自修复混凝土

修复胶粘剂的贮存 • 低模量胶粘剂可以改善结构阻尼特性; 内骨痂 修复剂容器 外骨痂 愈合管道 • 较硬的胶粘剂可以使受损结构重 修复剂胶粘剂至损伤处
新获得横向刚度 的传送 • 不同凝固时间的胶粘剂可以对结 修复功能的触发 构的弯曲进行控制 夹子 橡皮管
图 2-2 内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图 Figure 2-2 Sketch map of self-repair mechanism of concrete using embedded
自修复混凝土
结构——智能一体化
多种完善的仿生功能 •骨骼系统（基材）提供的承载能力 •神经系统（传感网络）提供的检测和感知能力 •肌肉系统（驱动元件）提供的康复能力，
解决结构中的混凝土材料损伤
的最佳途径： 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
水泥基 导电复 合材料
自动调节 环境温度、 湿度的水 泥基复合 材料
智能仿生 混凝土的 研究
水泥基 磁性复 合材料
没有比较完善的 理论和成熟的工 艺技术 目前只有美国、 日本等少数国家 处于实验室探索 阶段，尚未取得 实质性的进展。
损伤Βιβλιοθήκη Baidu诊 断水泥基 复合材料
具有屏蔽 磁场和电 磁波的水 泥基复合 材料
1925 1990
1994 1996
1998 2001
Carolyn研究了一种由 日本学者H.Hilalshi和英国 美国Illinois大学的 有低模量的修复胶结剂的惰性管，用来修复桥面的横向收缩 最早： Abram 发现混凝上试 钴、过氧化氢和甲基丙烯 学者S.M.Bleay分别在1998、 Carolyn Dry教授将缩醛高 件在抗拉强度测试开裂后， 引起的裂缝。 酸甲酯胶结剂三部分组成 2001年采用类似的方法研 分子溶液作为胶粘剂注入 将其放在户外8年，裂纹竟 的内部修复系统 究了混凝上裂纹的自防护 到玻璃空心纤维或者空心 然愈合了，而且强度比先前 问题。 玻璃短管中并埋入到混凝 美国伊利诺斯大学的 提高了两倍。 土中，从而形成了智能型 Carolyn Dry研究了一种混 仿生自愈合神经网络系统。 凝土裂缝主动修复技术 国外
• 智能自修复利用修复胶粘剂对裂缝面的粘结
件和含有修复胶粘剂的纤维管 预埋在混凝土中，从而在混凝 • 形状记忆合金恢复时产生的压力，可提高修 纤维管破裂，修复剂流出修复裂缝 土内部形成密集分布的自适应、 复胶粘剂的粘结强度，从而提高修复质量。 自诊断、自修复网络，使其具 • 同时通电激励形状记忆合金使之产 有感知和激励功能，即能够对 • 形状记忆合金的配置量、合金的粗细、合金 生形状恢复效应，或利用形状记忆 外界环境变化因素产生感知， 合金弹性丝恢复时，对裂缝面施加 自动做出适时、灵敏和恰当的 初始预应变值、合金与混凝土的连结方式等因 素决定了梁的变形性能及自修复能力 响应。 压应力，并且迫使裂缝合拢闭合，
• 结晶沉淀自修复是一个自然修复过程 碳酸钙化学结晶沉淀是其主要 的自修复机理 • 修复反应只发生在混凝土中有潮气
修复原理 影响效果 与因素
• 体和骨料表面的化学粘结，逐渐将 晶体生长速度取决于裂缝宽度、水
压力和混凝土组成 裂缝密封、修复
或CO32-浓度 •形成的碳酸钙晶体，在裂缝中不 提高水温，提高水PH值，降低水中的 二氧化碳分压等，有利于裂缝中碳酸钙 断聚集、生长，结晶体与相邻的结 的形成和修复 晶体之间键合以及结晶体与水泥浆
于潮湿环境中的工程 结构，如大坝、海洋 • 混凝土抗氯离子侵蚀和抗碳化等性能明显 提高 石油钻井平台等
修复原理 影响效果 与因素
• 沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类
及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微 观结构等因素影响 修复前 修复后
