自愈合混凝土

关于自愈合混凝土概要自愈合混凝土的发展混凝土的自愈合性能自愈合混凝土内置液芯胶囊法多孔纤维网修复法形状记忆合金内掺有机化合物法掺入特殊材料

第2页,共23页，星期六，2024年，5月自愈合混凝土的发展1925年学者Abrams第一个发现了混凝土的自行愈合现象，开裂试件在户外放置8a后愈合了裂缝，并提高了抗压强度。这一发现使通过混凝土自愈合而修复结构变得可行。随着国内外学者在这方面的进一步研究显示依靠混凝土本身的愈合能力不能达到理想的修复效果。于是人们开始寻求其他的方法来实现混凝土自己愈合裂缝的目的。比如目前研究较多的仿生自愈合技术。基于混凝土自身的愈合机理，也有采用催化结晶涂料的自愈合方法，通过催化混凝土中游离的钙离子和未水化的水泥发生反应达到愈合裂缝的目的。更有学者研究了在水泥基中掺入耐碱微生物对水泥基试件愈合性能的影响。第3页,共23页，星期六，2024年，5月混凝土的自愈合性能

在混凝土裂缝自愈合研究的初期阶段，主要是基于混凝土本身潜在的愈合能力的研究，实际体现在对于其机理和愈合效果的研究。

J.Stefan（1995）将混凝土试件冻融破坏后，放置水中2～3个月后混凝土几乎能全部恢复损失的共振频率，并且裂缝中有钙矾石晶体和氢氧化钙晶体。

此实验是在有水环境中且产生了水泥水化产物，这说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。第4页,共23页，星期六，2024年，5月14d混凝土自愈合生成物XRD图谱（100％水泥）第5页,共23页，星期六，2024年，5月28d混凝土自愈合生成物XRD图谱（100％水泥）第6页,共23页，星期六，2024年，5月

X射线衍射图谱可以看出，经过自愈合的混凝土裂缝处主要产物基本相同，为Ca(OH)2、CaCO3

、水泥水化产物，裂缝处还有少量未水化的水泥，粉煤灰颗粒。对比14d和28d两个龄期的图谱，可以看出，随着龄期的增长，裂缝处未水化的水泥熟料和Ca(OH)2晶体数量逐渐减少。第7页,共23页，星期六，2024年，5月混凝土自愈合产物的SEM照片（100％水泥）14d(左）28d（右）第8页,共23页，星期六，2024年，5月

14d龄期时，纯水泥混凝土试件，裂缝表面主要为颗粒状的水化硅酸钙、片状的Ca(OH)2、呈层状方块的CaCO3和部分未水化的水泥颗粒。可以清晰地看到裂缝最外部为粒径在1μm左右的CaCO3晶体，结晶情况良好，生长在片状Ca(OH)2之上，裂缝表面的空隙内部为水化硅酸钙，尚有少量未水化的水泥颗粒嵌

于裂缝表面。

与14d龄期的混凝土试件相比，28d龄期纯水泥的混凝土试件，裂缝处片状的Ca(OH)2和层状方块CaCO3晶体数量明显增多，结晶程度明显更好。第9页,共23页，星期六，2024年，5月

研究发现混凝土的自愈合能力存在一个损伤阈值，损伤小于损伤阈值时随损伤的增大，自愈合率也增大；损伤大于损伤阈值则随损伤的增大，自愈合率减小。

通过研究，混凝土本身的愈合能力非常有限，不仅需要合适的湿度等条件，而且愈合较缓慢，即使改变混凝土的成分，对其愈合能力的提高也满足不了预期修复水平。通过激发混凝土本身的愈合能力来修复结构可行性不大。因此有学者开始研究

模仿生物的愈合现象来愈合材料的研究，而这种材料就被称为仿生自愈合材料。其中仿生自愈合混凝土的研究思路大致分为三类：纤维管+胶粘剂；胶囊+胶粘剂；形状记忆合金。第10页,共23页，星期六，2024年，5月内置液芯胶囊法美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry和日本东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中,一旦混凝土在外力作用下发生开裂,部分胶囊或空心纤维破裂,粘结液流出深入裂缝,粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。如图1所示,a:内含修补剂的胶囊被事先埋藏于混凝土内;b:裂缝的发生使胶囊破裂,修补剂流出;c:流出的修补剂修复了裂缝。第11页,共23页，星期六，2024年，5月图1内置胶囊仿生自愈合混凝土自愈合机理示意图第12页,共23页，星期六，2024年，5月多孔纤维网修复法

