维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第１４期 ２２· ２ ０ ０ ８年５月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣｒＵＲＥ ＶｏＩｌ３４ Ｎｏ．１４ Ｍａｙ． ２００８ 文章编号：１００９—６８２５（２００８）１４—００２２—０２ 裂缝自修复混凝土材料研究进展 吴翠莲摘柯国军 要：综述了国内外有关裂缝自修复混凝土的研究现状，着重分析了内置胶囊混凝土的研究情况，提出了由ＡＢＡＱＵＳ 对修复胶囊进行有限元分析的思路，最后，总结了裂缝自愈合混凝土的发展前景及存在的问题。 关键词：智能混凝土，自修复，修复纤维，形状记忆合金，修复胶囊 中图分类号：ＴＵ５２８ 文献标识码：Ａ Ｇｒｉｆｆｉｔｈ早就指出断裂虽不是一个可逆的过程，但若裂缝很 件能承受更多的荷载。广东工业大学的张妃二等采用类似的方 小，在一定的条件与外界环境下材料可能实现裂缝的自愈合。混 法，将含有ＳＪ胶的大直径空心光纤埋入混凝土中，使混凝土具有 凝土是目前用量最多的建筑材料，然而混凝土也是一种多孔性的 自修复功能。实验结果表明，ｓＪ胶修复的混凝土结构的拉伸、压 脆性材料，在使用过程和周围环境的影响下不可避免地会产生裂 缩和弯曲试件，强度分别可达到原始值的１／３，２／３，３／５。中国科 缝和局部损伤，但随着对智能混凝土的不断研究和探索，使其微 学院金属研究所的赵晓鹏等在研究具有自修复行为的智能材料 细裂缝在一定条件下实现自愈合已成为事实。然而目前只有美 时，以水泥为基体进行了实验，取得了一定的修复效果。 国、日本等少数国家只处于实验室探索阶段，尚未取得具有实用意 同济大学的习志臻等分别将含有聚氨酯、丙烯酸酯的空心玻 义的研究成果，因此如何使混凝土及其结构能够自动适应环境，在 璃纤维埋入水泥砂浆基体中，制备了一种自愈合水泥砂浆＿６ｊ。利 受到损伤后能较好地自行愈合仍是研究人员继续探索的方向。 用声发射仪测试了砂浆愈合后的质量，经比较可见，修复后的水 １国内外研究现状 １．１ 内置纤维胶液管自修复混凝土 泥砂浆，其声发射事件累计数和振铃累计数从一开始便迅速增 加，当荷载达到最大值时开始出现明显的声发射峰值，并且没有 因此认为混凝土中的裂缝得到了修复。 美国伊利诺斯大学的Ｃａｒｏｌｙｎ Ｄｒｙ在１９９０年研究了一种混凝 产生凯塞效应，土裂缝主动修复技术。将外表涂有蜡层，内注有异丁烯酸甲酯胶 １．２内置胶囊自修复混凝土 日本东北大学的三桥博三等将内含粘结剂的空心胶囊掺入 粘剂的聚丙烯纤维预埋在混凝土中；当混凝土基体出现裂纹或损 一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂，部分空 伤时，加热混凝土基体，使纤维管表面的石蜡熔化，胶粘剂从纤维 混凝土材料中，粘结液流出渗入裂缝，使裂缝重新愈合。 管壁中的孔隙流入裂缝；继续加热３０ ｍｉｎ左右，随着温度的升高， 心胶囊破裂，胶乳剂聚合，修复裂缝。实验测试了修复后试件的抗压强度，测 日本茨城大学的沼尾达弥等对自修复混凝土中的不同纤维 掺量和不同水灰比等对混凝土修复后产生的影响作了一些 试结果表明，从内部释放胶乳剂修复后的混凝土有更高的抗压强 尺寸、研究，实验结果表明：外径为３ １Ｔｌ／ｎ和５ ｒｎｎｌ，掺３％和５％的玻璃 度和更好的抗渗能力。 对混凝土抗压强度的影响不大，增大水灰比混凝土的抗压 文献［１］研究了一种自修复混凝土，通过改变混凝土本身的 纤维， 动力特性来提高其抗震性能。将注有修复剂的玻璃管预埋在框 强度降低。