自愈合自修护混凝土的技术应用与前景分析

　　随着现代科学在不断进步，人们的需求也在不断提高，混凝土作为一大建筑材料在房屋、桥梁、道路等领域发挥着巨大的作用，其具有抗压强度好，结构稳定，不易腐蚀等特点，但它的缺点就是脆性大。在其特殊的使用环境下，其易出现裂缝，而裂缝混凝土安全性降低，使用功能降低的重要原因，所以怎么样让混凝土裂缝愈合是我们要考虑的。

　　自愈合自修护混凝土是混凝土出现裂缝时能够自主的实现裂缝的修补，我们知道在我们人和动物的生命系统中，当我们的身体出现创伤时，身体会自动的通过补给能量完成伤口的愈合，自愈合自修护混凝土就是模仿我们的再生机理从而继续实现着自己的价值，自修护混凝土其实也算是智能混凝土中的一种。自修护混凝土提高了使用寿命，在一些重要的受力地方也是保证着我们生命和财产安全，同时也降低了后期的维护成本，具有很大的经济和社会效益，对于自愈合自修护混凝土的技术方法也是多种多样的。

　　原理

　　结晶沉淀就是利用化学反应产生碳酸钙晶体的过程，在物理、热学与力学过程对混凝土有裂缝损伤的部位进行修护，在自然环境中的裂缝，其表面微溶于水的氢氧化钙会和空气中的二氧化碳发生化学反应。产生了难溶于水的碳酸钙晶体沉淀，随着时间的推移，碳酸钙晶体在裂缝中会越来越多，而相邻的晶体也会逐渐结晶聚集形成整体，最终填满裂缝，实现混凝土的自修护。

　　影响因素

　　混凝土材料以碳酸钙晶体沉淀来实现自己的自修护是一种自然现象，根据修护条件，其过程中必须要有水分的参与，要保证混凝土处在一个良好的湿度环境，其碳酸钙的生长结晶，主要取决于混凝土裂缝表面中的钙离子。和水分中的碳酸氢根离子或碳酸根离子，碳酸钙晶体的形成速度和晶体数量与空气中的湿度、温度、PH、溶液中的离子浓度以及碳酸钙晶体溶解程度等因素都有很大关系。但从化学反应过程中的热力学分析，我们可以通过提高反应温度，提高结晶环境的PH值以及降低CO2压力等途径。从而加快结晶体的形成以快速达到修复裂缝的目的。并且裂缝的宽度、混凝土材料的组成种类及水压力都会影响碳酸钙晶体的结晶速度，如果对裂缝表面施加稳定的压力，也会一定程度上促进裂缝的愈合，并且晶体沉淀的过程不能发生在裂缝处有较剧烈的晃动，或者水流直接冲击的地方，这些都会破坏晶体修补裂缝，如果水流较缓慢，相反会增加空气的湿度，会促进晶体的形成速度。

　　原理

　　渗透结晶有两种，根据其结晶方式不同分为沉淀反应结晶机理和络合-沉淀反应机理，渗透结晶是在制作混凝土的过程中加入活性外加剂，或者在混凝土的养护过程中在其表皮上涂抹活性外加。我们知道水具有很强的渗透性，所以活性剂会以水为载体渗透到混凝土的各个部位，同时活性剂也会催化没有完全水化的水泥颗粒，使其结晶，当没有水分时，活性剂就会处于休眠状态。当混凝土由于外界原因出现裂缝时，外部环境的水分就会渗入裂缝激活处于休眠状态的活性剂，在以水分为载体的状态下，活性剂就会在混凝土内部流动，而混凝土在制作过程中存在大量的未被水化的水泥颗粒，当活性剂碰见这些未被完全水化的水泥颗粒时就会产生新的结晶体进而填补裂缝，实现混凝土裂缝的自修复。

　　影响因素

　　根据渗透修护的原理可以知道，修护必须要有足够的水分参与，水是激活活性剂的必要条件，只有保证足够的湿度，活性剂以水为载体才能进行扩散，此外混凝土裂缝的大小，活性剂的选择，以及混凝土内部未水化的水泥颗粒的数量，都会对修护效果造成不同程度的影响。渗透结晶在以水为载体的修护下可以提高混凝土的密实度，和防水性能，但是其对于裂纹宽度大于0.4mm的修护效果不尽人意，目前同济大学在渗透结晶的自修护混凝土技术上有较大的发展，其已申请相关专利，国内外也有多家公司进行销售、生产，但也只适用于裂缝较狭窄的地方。

　　聚合物固化仿生修护的修护机理是将修护材料包裹起来，提前和混凝土原料混合到一起，当混凝土破裂时，也会使混凝土内部的包裹材料破裂。从而使修护材料流出实现混凝土的自修护，其模仿的是我们人和动物在受伤时，机体自动对受伤部位通过分泌修补物质进行修补的原理，根据所采用的聚合物不同，按其裂缝自修复原理可分为空气固化原理和单体热聚合原理。

　　原理

　　空气固化原理

　　空气固化原理是当混凝土受到外界因素产生裂缝时，预埋的包裹物破裂，包裹物流出，在裂缝中修补物质与空气发生反应，使流出的修补物质固化，进而填补了混凝土裂缝让其恢复如初。

　　单体热聚合原理

　　热聚合技术是当混凝土开裂，使其预埋装有热固性聚合物的微胶囊发生开裂，使聚合物流出，与混凝土裂缝中的催化剂发生聚合反应，从而固化修护裂缝，使混凝土的稳定性得到保证。