在含有单聚物的磷酸钙水泥基材中加入多孔的编制纤维网。一旦混凝土在外力作用下发生开裂,部分纤维网破裂,粘结液流出深入裂缝,粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。

其作用机理如图2所示,1聚合反应引发剂释放,与基体中的单聚物反应;2形成高聚物并释放出水分;3聚合反应释放出水分与水泥反应;4修补液从纤维中流出可以修补材料内部的微裂缝。第13页,共23页，星期六，2024年，5月图2仿生自愈合水泥基材料的组成及其作用机理第14页,共23页，星期六，2024年，5月形状记忆合金

形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简称SMA）可有效的自修复混凝土产生的裂缝，提高混凝土结构的阻尼耗能能力，且SMA本身作为抗拉材料具有强度高，耐腐蚀的优点。

近年来国内外工程界的研究人员对SMA材料的力学性能进行了全面细致的研究，并且将SMA材料与混凝土结合，利用SMA良好的物理力学性能来改善混凝土构件的力学性能并控制其变形和裂缝。按照SMA材料与混凝土结构的结合方式分为SMA外置和SMA内置。第15页,共23页，星期六，2024年，5月EunsooChoi等研究了利用SMA材料对混凝土柱（图3）进行环向约束，施加荷载后，混凝土柱的力学性能发生改变。他们的研究特点是对混凝土圆柱外置SMA丝环绕而成的类似外套的装置。通过对试验数据的分析，外置SMA丝并没有显著提高混凝土柱的抗弯性能，但其增加柱的延性的效果很明显，这对抗震加固是十分有利的。研究得出结论，这种应用方式的优点在于：耐腐蚀，免维护，可实现机械化自动安装，增加恢复应力，使破坏应力提高20％。第16页,共23页，星期六，2024年，5月图3安装形状记忆合金外套及试验过程第17页,共23页，星期六，2024年，5月

兰州理工大学狄生奎、李慧等通过试验研究了混凝土梁在加载过程中Ni-TiSMA丝电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度的关系，及通电激励SMA丝恢复混凝土裂缝的变化规律。结果表明，在0.3mm范围内SMA更为敏感，通电激励SMA丝能够很好地愈合混凝土裂缝。

日本YujiSakai等将直径2mm的超弹SMA预埋在砂浆梁中，进行三点弯曲实验，与普通梁比较，SMA提高了梁的变形能力，卸载之后，SMA梁的变形几乎全部恢复了。

采用SMA可以对混凝土变形起到一定的恢复作用，并且可与其他方法结合，具有一定的发展前景。第18页,共23页，星期六，2024年，5月第19页,共23页，星期六，2024年，5月内掺有机化合物法在硅酸盐水泥中掺入特殊有机化合物,并搅拌均匀,生成所谓“生物水泥“。其中一种有机化合物按要求使用时会形成一种含盐度比普通地下水大得多的溶液,该液体携带化合物深入到水泥基材料中,即开始了渗透过程,这种过程可以顺水压也可逆水压发生。另一种常用的有机化合物是不含固化剂的环氧树脂,在碱性和含OH-的环境下,环氧树脂具有缓慢硬化的特征,未硬化的环氧树脂被已硬化的包住,而形成自封的微胶囊,一旦有裂纹,微胶囊易破裂,流出,从而将开裂的混凝土粘结在一起。其机理如图4。第20页,共23页，星期六，2024年，5月图4水泥基材料的损伤自愈合示意图第21页,共23页，星期六，2024年，5月余剑英、李旺林等利用平板法试验使混凝土形成不同宽度的裂缝，通过后期养护来直观表征渗透结晶型防水材料对混凝土裂缝自愈合能力的影响。结果表明，渗透结晶型防水材料对混凝土初期宏观裂缝有明显的抑制作用。且该防水材料为水泥掺量的1%时