架梁中以及梁柱的结点，在动力荷载作用下框架出现损伤时，修 哈尔滨工业大学的欧进萍等，建立了描述修复胶囊在混凝土 复管破裂，修复剂流出深入裂缝，低模量的修复剂将改善结构阻 中的分布和取向函数，用以统计分布在混凝土基体中各个方向的 尼特性；较硬的修复胶粘剂使受损伤结构重新获得横向刚度；不 胶囊数，分布在０～０范围内的修复胶囊数占掺入在混凝土中的 同凝固时间的修复剂可以控制结构弯曲时的位移。 Ｃａｒｏｌｙｎ将多孔的纤维网预埋在磷酸钙水泥（含有单聚物）基 ｒ２ ｒ １ 修复胶囊总数的百分数为ｌ ｌ ｓｉｎ０ｄ０ｄｑ￣ｉ １一ｃｏｓ０，其中，０ Ｊ Ｏ Ｊ ０二ｎ 修复胶 体材料中，从多孔纤维中释放出引发剂，与掺在水泥中的单聚物 为胶囊的轴线方向与铅垂方向的夹角。若结构稍有损伤，囊就破裂，以至于再次出现较严重的损伤时无法进行修复，文中 聚合成高聚物，而聚合反应留下的水分促使水泥水化。 提出了修复胶囊的破坏应力，用以确定 文献［２］研究了一种由甲基丙烯酸甲酯（ＭＭＡ）单体，过氧化 根据混凝土的破坏机理，并利用商业软件对修复胶囊 氢和铅三组分构成的修复系统，其中后两组分为引发剂。实验时 修复胶囊的几何参数（直径和壁厚）；确定了其合理的壁厚。 先将其中的一种引发剂与ＭＭＡ单体混合，然后将混合物及另一 进行了有限元分析，引发剂分别注入不同修复纤维管中。当混凝土开裂时，纤维管破 １．３形状记忆合金智能自修复混凝土 何思龙等将预应变为１．８％的形状记忆合金预埋在钢筋混凝 裂，三组分混合引起聚合反应，生成一种坚硬的似树脂玻璃的物 质修复裂缝。 土简支梁中，通过自动加热系统将形状记忆合金加热至各种设定 Ｃａｒｏｌｎ将注有修复剂的脆性纤维管预埋在混凝土中，ｙ荷载 温度，研究了梁在定值静荷载和定值冲击荷载下的反应。试验结 形状记忆合金可以对结构施加较大的预应力，提高结构 导致裂缝产生，使纤维管破裂并且释放修复剂进入裂缝中，修复 果表明，从而大大降低结构的静、动力反应，实现对结构的 裂缝。利用视觉来确定纤维破裂，在试件表面上能看到有染色的 的强度和刚度，修复剂流出。修复剂固化后再进行第２次三点弯曲实验，测试了 智能控制。 试件修复前后的承载力状况。试验结果表明，修复剂修复后的试 收稿日期：２００７—１２—０６ 陶宝祺和熊克等＿４』提出了形状记忆合金自修复混凝土。将 作者简介：吴翠莲（１９８３一），女，南华大学城市建设学院硕士研究生，湖南衡阳４２１００１ ４２１００１ 柯国军（１９６４一），男，硕士生导师，教授，南华大学城市建设学院，湖南衡阳维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第１４期 ２ ０ ０ ８年５月 吴翠莲等：裂缝自修复混凝土材料研究进展 ·２３ · 经过预拉的ＳＭＡ丝预埋在混凝土中易开裂区域，同时在该区域 主压应力方向成０（０为修复胶囊破裂的初始值）的胶囊破裂，此 之间的所有修复胶囊都能破裂和发挥修复作用。 内置光纤。当混凝土在工作中出现不允许的裂缝或裂缝宽度时， 时认为臼～９０。微处理系统根据光纤拾取的信号发出指令，对处于裂缝处或附近 ２．４．２单元的设置 的ＳＭＡ丝通电加热激励，使其收缩变形，使裂缝闭合或限制裂缝 玻璃胶囊与混凝土选用不同的单元，例如可以选用８节点的 的进一步开展。 混凝土单元模块，选用１０节点的玻璃胶囊的单元模块，这样在施 日本的Ｙｕｊｉ Ｓａｋａｉ等将直径为２ １ＴｌＩｎ的超弹性形状记忆合金 加一定的抗拉强度、抗压强度时，可以分别看到混凝土裂缝程度 丝预埋在１００ ｎ１Ｉ１１×１００ ｎ１Ｉ１１×５００ ｎｌｎｌ的砂浆梁，并进行了三点 和玻璃胶囊的破裂程度。 弯曲试验，试验结果表明，与普通钢筋混凝土梁相比，形状记忆合 ２．４．３模型网格划分 金提高了梁的变形能力，卸载之后，形状记忆合金梁的变形几乎 全部恢复。 