• 修复效果主要从裂缝的封闭率、渗水率、 裂缝尖端有电流集中现象，因此最先
自修复混凝土是模仿动物的骨组织 结构受创伤后的再生，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的功 能，恢复甚至提高材料性能的一种新型 复合材料。自修复混凝土，从严格意义 上来说，应该是一种机敏混凝土。
机敏混凝土 感知 修复
智能混凝土的初级阶段 混凝土材料发展的高级阶段
底物 CO 3 • 利用微生物沉积碳酸钙进行自修复资源
菌体酶化 2-
修复原理
影响效果 与因素
• 在溶液中引入Ca2+，菌体细胞带负
• 在混凝土中其缺陷周围含有的水化产物氢 电的水可溶有机质不断螯合Ca2+
氧化钙可以为碳酸钙的沉积直接提供钙离子 • 驱物浓度不断增到有利于核心化， 源
沉积出碳酸钙晶体
构想 新的 思路
生物体的再生机能 源自于仿生 “活”材料系统
获得具有类似生物材 料的结构及功能的
目标
将材料设置成开放体系， 在受到损伤破 在其使用过程中对微小缺陷防 专家们预言，将 坏时，植物或动物 微杜渐，参照生命过程有关概 来的材料将具有类似 体内的分泌系统均 念输入能量或物质，就有可能 生物系统的功能，能 会自动分泌出一定 以较低代价使材料性能显著改 够根据外部条件的变 物质，进行填充、 善，大大的延长使用寿命，从 化相应地改变其自身 修复或者局部再生。 而为复合材料研究找到一条更 特性，具有修复和再 具有生命力的新途径 生的机能
自修复混凝土
土木工程材料学读书报告
12010302 费蓉
概念
研究现状
原理与技术 存在问题
主要 形式 主要 方法
• 事后维修 • 定时维修
• 表面涂抹砂浆、 表面涂抹环氧胶 泥 • 水泥灌浆、化学 灌注 • 钢筋加固和预应 力加固等
研究和开发新 型自修复混凝土， 使其能够主动、自 动地对损伤部位进 行修复、恢复并提 高混凝土材料的性 能已成为结构－智 能一体化混凝土的 发展趋势。
• 修复后混凝土的回复强度较弱
复过程 在潮湿或水中养护条件下，以水为载 在混凝土传统 • 活性化学物质反应生成的硅酸盐结 体，通过渗透作用，使渗透结晶材料 组分中复合无机渗 晶体，与混凝土结为一体，从而增加 中的特殊活性化学物质在混凝土形成 透结晶材料 混凝土的密实度，提高混凝土的性能 不溶性的枝蔓状结晶体 • 渗透结晶反应在整个使用过程是持 混凝土干燥时，该活性化学物质处 续进行的 于休眠状态；一旦混凝土开裂，有水 修复原理 浸入时，活性化学物质再次激活，催 • 修复的效果主要受裂缝的大小、渗 化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继 透结晶材料中的活性成分、混凝土的 续水化，生成新的结晶物，对裂缝进 影响效果 孔隙率及孔结构等影响.对较宽的裂缝 行自动填充,实现自修复 修复效果不佳 与因素
美国伊利诺伊斯大学的ATRE实验室在混凝土桥面里预埋装
南京航空航天大学——智能材料与结构航空科技重点实验室
• 1997 年，他们研究了利用形状记忆合金（SMA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。 • 2001年，南京航空航天大学的杨红提出了利用空心光纤来实现智能 结构的自诊断、自修复。
同济大学——混凝土材料研究国家重点实验室
• 研究仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生 物组织对创伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分 即所谓的第六组分，如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等，使混 凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。
起步阶段
国内
裂缝形成原因不同，修复的方法、过程和效果也不同
