混凝土裂缝自愈合性能的研究及进展

混凝土裂缝自愈合性能的研究及进展

混凝土在受力或其它因素的作用下，会出现裂缝，影

响了混凝土的使用寿命，裂缝自愈合混凝土可以在不影响

结构尺寸和美观的情况下，在混凝土出现裂缝后，自动分

泌出的粘结液流出深入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新

愈合，恢复并提高混凝土的性能。

1裂缝的危害以及形成的原因

土木工程结构中，钢筋和混凝土是最常使用的两种材料。

但是，由于受到自身材料性能的限制，钢筋混凝土结构中

总是存在着程度不同的裂缝，裂缝对结构的使用性能及使

用寿命都会产生非常大的影响：一方面，在外荷载的作用下，结构的破坏都是由混凝土中裂缝的逐渐发展所导致；

另一方面，裂缝的存在会导致裂缝处钢筋发生锈蚀，从而

影响整个建筑物的安全性及耐久性能。裂缝产生的原因可

描述如下：钢筋混凝土结构物在使用过程中承受两大类荷载：第一类荷载包括静、动荷载和其他荷载；第二类荷载

即变形荷载。结构的裂缝就是由这两大类荷载引起的，概

括起来裂缝的主要成因如下：1）由于外荷载（动、静荷载）的直接作用引起的裂缝；2）由外荷载作用引起的结构次内力，由此产生裂缝；3）由变形引起的裂缝，即结构由温度变化引起自身的收缩膨胀从而引起变形，当变形得不到满

足，则在结构内部引起应力，应力超过某一限值后产生裂缝。根据大量的调查资料，工程实际中的裂缝产生的原因，属于变形变化（温度、收缩、不均匀沉降）引起的约占80%以上；属于由荷载引起的约占20%左右。2混凝土本身的愈合能力

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。国

内也有学者做了这方面的实验和研究，并更进一步得到确

切结论。程东辉、潘洪涛对混凝土的这种自愈合现象的机

理进行了研究，得出了其愈合的四方面原因，其中水泥浆

体水化就是主要原因。且对于3mm左右的裂缝，当其暴露于水环境大于600小时，裂缝可以完全愈合。但是可愈合

的裂缝宽度在不同的情况下是否会改变该研究并未进行探索。于是又有学者在这方面展开了研究。姚武、钟慧的研

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。李厚祥、唐春安

等通过试验分析得到了在一定水压梯度下，一周后可能自愈合的混凝土裂缝宽度。结果表明，水压梯度越大，裂缝自愈合所容许的宽度越小。刘小艳等对混凝土自愈合的性能做了试验研究，试验结果表明低等级水泥比高等级水泥同条件下的自愈合能力强，掺入粉煤灰和碳纤维对混凝土的愈合能力都有提高。这表明混凝土的成分会影响其愈合能力。通过他们的研究可以看出，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。3仿生学引起的方法

生物有机体的显著特点之一是具有再生机能，受到破坏以后机体能自行修补创伤。骨是具有自修复和自适应特性的一个范例，图1所示为骨的自修复过程。骨折后断裂处的血管破裂，血液由血管的撕裂处流出，形成以裂口为中心的血肿，继而成为血凝块，称为破裂凝块，并初步将裂口连接(图1(a))。接着形成由新生骨组织组成的骨痂，位于裂口区内和周围(图1(b))。与此同时，裂口内的纤维骨痂变成软骨，进一步增生而形成中间骨痂，然后中间骨痂和内外骨痂合并，在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下将原始骨痂改造成正常骨(图l(c))。在修复过程中新骨在变形处凹面形成，而老骨从变形处凸面去除。自修复是生物体在长期

进化过程中形成的一种自我保护、自我恢复的方式，是对外界损伤的敏感响应。人们从生物体系统中得到启示，希望在混凝土结构中得到与生物体中相类似的修复系统，当混凝土中出现裂缝或损伤时，能够触发一种自动的修复反应，自动愈合。现已经发展好几种裂缝仿生自复技术，图

2为混凝土自修复技术流程图及相关的问题，其一为封闭裂缝自修复，其二为填充裂缝自修复。3.1封闭裂缝自修复混凝土封闭裂缝自修复混凝土形状记忆合金性能稳定，电阻率大，对应变敏感，可恢复应变大；当恢复受到约束时能产生较大的恢复力。利用形状记忆合金的这些特性，将形状记忆合金或聚合物预埋在混凝土结构中易产生裂缝的部位或构件，可制成裂缝白监测、自修复机敏混凝土。在外力作用下混凝土产生变形，形状记忆合金将随之产生应变。当混凝土结构构件出现裂缝时，裂缝处的形状记忆合金丝的应变增大，从而导致其内部电阻值发生变化。根据事先测定的形状记忆合金丝应变与电阻值的关系，由测定电阻变化值的单片机就可自动确定实际裂缝的宽度，由形状记忆合金丝的埋置位置，单片机就可确定是那根结构件或何处发生裂缝，从而可实现混凝土结构裂缝的自诊断、自监测。一旦裂缝的宽度超过允许的限值时，单片机启动接通电流的装置，通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应。形状记忆合金恢复时对裂缝面施加压应力，抑制裂缝

的开展，并且迫使裂缝合拢、闭合，使混凝土结构构件的

挠度和变形恢复。形状记忆合金使两裂缝面重新结合到一起，减少了裂缝末端的应力集中，没有应力集中裂缝将不

再扩展，因此混凝土裂缝实际上被修复。3.2填充裂缝自修复混凝土填充裂缝自修复混凝土是在混凝土中布置许多细

小纤维(或多孔的形状记忆合金)管道，管中装有修复剂(交联聚合物或溶剂)，或在混凝土中掺入内含修复剂的空心胶囊，在外界环境作用下，一旦混凝土开裂或出现损伤，内装的

修复剂流出渗入损伤处，填充裂缝，并在两裂缝面之间形

成黏结，使其愈合。其中的修复反应是通过裂缝末端压力

场来引发的，增加的压力将使空心胶囊和纤维破裂或使多

孔的形状记忆合金变形，修复剂由裂缝所创造的通道表面

的毛细作用从胶囊和纤维中传送到裂缝面，或由形状记忆

合金的收缩产生的压力传送到裂缝区；然后通过射线、附

加化学物质(对于多成分的修复剂)，或温度的改变来触发修复剂发生聚合反应，修复裂缝及损伤。在传统的人工修复

混凝土结构裂缝方法中，修复剂贮存在结构的外部容器中，修复时将修复剂的各组份混合在一起并调匀，通过压力使

其传送到损伤区，形成黏结、修复裂缝。因此，要使混凝

土具有白行修复性且相当地快速，必须解决好3个关键的

问题：a、修复剂的贮存；b、修复剂至损伤处的传送；c、修复功能的触发。混凝土及其结构能够自动适应环境，在