自愈混凝土的研究发展综述与机理及建议

文章编号：1009-6825 (2018) 02-0111-03

SHANXI ARCHITECTURE

山 西建筑

Vol.44No.2

Jan. 2018

• 111 •

自愈混凝土的研究发展综述与机理及建议+

金星翰方光秀*

(延边大学工学院，吉林延吉133002)

摘要:通过收集、整理与分析国内外自愈混凝土研究的参考文献，综述了近年来自愈混凝土试验研究方法和成果，阐述了混凝土 自愈作用的机理，提出了现有研究中存在的不足点。在此基础上，建议与提出新型碳纳米管复合型自愈混凝土的概念，分析了碳 纳米管复合型材料的特性，并探讨了碳纳米管复合型自愈混凝土的工作机理。关键词：自愈混凝土,微生物，机理，碳纳米管

中图分类号:TU528.59 〇

引言

自愈性混凝土是具有感知和修复性能的在裂缝产生后能够 自行修补的机敏混凝土。混凝土裂缝会降低结构的承载能力、耐 久性和防水性，缩短建筑物使用年限，并且大量的资金被分配到 恶化混凝土结构的维护，修理和修复[1]。当采用自愈智能混凝土 结构时，由外力作用、构件老化或在使用过程中形成的混凝土裂 缝，即使不进行人工维护，在裂缝出现初期就可以进行自愈，这种 性能大大提高了结构的使用寿命。自愈混凝土作为新型理想的 建筑材料，成为绿色建筑材料领域的研究热点。目前，混凝土自 愈试验处于探索发展阶段，国内外学者不断研究并提出了创新的 观点，对混凝土裂缝的预防和修复具有重要意义。本文就自愈混 凝土在国内外的研究发展现状进行综述，并阐述了其工作机理， 同时建议与提出了新型碳纳米管复合型自愈混凝土的概念与 机理。

文献标识码:A

增大而增大，水压在大于自重情况下结构的裂缝被较好地自愈合。

2010年，张永强等人[5]进行混凝土自愈试验时，在掺加粉煤 灰的基础上又加人了引气剂，减小了混凝土孔结构的平均孔径和 临界孔径,提高了混凝土流动性，增加了结构的抗冻性与耐久性， 改善了混凝土的自愈合性能。

2015年，汤寄予等人[6]研究了钢纤维对于沥青混凝土自愈性 能的影响，使沥青胶浆AP和钢纤维沥青胶浆SFAP冻融破坏，并 对比分析两者的自愈合性能，从而发现加人钢纤维的沥青胶浆虽 然产生的裂缝数量更多、但裂缝的宽度却更小，裂缝愈合时间更 短，有效提高了混凝土的自愈能力。

1.2 国外研究现状

Mohammed Al-Ansari等人[7]调查研究了在自愈混凝土中掺

人硝酸钙微胶囊时的强度降低问题，并且提出了对硝酸钙微囊化 程序的改进措施，使混凝土强度降低使其达到最小化。在试验

中，把1% ~ 10%的低亲水亲油平衡乳化剂和0. 1% ~ 1. 0%的油 溶性磺酸催化剂(按水相中的水重量)溶解在有机溶剂中，以制备 连续的相。制备不同硝酸钙浓度的砂浆混合物，并测定砂浆混合 物的动弹性模量。结果表明，采用改进程序制备的硝酸钙微胶 囊，有效提高了自愈混凝土的强度。

1

自愈混凝土研究发展综述

自愈混凝土的试验研究在一些发达国家已经展开，由于技术

设备等原因，国内大多数还处于探索发展阶段，拥有较好试验条 件的美国、日本、韩国等国外学者已进行了不少的创新性试验，对 于自愈混凝土的研究发展起到了参考和推动作用。

1.1 国内研究现状

F. A. Gilabert等人w

评估了玻璃混凝土界面的强度和断裂韧

2003年，方璟等人[2]进行了混凝土冻融循环破坏后的养护自 愈试验，把两组不同比例粉煤灰及破坏程度不同的混凝土试件循 环冻融并完全破坏，使混凝土试件的动弹性模量百分率低于

60%，放人充满水的实验槽将室温控制在15丈~ 30 X：之间进行 养护，经过一段时间的养护，两组试件的动弹性模量百分率都恢 复到了破坏前。同时发现自愈速度受到破坏程度的影响,随裂缝 宽度变大，则需要形成更多的水化产物，自愈时间更长。

2004年，欧进萍等人[3]对基于胶囊的自修复进行了研究，在 胶囊中放人混凝土修复剂，混凝土产生裂缝或受外力作用破坏时 造成胶囊壁破裂，修复剂在裂缝处发生混凝土的自愈修复反应， 通过有限元计算分析确定了胶囊的破坏厚度，得到了较好的试验 效果。

2005年，张应波等人[4]提出了轴压与水压对混凝土自愈性能 的影响，通过把人工造缝的试件放人三面密封、一面通水压的试 件匣中进行不同轴压与水压的试验，提出自愈合能力随着轴压的

