自修復(fù)混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展

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1、自修復(fù)混凝土的基本特征
    自修復(fù)是生物的重要特征之一[4]。自修復(fù)的核心是物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給，其過(guò)程由生長(zhǎng)活性因子來(lái)完成[5]。自修復(fù)混凝土是模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生，恢復(fù)機(jī)理，采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，對(duì)材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。
    據(jù)此，學(xué)者們?cè)O(shè)想具有自修復(fù)行為的智能材料模型為，在材料的基體中布有許多細(xì)小纖維的管道。管中裝有可流動(dòng)的物質(zhì)——修復(fù)劑。在外界環(huán)境作用下，一旦材料基體開(kāi)裂，則纖維隨即裂開(kāi)，其內(nèi)裝的修復(fù)劑流淌到開(kāi)裂處，由化學(xué)作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)粘合，從而抑制開(kāi)裂修復(fù)材料。這可以提高開(kāi)裂部分的強(qiáng)度，增強(qiáng)延性彎曲的能力，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能[6]。若采用低模量的膠粘劑修復(fù)混凝土，則可以改善建筑結(jié)構(gòu)的阻尼特性，以減輕地震的大風(fēng)對(duì)建筑物的破壞；如果膠粘劑彈性模量較大，則可以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度；不同凝固時(shí)間的膠粘劑可以用于對(duì)結(jié)構(gòu)的彎曲進(jìn)行控制。
    自修復(fù)混凝土，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是一種機(jī)敏混凝土。機(jī)敏混凝土是一種具有感知和修復(fù)性能的混凝土,是智能混凝土的初級(jí)階段,是混凝土材料發(fā)展的高級(jí)階段[7]。由這種材料構(gòu)建的混凝上結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋和損傷后，如何利用自身的材料特性達(dá)到自修復(fù)、自鈍化，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)起到自防護(hù)的作用，是我們關(guān)注的主要問(wèn)題。近年來(lái),損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機(jī)敏混凝土的相繼出現(xiàn)為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來(lái)，可在自修復(fù)混凝土的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入信息科學(xué)的內(nèi)容，如感知、識(shí)別和驅(qū)動(dòng)控制等。從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境、材料結(jié)構(gòu)和健康狀況的自診斷和自修復(fù)等目的。使其具有多種完善的仿生功能，包括骨骼系統(tǒng)（基材）提供的承載能力，神經(jīng)系統(tǒng)（傳感網(wǎng)絡(luò)）提供的檢測(cè)和感知能力，肌肉系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)元件）提供的康復(fù)能力，真正達(dá)到混凝土材料的結(jié)構(gòu)——智能一體化的境界[8]
    2、國(guó)內(nèi)外的研究狀況與存在的問(wèn)題
    智能混凝土是材料學(xué)的一個(gè)研究分支，其起源可追溯到上世紀(jì)六十年代，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)科學(xué)家采用碳墨為導(dǎo)電組分制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。八十年代末期，日本土木工程界的研究人員設(shè)想并著手開(kāi)發(fā)構(gòu)筑高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對(duì)混進(jìn)變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。美國(guó)在1993年，由于有國(guó)家科學(xué)基金的資助，開(kāi)辦了與土木建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。然而，正如前面所說(shuō)，智能混凝土材料是具有若干個(gè)S行為的材料[9],即具有自我診斷功能(self-diagnosis)、自我調(diào)節(jié)功能(self-tuning)、自我恢復(fù)功能(self-recovery)、自我修復(fù)功能(self-repair)等多種功能的綜合,缺一不可，以目前的科技水平，制備完善的智能混凝土材料是相當(dāng)困難的，也是不現(xiàn)實(shí)的。
    2.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀
    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外雖然先后開(kāi)展了智能仿生混凝土的研究，并取得了一些有價(jià)值的成果。如相繼出現(xiàn)的水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料、水泥基磁性復(fù)合材料、具有屏蔽磁場(chǎng)和電磁波的水泥基復(fù)合材料、損傷自診斷水泥基復(fù)合材料、自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度的水泥基復(fù)合材料等。但是如何對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋和損傷進(jìn)行及時(shí)、有效、快速的修復(fù)和愈合，還未形成比較完善的理論和成熟的工藝技術(shù)，目前只有美國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，尚未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。
    研究混凝土裂紋的自防護(hù)最早可以追溯到1925年[10]，Abram發(fā)現(xiàn)混凝上試件在抗拉強(qiáng)度測(cè)試開(kāi)裂后，將其放在戶外8年，裂紋竟然愈合了，而且強(qiáng)度比先前提高了兩倍。后來(lái)挪威學(xué)者Stefan Jacobsen的研究也表明，混凝土在凍融循環(huán)損傷后，將其放置在水中2～3個(gè)月，混凝土的抗壓強(qiáng)度有了4～5％的恢復(fù)。在混凝土裂紋自防護(hù)問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外的研究者提出了各種方法。研究者受生物界的啟示，模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法，使材料損傷破壞后具有自行修復(fù)和再生功能。在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特殊組分或者在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土材料出現(xiàn)裂紋時(shí)，部分膠粘劑流出并深入裂縫，使混凝土裂縫重新愈合。
    美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的日本學(xué)者J.-S.Ryu 和東京理工大學(xué)的Nobuaki Otsuki教授應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土裂縫實(shí)施愈合作了一些研究[11]，并取得了一定實(shí)驗(yàn)性成果。首先，他們?cè)?00×100×200mm混凝土試件上預(yù)制裂紋，可以是表面裂紋也可以是穿透裂紋，然后將帶有預(yù)制裂紋的試件浸泡在0.1mol/L的MgC12或Mg(NO3)2溶液中，施加電流密度為0.5～1.0A/m2的直流電源。由于裂紋尖端附近存在更高的電流密度，電沉積先在裂紋尖端形成，裂紋尖端的曲率半徑逐漸增大，最后可以達(dá)到完全鈍化；然后，在混凝土表面覆蓋約0.5~2mm的電沉積物。在通電的前兩個(gè)星期內(nèi)，裂紋閉合速度最快，4～8個(gè)星期后，裂縫幾乎完全閉合，而且滲透率降低了。還有學(xué)者在混凝土中摻入特殊的活性無(wú)機(jī)料和有機(jī)化合物，依靠自身的進(jìn)一步水化反應(yīng)和有機(jī)物在堿性條件下緩慢硬化的特性，使混凝土裂紋達(dá)到自修復(fù)、自鈍化的目的。
    九十年代初期，日本東北大學(xué)學(xué)者三橋博三[12]教授將內(nèi)含膠粘劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中，分別用水玻璃、稀釋水玻璃和環(huán)氧樹(shù)脂作為修復(fù)劑，將其注入空心膠囊或空心玻璃纖維中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或空心纖維破裂，膠粘劑流出深入裂縫，膠粘劑可使混凝土裂縫重新愈合。他們的試驗(yàn)方法是：通過(guò)制作齡期為7天和28天的混凝土試件，來(lái)測(cè)試經(jīng)不同修復(fù)劑修復(fù)開(kāi)裂后，混凝土試件的強(qiáng)度恢復(fù)率。
    日本學(xué)者沼尾達(dá)彌[13]還研究了自修復(fù)混凝土中的不同的纖維摻量、尺寸和不同的水灰比等因素對(duì)混凝土自修復(fù)產(chǎn)生的影響，直徑為3mm～5mm，摻量 3％～5％的玻璃纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響差別不大。但是過(guò)多的摻入玻璃纖維，將會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降。不同水灰比對(duì)修復(fù)混凝土抗壓強(qiáng)度也有較大的影響，水灰比越大，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低。&nbs