　　影响因素

　　聚合物固化仿生包裹物在混凝土中的分布密度以及形式，以及破裂后修补物质的流出是此方法的研究重点，包裹修补物质的一般是空心玻璃管、纤维管、液芯光纤以及微胶囊等。这些包裹材料的选择也很大程度上影响了自修护的效果，且包裹物的形状、大小、强度以及数量的多少也是影响的关键因素，单体热聚合原理中催化剂种类的选择也会影响其反应的快慢，以及包裹物流出发生固化反应后，其粘结度是否能使混凝土恢复原有的强度，在混凝土中加入的被包裹的修补剂，其难免会对混凝土的强度有所影响。所以对包裹物的大小要通过设计和计算来满足不同条件下的需要，另外使包裹物在混凝土中均匀合理的分布，就能保证混凝土裂缝无处遁形，此种方法对包裹材料有较高的要求，混凝土有裂纹时，包裹材料要能够顺利破裂流出修补物质进行修补，目前大多数国家还处于实验探索阶段。

　　原理

　　电解沉积就是施加微弱的直流电在混凝土裂缝表面发生电解反应，产生了难溶于水的碳酸钙等沉淀物来填补裂缝，混凝土中的钢筋在不同环境中充当正负极，形成的沉淀物使充当导体的混凝土多了一层保护层，而且还可以保证混凝土内部的空气和液体不和外部的环境进行交换。

　　影响因素

　　影响电解的因素最主要的是有较多的水分参与才能实现电解，所以此方法对水中作业和海中作业的混凝土有较大的好处，我们知道水中和海中的氯离子对混凝土的腐蚀比较大。而电解会很大程度上提高混凝土的抗腐蚀性能，此外电流的大小、混凝土作为导体的电阻率、电解溶液中的成分和混凝土的内部的微观结构都是对电解法的重大影响。

　　原理

　　形状记忆合金是具有形状记忆功能和超弹性性能的合金，其利用合金在混凝土内部的记忆功能和较强的恢复功能来实现使混凝土的自修复，合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，这就是记忆合金的原理。而混凝土在发生裂缝时，由于伸拉会使其中的合金温度发生改变，一定的温度就会触发合金的恢复性能，恢复形变会对已有的混凝土裂缝进行修复，从而达到自修复目的。

　　影响因素

　　记忆合金也可以说是一种智能材料，在航天、医疗等方面也有较多的应用，但其受温度的影响较大，而且对于控制合金的伸拉长度较为复杂，其修复过的混凝土强度也难以保证。另外记忆合金的种类选择也起着关键的作用，而记忆合金的成本也是不小的压力，兰州理工大学狄生奎、李慧等人通过通电激励合金的实验发现这种方法也可以使混凝土较好的愈合。所以记忆合金的电阻率也将是一大影响因素，而记忆合金在不同环境下和混凝土的契合度也是决定着混凝土能否实现自修复的关键。

　　原理

　　微生物技术是在制作混凝土时加入微生物，这些微生物会在混凝土出现裂缝时，会利用自己的生命活动来产生碳酸钙沉淀，从而实现对裂缝的填充。其原理是利用微生物新陈代谢引起的尿素酶水解尿素制造氨水和二氧化碳。氨气的产生会提高环境的碱性，同时二氧化碳也成了主要的碳源。

　　影响因素

　　微生物多种多样，微生物的选择无疑是对自修护的最大影响，同样微生物的状态，分布密度也会对愈合效果产生影响，最初的混凝土搅拌加入微生物是微生物不能存活的主要原因。研究微生物的保护载体也就成了重中之重，目前，国内外研究人员已经开发出了无机多孔型、多孔轻骨料型、微胶囊型、微生物自体保护型和纳米材料型5种保护载体，传统的微生物修护是选择厌氧微生物。但是其在自修护的过程中产生的氨气和二氧化碳会改变环境的酸碱度破坏混凝土的强度和自己的生存环境，也会污染空气环境。所以Jonkers等人用好氧微生物和培养基一起混入混凝土，当没有裂缝时，无氧环境下，微生物会处于休眠状态，当混凝土由于受力等外界因素产生裂缝时。空气和水分就会进入混凝土，激活微生物，给微生物的生命活动提供了必要条件，而且微生物在新陈代谢后产生的一氧化碳会在裂缝表面与混凝土材料中的钙离子发生反应产生沉淀。从而修补裂缝，所以氧气和水分将是微生物自修护的一个重大影响因素，另外微生物在混凝土中的生命周期和裂缝的宽度也是不可忽略的因素。微生物自修护是一种绿色的自修护方式，其发展前景很可观。

　　对自修复混凝土分的技术及其原理进行了简单的分析，了解到了自修复混凝土的研究尚处于实验探索阶段，自修复混凝土技术离实际推广运用还有很长的路要走，不过可以肯定的是未来自修护混凝土一定会发展起来。在粘结物的成分，包裹物的材料，以及裂缝的宽度控制等等都是未来自修护混凝土的研究重点，只要该技术和材料的发展有所突破，对于建筑界来说无疑不是一种巨大的冲击，聚合物固化仿生技术和微生物法算是一种新型的混凝土自修护技术，未来这两种技术肯定还会有所发展，因为其符合自修护混凝土的发展趋势。

　　本文主要阐述了自修护混凝土的技术原理与影响因素，并以此展望了自修护混凝土的发展趋势，随着时代的发展，自修护混凝土一定会成为智能建筑中的一种新气象，其技术也将越来越成熟，足以应对混凝土裂缝的潜在危险，自修护混凝土为传统建筑材料提供了新的发展方向，将会有更广阔的发展前景。

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