收稿日期=2017-11-07

性，这两个特性在混凝土自愈中起到重要作用。通过单轴拉伸测 试来评估粘合强度、四点弯曲测试来获得界面能量，并使用有限 元方法进行互补数值模型的模拟，发现玻璃混凝土界面可以产生

约1 N/mm2的最大强度，断裂能为0.011 J/m。

Jeon Sungll等人[9]进行了测量混凝土每个龄期的裂缝宽度

的试验，在每个混凝土试件中都发现了自愈性能，当初始裂缝宽 度不大于150 pm时,大部分裂缝完全愈合，并提出在混凝土开 裂收缩的情况下，有必要检查裂缝处混凝土的固化期和自愈 效果。

Son, Hyeongmin等人[1°]使用桂垸偶联剂，改善有机和无机复

合材料的力学性能，试图解决由孔隙率增加而导致混凝土自愈性 下降的问题。试验表明，硅烷偶联剂可作为有机和无机复合材料 的粘结剂，可有效提高自愈混凝土的强度。

Kim，Wha Jimg等人[11]研究了微生物的矿化作用对混凝土自 愈性的影响。在微生物代谢过程中，通过CaC03的沉淀反应产生

★:延大国家自然科学基金前期培育项目（413010088);吉林省科技厅科技发展计划重点攻关项目（20170204032SF)

作者简介:金星翰（1995-),男，在读本科生 通讯作者:方光秀（1967-),男，博士，教授

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第44卷第2期

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山西建筑

化合物，并且生物矿化使得巴斯德芽孢杆菌沉淀CaC03，生成使 砂表面硬化的粘合剂，验证了新矿物的形成和砂表面的硬化。试 验得出，微生物对混凝土的自愈能力有促进作用。

3_3碳纳米管复合型自愈混凝土的机理

若将碳纳米管（CNT)等高强度复合材料作为自愈混凝土的

1.3研究中存在的不足点

1) 土结构。

2)

添加材料，与高性能减水剂和纳米碳混合物按比例制成复合材 料，使混凝土材料更加密实，将提高混凝土强度、韧性和材料的耐 久性，使其自愈性能大幅度提升。还可利用碳纳米管良好的导电 性，使用电力传输来检查混凝土试件是否出现裂缝，并通过互联 网连接进行远程实时监控。

近几年来随着越来越多的学者投人到自愈混凝土的研究领 域，促使自愈混凝土的应用技术取得了快速发展,但在实际工程 应用中仍存在不足点：

自然愈合作用时间长，不适用于一些裂缝宽度较大的混凝 结语

4

1) 通过自愈混凝土的研究发展综述，归纳总结了近年来自愈

当采用纤维复合材料时，在混凝土自愈过程中可能产生硫

化物，对环境和人体造成影响；当采用混凝土胶囊修复技术时，如 果缺少外力作用，则胶囊壁不易破坏，裂缝的自修复会受到影响。

3)

在实际工程应用中,混凝土自愈或自修复技术的成本太

高，会降低工程项目的经济效益;在干旱地区，混凝土的自愈性将

受到影响，在实际应用中需要人工洒水养护，需要额外的设备与

2

人力支出。自愈混凝土的机理

混凝土的自愈主要分为自然愈合和工程愈合。

自然愈合是混凝土内在的自愈现象，当混凝土结构出现裂缝 时，混凝土中尚未水合的水泥颗粒与水和二氧化碳发生水化反 应，产生碳酸钙等水化产物，覆盖在已形成的裂缝处并填充裂缝， 有效提高混凝土的抗压强度。

工程自愈是人为通过纤维材料、微生物和胶囊等媒介使混凝 土自愈能力增强的技术措施。发挥混合材料和功能材料的固有 特性，如:利用具有吸湿膨胀能力的SAP(高吸水树脂Super Ab­

sorbent Polymer) 等材料以及微生物的矿化作用 （通过微生物的矿 化及沉淀反应，使生成的CaC03沉淀在混凝土裂缝中），使得混凝

3土达到更好的自愈效果。

3.1 新型自愈混凝土的提出与建议

碳纳米管复合型自愈混凝土的提出

在实际工程应用中，当采用微生物矿化修复混凝土裂缝技 术时，将会遇到材料成本较高、微生物自身受环境限制、自愈时 间长等问题。通过查阅有关文献发现，碳纳米管复合材料可克 服上述缺陷，并针对实际工程提出碳纳米管复合型自愈混凝土

3.2的概念。

碳纳米管复合材料的特性

单碳纳米管、多壁碳纳米管如图1,图2所示。

SWNT

MWNT

图1

单碳纳米管

图2

多壁碳纳米管

碳纳米管(CNT)具有理想的力学性能，其强度和軔性都大于 任何纤维[12]。在混凝土材料中加人碳纳米管复合材料可改善材 料的力学性能，同时还能使混凝土获得自愈功能[13]。

碳纳米管复合材料的拉伸强度约为钢筋拉伸强度的1〇〇倍， 弹性模量约为5倍,弹性应变约为60倍，密度约为1/6,且导热系 数是金刚石的两倍，导电率约为铜的1 〇〇〇倍以上。

混凝土的国内外研究现状与成果以及机理，可为进一步研究提供

理论基础。2)

本文提出了新型碳纳米管复合型混凝土的概念、特性以及

机理，其自愈与力学性能，可通过进一步的试验研究而得到完善。

3) 混凝土自愈技术的研究作为建筑领域智能化趋势的体现，

在经济和环保效益方面具有较大潜能。

参考文献：

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北京：中国水利水电出版社,2002.

