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自修復(fù)自愈合混凝土論文
摘要：混凝土在現(xiàn)代建筑中被廣泛運(yùn)用，但混凝土是脆性材料，混凝土在施工和使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫對(duì)建筑的使用產(chǎn)生很大的影響，而自修復(fù)，自愈合混凝土能很好的解決混凝土產(chǎn)生裂縫帶來(lái)的不良后果。
關(guān)鍵詞：自修復(fù)混凝土；自愈合混凝土；膠粘劑；細(xì)菌孢子
1.概念
自修復(fù)混凝土，是在混凝土中加入包裹膠粘劑的載體，當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，膠粘劑外層包裹物破裂，膠粘劑流出，充滿(mǎn)裂縫，最終將裂縫封住。
自愈合混凝土，是在混凝土中添加可產(chǎn)生封堵裂縫的物質(zhì)，這種物質(zhì)遇到水就被激活，產(chǎn)生結(jié)晶體，沉積在裂縫的表面，不斷增加結(jié)晶體在裂縫周?chē)恋�，逐漸將混凝土開(kāi)裂部分填充密實(shí)。
2.背景
混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料。但它是一種脆性材料，在施工過(guò)程中或使用過(guò)程中很容易出現(xiàn)裂縫。當(dāng)裂縫很小時(shí)，雖說(shuō)不影響受力性能，但給人視覺(jué)上是不安全的。而有的裂縫會(huì)隨著時(shí)間的推移，裂縫會(huì)越來(lái)越大，裂縫大到一定程度，再遇到水或侵蝕性化學(xué)物進(jìn)入這些裂縫，裂縫處的混凝土和鋼筋會(huì)受到腐蝕，最終會(huì)影響到混凝土構(gòu)件的受力性能，更嚴(yán)重的可能發(fā)生脆性斷裂，產(chǎn)生災(zāi)難性事故，給社會(huì)帶來(lái)無(wú)可挽回的損失。
3.自修復(fù)、自愈合混凝土的發(fā)展過(guò)程
自從1925年Abram的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)，拉開(kāi)了混凝土裂縫自修復(fù)發(fā)展的序幕。他將進(jìn)行過(guò)混凝土抗彎拉試驗(yàn)并已經(jīng)產(chǎn)生裂縫了的混凝土試件隨意扔在戶(hù)外長(zhǎng)達(dá)8年之久，偶然的一天他發(fā)現(xiàn)此混凝土試件的裂縫居然已經(jīng)愈合了。帶著驚喜和困惑他再次將此開(kāi)裂后自動(dòng)愈合的混凝土試件進(jìn)行抗彎拉試驗(yàn)，此時(shí)他發(fā)現(xiàn)這些混凝土試件的強(qiáng)度竟然達(dá)到了以前強(qiáng)度值的三倍。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓人們對(duì)自修復(fù)混凝土的研究燃起了希望。
1994年，CarolynDry教授（美國(guó)工llinois大學(xué)）將載有膠粘劑（縮醛高分子溶液）的載體（空心玻璃短管或者玻璃空心纖維）加入到混凝土材料中，配制成具有智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自修復(fù)混凝土。自修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)一旦受到外界作用出現(xiàn)損傷或者裂縫時(shí)，載體內(nèi)的膠勁劑修復(fù)液就會(huì)流出滲入到裂縫，使混凝土裂縫愈合。
南京航空航天大學(xué)的智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在我國(guó)的智能復(fù)合材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。1997年，他們研究了利用液芯光纖和形狀記憶合金（sMA絲）對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行自診斷、自修復(fù)的方法。對(duì)總體方案進(jìn)行了分析，用環(huán)氧FA4和環(huán)氧E51做了初步試驗(yàn)：將液芯光纖和形狀記憶合金埋入混凝土中，光纖的出射光由光敏管接受，當(dāng)混凝土發(fā)生損傷時(shí)，由液芯光纖組成的自診斷、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)使膠液流入損傷處，同時(shí)局部激勵(lì)損傷處的SMA短纖維，產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對(duì)損傷處進(jìn)行自修復(fù)，而且當(dāng)液芯光纖內(nèi)所含的膠粘劑流到損傷處后，SMA激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的熱量，將大大提高固化的質(zhì)量，使得自修復(fù)完成得更好。
