凝土的发展趋势和应用前景。
关键词:混凝土;微损伤;自修复中图分类号:T U528文献标识码:A水泥混凝土是当今使用最广泛的建筑材料,也是目前最大宗的人造材料。
混凝土具有抗压强度高、耐久性好、成本低等优点,广泛应用于工业与民用建筑物。
随着现代材料科学的不断进步,混凝土逐渐向高强、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[2-4]。
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[5]。
混凝土产生裂缝不仅导致其强度降低,而且空气中的C O 2,S O 2,NO x ,H 2S 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[6]。
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修复,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,如果不能及时进行修复,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[7-8]。
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[9]。
日常生活中可以看到,人的皮肤划破后,经过一段时间皮肤会自然长好;骨头折断后,只要对接好骨缝,断骨就会自动愈合[10]。
自修复是生物的重要特征之一[11-12]。
自修复的核心是物质补给和能量补给,其过程由生长活性因子来完成。
这些事实和理论启迪了科学家们对材料自修复的构思。
由此展开了自愈合混凝土[13-14]的研究和开发,使混凝土能够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复甚至提高混凝土材料的性能,这也是新型智能混凝土[15-16]的大势所趋。
1 自修复混凝土微损伤的自修复机理自修复混凝土,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[17],指的是“能感知环境条件,并做出相应行动”的材料[18]。
自修复混凝土,是模仿生物机体受创伤后的再生、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[19],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,这可以提第20卷第4期2006年10月济南大学学报(自然科学版)JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1)V ol.20 N o.4Oct.2006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[20-21],如图1和图2所示[30]。
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3是在自修复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 内置空心胶囊的自修复混凝土机理示意图a 胶囊模型;b 医用针剂模型;c 空心玻璃纤维管模型。
图3 放置胶粘剂的三种模型2 自修复混凝土的研究进展从上个世纪中叶起,国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材料的研究,并取得了一些有价值的科技成果[22-27]。
如水泥基导电复合材料、水泥基压电复合材料、具有屏蔽电磁场的水泥基复合材料、损伤自诊断水泥基复合材料等。
但是如何适时快速地自修复混凝土材料内部的损伤,以及对自修只有美国、日本等少数几个西方国家处于实验室探索阶段,但尚未取得实质性的突破[30-32]。
2.1 国外的发展现状和水平关于混凝土裂纹自修复的研究,可以追溯到1925年,Abram 发现混凝土试件在抗拉强度测试开裂后,将其放在户外8年,裂缝竟然愈合了,而且强度比先前提高了两倍[33]。
后来挪威学者Stefan Ja 2cobsen 的研究也表明,混凝土经过冻融循环损伤后,将其放置在水中2～3个月,混凝土的抗压强度恢复了4%～5%。
20世纪90年代初,日本对自修复混凝土材料的研究取得很大发展[34]。
日本东北大学学者三桥博三教授将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中,分别用水玻璃、稀释水玻璃和环氧树脂作为修复剂,将其注入空心胶囊或空心玻璃纤维中,当混凝土在外力作用下发生开裂,部分胶囊或空心纤维发生破裂,胶粘剂流出渗入裂缝可使混凝土裂缝重新愈合。
他们的试验方法是:通过制作龄期为7d 和28d 的混凝土试件,来测试经不同修复剂修复开裂后混凝土试件的强度恢复率[30]。
1994年美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry [35]教授,将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到空心玻璃纤维或者空心玻璃短管内,放入到混凝土中,从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。
当混凝土结构在使用过程中出现损伤和裂纹时,管内或短管内装的修复剂流出渗入裂缝,由于化学反应使修复胶粘剂固化,从而起到抑制开裂修复混凝土裂缝的作用。
修复后的混凝土试件经过3点弯曲实验,发现其强度比先前还有了较大提高,并且材料的延性也得到了较大的改善。
在此基础上,Carolyn Dry 还根据动物骨骼的结构和形成机理,尝试制备仿生混凝土材料,其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)作为基体材料,在其中加入多孔的编织纤维网。
在水泥水化和硬化过程中,多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物,聚合反应留下的水分参与水泥水化。
这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物,它们相互穿插粘结,最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的复合材料,具有优异的强度及延伸率等性能。
此外,在材料使用过程中,如果发生裂纹或损伤,多孔有机纤维也会释放高聚物,愈合裂纹或损伤。
1996年,美国Illinois 大学的ATRE 实验室在混凝土桥面内预装有低模量的内含修复胶粘剂的修复管,当混凝土产生横向收缩时,横向收缩应变使管破裂,修复胶粘剂从管中留出,填充愈合桥面的裂缝[36]。
实验证明,这种方法用来修复桥面横向收缩引起的裂缝是可行的。
由于修复胶粘剂弹性模量低,裂缝愈合区比未开裂之前有更大的承受变形的能力。
美国加州大学伯克利分校的日本学者J-S Ryu 和东京理工大学的N obuaki Otsuki教授,研究了利用电化学技术对钢筋混凝土裂缝实施愈合[37],并取得了一定实验性成果。
首先,他们在100mm×100mm ×200mm混凝土试件上预制裂纹,可以是表面裂纹也可以是穿透裂纹,然后将带有预制裂纹的试件浸泡在0.1m ol・L-1的MgC12或Mg(NO3)2溶液中,施加电流密度为0.5～1.0A・m-2的直流电源。
由于裂纹尖端附近存在更高的电流密度,电沉积先在裂纹尖端形成,裂纹尖端的曲率半径逐渐增大,最后可以达到完全钝化;然后,在混凝土表面覆盖约0.5 mm～2mm的电沉积物。
在通电的前两个星期内,裂纹闭合速度最快,4～8个星期后,裂缝几乎完全闭合,而且渗透率降低了。
日本学者沼尾达弥还研究了自修复混凝土中纤维不同掺量、尺寸和不同的水灰比等因素对混凝土自修复产生的影响,直径范围在3～5mm,质量掺量为3%～5%的玻璃纤维对混凝土抗压强度的影响差别不大。
但是过多的掺入玻璃纤维,将会导致混凝土强度的下降。
不同水灰比对修复混凝土抗压强度也有较大的影响,水灰比越大,混凝土的抗压强度越低。
2.2 国内的研究现状和水平目前,国内对智能材料结构的研究一般都集中在对它的自诊断、自适应功能上,对于自修复的研究尚处于刚刚起步阶段[20],与西方发达国家相比还有很大的差距。
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[38]。
1997年,他们研究了利用形状记忆合金(S MA丝)和液芯光纤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,采用E44和E51的环氧树脂,做了初步的试验:在混凝土中埋入形状记忆合金和液芯光纤,光纤的出射光由光敏管接受,当损伤发生时,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S MA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,S MA激励时所产生的热量,将提高固化的质量,使得自修复完成得更好。
2001年,南京航空航天大学的杨红[39-40]提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。
首创了用于智能结构的空心光纤研究方法,并对其进行了应用基础研究。
此外,还设计出了复合材料诊断与修复系统,用于检测复合材料损伤程度与位置,以及对损伤处进行自修复等。