混凝土模块采用４０ １ＴｌＩｎ×４０ １ＴｌＩｎ×２５ １ＴｌＩｎ的长方体，其内部 嵌入空心玻璃胶囊，但胶囊和混凝土之间的接触问题很难处理， 因为它并不是一个简单的线性关系，而是非线性的，因此以后还 需要进行很多的计算。 ２内置胶囊裂缝自愈合混凝土研究 ２．１ 制备原理 内置胶囊裂缝自愈合混凝土是在混凝土基体中掺入修复胶 ２．４．４结果的计算和分析 对所定的模型赋予一定的参数及求解出对于不同的管径、长 囊，胶囊内含有可流动的物质——修复胶粘剂，形成智能型自愈 壁厚的玻璃胶囊所对应的三大主应力的值，并计算出玻璃胶 合网络系统。在外界环境作用下，一旦混凝土基体开裂，部分胶 度、 囊破裂，胶粘剂流出并渗入裂缝处硬结，从而实现混凝土裂缝的 囊的破裂率。自愈合。 ３结语 虽然自修复混凝土的理论还有待进一步的完善，它在工程中 ２．２修复胶囊的选择 １）修复胶囊与混凝土基体的性能匹配。ａ．力学性能的匹配， 的应用仍处于尝试阶段，但是随着人们对自修复混凝土研究的深 即混凝土在设定的受力或裂缝状态下，修复胶囊应达到其破坏极 入进展，利用其自行修复性，为混凝土材料的安全使用和维护保 限，以便使内含的修复剂流出、修复裂缝，这需要一个复杂分析和 障提供可靠的技术保证是现实可行的，因此裂缝自愈合混凝土在 合理设计的过程。ｂ．修复胶囊应具有化学性质稳定性。２）修复 工程中的应用前景是十分广阔的。但作为一种新型的功能材料， 胶囊的几何参数，包括胶囊的直径、壁厚和长度。若管径太细、管 如果要投入实际工程，还有许多问题需进一步研究。１）修复胶囊 壁太厚，基体完全裂开而胶囊并未破裂；管径太粗、管壁太薄，基 在混凝土搅拌、振捣和成型过程中容易破裂，需研究一种新的混 体还没有裂开，胶囊已经完全破损，达不到自愈合的目的，管的粗 凝土搅拌和成型工艺。２）修复剂在混凝土产生裂缝时的破裂率 细、壁厚、长度对混凝土材料的宏观性能也有一定的影响。３）修 及混凝土的损伤程度自动调整后的效果还有待进一步研究，提高 复胶囊的数量也将影响混凝土材料的裂缝修复，太少不能形成完 效果。３）修复胶粘剂的选择，还有待做大量的试验，确定出效果 全修复，太多对混凝土材料的宏观性能有一定的影响。 较好的修复胶粘剂。 参考文献： ２．３修复胶囊的破坏应力 风等动力荷载作用下，混凝土开裂，胶囊破裂，胶粘剂流出，使裂 缝区的强度得到及时的恢复，为以后进行手工修复赢得足够的时 定义混凝土的破坏为三级：混凝土的破坏、砂浆的破坏和水泥浆 体的解体破坏。第二级破坏的末端对应的应力称为“临界应力”， 它相当于７０％～９０％的极限强度，此时混凝土中的裂缝已经逐渐 在正常使用荷载下，混凝土能满足承载力要求。在地震，台 ［１］Ｄｒｙ Ｃａｒｏｌｙｎ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｒｅ— ｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｔｈ ｓｅｌｆ ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｄｈｅｓｉｖｅｓ［Ｊ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，１９９７（３０４０）：４４—５０． ａｄｈｅｓｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ａｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｍａｒｔ ｒｅ— 间。根据混凝土材料组织结构的体系水平和裂缝发展程度，可以 ［２］ｌａｙ Ｃａｒｏｌｙｎ，ＷｉＵｉａｍ ＭｃＭｄｌａｎ．