2012年10月在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)自愈混凝土的研究工作開(kāi)始進(jìn)行。研究人員將混凝土愈合所需的細(xì)菌孢子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為顆粒添加到混凝土配合料中，但水成了微生物生長(zhǎng)需要所缺少的成分。因此，孢子處于休眠狀態(tài)，當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，雨水進(jìn)入裂縫并激活它們。這種無(wú)害的細(xì)菌，屬于桿菌屬細(xì)菌，于是開(kāi)始汲取養(yǎng)分，產(chǎn)生石灰石。納入愈合劑的細(xì)菌食品是乳酸鈣，一種牛奶成分。顆粒中所用的微生物能夠承受混凝土的高堿性環(huán)境。
4.自修復(fù)、自愈合混凝土的研究方向和難點(diǎn)
用膠囊或者空心纖維玻璃管等可以承載膠勁劑的載體，將修復(fù)膠勁劑送入普通混凝土中，當(dāng)混凝土受拉產(chǎn)生裂縫時(shí)，載體破裂，修復(fù)膠勁劑流出，從而對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)。此種方法修復(fù)劑的選用很關(guān)鍵，不僅要考慮修復(fù)劑的粘接強(qiáng)度、黏度，而且要注意其組成成分。為了保證裂縫初開(kāi)裂時(shí)，內(nèi)置修復(fù)管內(nèi)的修復(fù)劑能夠迅速流到裂縫處修復(fù)裂縫，就要求修復(fù)劑黏度較高且具有較高的流動(dòng)性，能夠迅速滲入到混凝土裂縫中，充分潤(rùn)濕裂縫表面，確保粘結(jié)的質(zhì)量。
形狀記憶合金型自修復(fù)混凝土：在混凝土容易開(kāi)裂的區(qū)域埋置經(jīng)過(guò)預(yù)拉的形狀記憶合金絲和光纖。當(dāng)混凝土受到外界影響產(chǎn)生裂縫超過(guò)允許的寬度時(shí)，通過(guò)光纖拾取的信號(hào)向微處理系統(tǒng)發(fā)出指令，形狀記憶合金絲則發(fā)揮功效使裂縫愈合或者限制裂縫的擴(kuò)張，從而達(dá)到自修復(fù)裂縫的目的。
自愈合生物混凝土，在混凝土中摻入有涂層或有底物的細(xì)菌孢子，涂層和底物在混凝土的生產(chǎn)和硬化過(guò)程中避免細(xì)菌孢子受到破壞，使其存活更長(zhǎng)的時(shí)間直到需要自愈合。當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，水分浸入到裂縫處，孢子被激活，與水反應(yīng)生成填充物將裂縫填充密實(shí)。
在自修復(fù)、自愈合混凝土的研究過(guò)程中還存在一些難點(diǎn)未得到解決：（1）自修復(fù)混凝土膠茹劑的性能還需得到進(jìn)一步改善，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次裂縫自修復(fù)；（2）自修復(fù)混凝土配制的原材料中有對(duì)人體產(chǎn)生傷害的物質(zhì)，還需進(jìn)一步研究解決此問(wèn)題；（3）膠勁劑載體的加入，會(huì)使自修復(fù)混凝土自身強(qiáng)度降低。如果能解決此問(wèn)題對(duì)自愈合混凝土的發(fā)展具有重要意義。
5.結(jié)語(yǔ)
添加膠粘劑的混凝土和生物混凝土給建筑材料帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)。目前，混凝土是全球最常用的建筑材料，而通過(guò)采用具有自愈能力的混凝土，鋼筋用量可以減少，從而降低建筑成本。這種新材料有可能會(huì)提高混凝土的使用壽命，并有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本。不過(guò)，在短期內(nèi)，以傳統(tǒng)方式修復(fù)混凝土裂縫更為經(jīng)濟(jì)。雖然混凝土自愈合技術(shù)尚有許多關(guān)鍵技術(shù)性問(wèn)題亟待解決，但是包括自修復(fù)、自愈合功能在內(nèi)的水泥基材料的智能化已成為現(xiàn)代建筑材料的發(fā)展趨勢(shì)。
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