[2] 方

璟

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哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文,2005:8-10.

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文章编号：

SHANXI ARCHITECTURE

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金属橡胶的压缩及高温性能试验研究+

李志聪赵亚哥白*

王欣然郭东旭王君仪朱丽莹

(东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040)

摘要:为了将金属橡胶这种多孔弹性材料应用于建筑及桥梁，耗散地震和风载振动能量，采用不同加工工艺成型密度的金属橡

胶试件，在不同应变幅值、高温等条件下进行力学性能试验，测试其在压缩变形下的耗能性能，同时分析材料的等效阻尼比参数变 化规律，进而得出金属橡肢利用金属丝之间干摩擦形成的阻尼原理,为金属橡肢本构关系的推导提供基本参数和理论依据。关键词:金属橡胶，耗能减震，性能试验，阻尼比中图分类号

:TU502

文献标识码

:A

金属橡胶（Metallic Rubber，MR)是一种由相互交错的空间网 状结构的金属丝缠绕而成的弹性多孔材料。目前金属橡胶在工 程机械、航天航空等领域被用作耗能隔震部位的材料[1_3]，但是在 土木工程领域很少作为耗能减震装置而使用，因此开发自复位能 力的新型金属橡胶材料耗能减震装置是有一定的工程实际意义 的。为了研发此类阻尼器，本文展开了金属橡胶材料试件的力学

性能研究工作，首先加工了三种成型密度的〇&18Ni9Ti的奥氏体 不锈钢丝金属橡胶试件，然后进行压缩剪切力学试验，得到的力 与位移的包络滞回曲线说明加载幅值、成型密度、高温等因素对 试件阻尼耗能性能均有明显影响，根据影响规律研究分析了金属 橡胶材料的阻尼耗能机理，为下一步设计材料本构关系、研制减 震器提供重要依据。

_

°锥

型

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5一形芯

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一滚

轮

毛坯

、:较轮 滚轮

图

、、'-、、♦ :

1

金属橡胶的阻尼性能试验加工环节和力学试验仪器

本次试验用的金属橡胶试件是由哈尔滨工业大学负责加工

a)步骤1

1

mm

b)步骤2

金属橡胶加工环节示意图表

c)步骤3

1.1

1

试验机基本参数

最高循环加载频率

制造的，基本流程是用特殊加工设备将细金属丝经缠绕为螺旋形 状的弹簧卷，再将其编织成网状并用滚轮卷成毛坯，最后将此毛 连按照实验要求放人相应的模具中经过冲压，最终制作成试验元 件。整个制作流程如图1所示。

本实验的地点是哈尔滨工程大学力学实验中心，试验设备为

德国生产制造的电液压伺服疲劳试验机，型号是INSTRON Fast 试验机基本参数见表1。

最大荷载 荷载精度 位移精度

kNNHz

50

加载方式

数控电机自动往复式加载

100±0.50.01

试验机可以将力传感器和位移传感器采集力和变形数据存 储在电脑中以方便提取，采样频率可以人工控制。由于试验机本 身不具备放置金属橡胶试件的装置，因此试验前先按照需求制备

试件压缩装置，然后按照图2对试件压缩循环荷载。1.2

金属橡胶材料的压缩性能试验

采用三种成型密度的试件，具体参数如表2所示。

Track TM88010

Research and development of self healing

concrete and its mechanism and suggestion^

Jin Xinghan Fang Guangxiu*

(College of Engineering f Yanbian University t Yanji 133002, China)

Abstract ： In this thesis, through collecting, organizing and analyzing domestic and foreign researches on self-healing concrete, research methods and findings about self-healing concrete were concluded. Then the self-healing mechanism of self-healing concrete was introduced and deficien­cies in existing researches were pointed out. On this basis, the concept of new-type carbon nanotube composite self-healing concrete was put for­ward and features of the carbon nanotube composite material were analyzed. Lastly, the operation mechanism of carbon nanotube composite self- healing concrete was discussed.Key words： self-healing concrete, microorganism, mechanism, carbon nano tube

收稿日期

:2017-ll-03

王君仪（1996-)，女,在读本科生；朱丽莹（1997-)，女，在读本科生

★:中央高校基本科研业务费专项资金项目（项目编号:DL12AB01);黑龙江省自然科学基金项目（项目编号:E201401)

作者筒介:李志聪（1997-)，男，在读本科生；王欣然（1997-)，女，在读本科生；郭东旭（1997-)，男，在读本科生；通讯作者:赵亚哥白（1979-)，男，讲师