自修复能力的评价主要考虑混凝土自身潜在的修复能力以 及外部激发的修复能力,一般主要 考虑抗拉、抗压强度的回复率、混凝土抗渗试验中的第二次抗渗压力等
• 渗透结晶自修复是一种主动激发修
以水或海水中各类矿物化合物作为电解 质溶液，利用电化学技术，使溶液中的阳离 • 修复后混凝土表面形成一层物理上的保护 适合于海洋混凝 子得到电子，生成难溶性的化合物，沉积在 层，有效地降低了混凝土内部的气液介质的 土工程结构或长期处 混凝土结构裂缝内和混凝土表面，从而填充、 密实混凝土裂缝。 流动，从而降低混凝土的渗透性
混凝土自修复技术
结晶沉淀 自修复 渗透结晶 自修复
微生物沉积
电解沉积 自修复 智能 自修复
仿生 自修复
自修复
在水流或水介质作 或水，但没有拉力存在的情况下 Ca 2 CO 32 CaCo 3 ( 7.5 pH water 8 ) 用下，利用物理、热学、 力学、化学过程实现混 • 碳酸钙晶体的形成 Ca 2 HCO 3 CaCo 3 H ( 7.5 pH water 8 ) 凝土微裂缝的自修复 • 依赖于混凝土和水中的 Ca2+、HCO-
功能和形状记忆合金等功能元件的驱动功能， 将形状记忆合金等功能元 实现了混凝土自修复 • 一旦裂缝宽度超过允许的限值时，
修复原理
影响效果 与因素
• 形状记忆合金或聚合物都需要时间来转化，修 复剂在裂缝面上的扩散以及修复剂固化等都需要 一定的时间，因此应对形状记忆合金和修复胶粘 剂的性能进行深一步的研究
沉积沉淀物，其曲率半径增大，从而抑制 表面涂覆率和重量变化等方面来评价 了裂缝的进一步扩展
生物的损 伤自修复
修断骨血肿 复原理 影响效果 与因素 问题
自修复是生物的重要特征之一 模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某 •些物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在 可以提高开裂部分的强度，增强其 骨骼是生物体自修复功能的典型例子 混凝土基体中预埋内含高分子修复胶粘剂的 必须解决好三个关键的 延性弯曲的能力，从而提高整个结构 修复胶囊或修复纤维管，形成智能型自修复 骨折——血管破裂——血液流出——凝结—— 问题 的性能 网络系统。 伤口修复
内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图 骨痂的改造 内外骨痂的形成 with adhesive 裂口血肿的形成 exoteric fibers filled
利用成岩微生物，为其提 丰富，环境友好，应用广泛 供充分适宜的生存、繁殖和活 Cell Ca 2 Cell - Ca 2 化反应条件，加速其酶化作用， • 寻找选择适宜的菌株乃是整个技术关键 2Cell - Ca 2 CO 3 Cell - CaCO 3 沉积制备出碳酸钙晶体，将石 质材料胶结起来，以期应用于 • 外界条件如环境PH值、温度、压力、反 •应物浓度，溶液过饱和度，反应物种类等 菌株的酶化作用，使底物不断分解 重大工程混凝土缺陷的修复 因素,都会直接影响沉积出的碳酸钙晶型和 CO32-,并使浓度不断增加 形貌
使混凝土挠度和变形恢复
虽然国外一些专家对自修复混凝上作了一些工作，但是从自 修复混凝上的发展来看，目前尚有许多问题需要解决。例如， 结构耐久性、短管及短管空穴对强度的影响、多次可愈合性、 胶液的时效、以及愈合的可靠性和可行性等一系列问题，另外 有关修复胶粘剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机 理的研究、纤维或短管的选择、分布特性、其与混凝土的断裂 匹配的相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等问题，研究尚 不完全，还有大量的工作需要做。特别是对自修复混凝土在实 际生产中的制备和应用上所存在的问题，解决好这些问题无疑 将对自修复混凝土今后的发展产生深远的影响。