Ｔｈｒｅｅ－ｐａｒｔ ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ ｓｐｏｎｓｉｖｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｓ，１９９６，５ ｅ（３）：２９７—３００． 连接贯通，即便荷载保持不变，裂缝也会自行继续延伸和扩展，也 ［３］ 匡亚川，欧进萍．混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展［Ｊ］． 会导致破坏。为了实现混凝土材料的自愈合，修复胶囊应在混凝 达到“临界应力”时，修复胶囊所受的力作为破坏应力。 力学进展，２００６，３６（３）：４０６—４１５． 土中的应力达到“临界应力”前破裂。因此，应以混凝土中的应力 ［４］ 陶宝祺，梁大开，熊克，等．形状记忆合金增强智能复合材 料结构的自诊断、自修复的研究［Ｊ］．航空学报，１９９８，１９（２）： ２５０—２５２． ２．４基于 ＱＵＳ的混凝土自修复胶囊的受力特性 ［５］贺 勇，王火明．特殊功能混凝土材料综述［Ｊ］．山西建筑， 及破坏率的分析思路 ２．４．１基本假定 囊的取向最好是垂直构件的主压应力方向，在混凝土中若与构件 ２００７，３３（４）：１９６—１９７． 习至臻，张１）玻璃胶囊在混凝土中的取向符合等概率假设。２）修复胶 ［６］雄．仿生自愈合水泥砂浆的研究［Ｊ］．建筑材料 学报，２００２，５（４）：３９０—３９２． Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｂｙ ｉｔｓｅｌｆ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ Ｗ１Ｊ Ｃｕｉ·ｌｉａｎ ＫＥ Ｇｕｏ－ｊＩｌｌｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｓｔｕｄｙ ａｃｔｕａｌｉｔｙ ａｂｏｕｔ ｈｅ ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｂｙ ｉｔｓｅｌｆ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｔｒｅｓｓｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｃｔｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｉｍｍａｎｅｎｔ ｃａｐｓｕｌｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｉｎｄｉａｔｅ ｔｈｅ ｉｃｄｅａ ｏｆ ａｋｉｍｎｇ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｍｅｔａｃｏｄｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｔ ｌａｓｔ ｓｕｍ ｕｐ ｔｈｅ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅ— ｐａｉｉｒｇ ｂｙ ｉｎｔｓｅｌｆ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍａｔｅｒｉ１．ａ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｒｅｐａｉｉｎｇ ｂｙ ｉｒｔｓｅｌｆ，ｒｅｐａｉｉｒｇ ｆｉｂｒｅ，ｆｉｎｇｕｒｅｍｅｍｅｒｙ ａｌｌｏｙ，ｒｅｐａｉｉｎｇ ｃｒａｐｓｕｌｅ