材料论文-自愈合混凝土的现状及其发展

自愈合混凝土的研究现状及其发展戴强MZ150502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ResearchandProgressofSelf-healingConcreteDaiQiangMZ150502(CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou,Jiangsu)Abstract:Whencracksappearedinconcreteduetoforceorotherfactors,theusefullifeofconcretewilldecrease.Whencracksappear,theself-repairingconcretewillexcretephlegm.Thephlegmflowsintothecracksandmakesthemhealandrestore,anditcanevenenhancetheperformanceofconcrete.Theself-repairinginconcretecanretrenchthehighcostofeffectivemonitoring,maintenanceandstructurerunning,andgreatlyimprovesafetyanddurabilityofconcretestructures.Inthepaper,firstly,withabriefintroductiontotheself-repairingpropertiesofbiomaterials,twotypesofcrackself-repairingaresummarized.Secondly,thestateoftheartsathomeandabroadofcrackself-repairinginconcretematerialsisgiven.Thirdly,theproblemsexistinginthetechnologiesofself-repairingandtheirpracticabilityareanalyzed;theprospectsofapplicationsarediscussed.Finally,somefutureresearchdirectionsaresuggested.Keywords:self-healing;repire;concrete;intelligentmaterial;researchadvances自愈合混凝土的研究现状及其发展戴强MZ1505021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。自愈合混凝土的研究现状及其发展戴强MZ150502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自愈合混凝土的研究现状及其发展戴强MZ1505023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CarolynDry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()gmucukumut(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，愈合混凝土自愈合混凝土的研究现状及其发展戴强MZ150502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3cosDrD（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。试验自愈合混凝土的研究现状及其发展戴强MZ150502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