白鏡泉 丁子奇

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225127)

一、混凝土裂縫產(chǎn)生的原因與危害

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，混凝土抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、成本低，以至于它是目前使用最廣泛的建筑材料。然而混凝土作為一種多相非勻質(zhì)材料，作為一種脆性材料，在工程實(shí)際中，受到荷載作用、混凝土干燥收縮、溫度變形、不均勻沉降、施工工藝、養(yǎng)護(hù)條件等因素造成混凝土開裂，這些微小裂縫的出現(xiàn)不僅會降低混凝土材料的抗?jié)B能力，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，最終影響到建筑物的承載能力和使用壽命，從而導(dǎo)致人民的生命財(cái)產(chǎn)安全將受到威脅。

二、傳統(tǒng)的裂縫修復(fù)技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)裂縫后，常用的傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)有表面修補(bǔ)法、壓力灌漿法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法、混凝土置換法。

(1)表面修補(bǔ)法：采用人工或機(jī)械噴涂的方法，將修補(bǔ)材料涂覆在混凝土裂縫表面。常用的修補(bǔ)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、油漆、防腐材料等。這種方法主要適用對結(jié)構(gòu)承載力沒有影響的微細(xì)裂縫，此方法施工操作簡單，可以有效防止有害介質(zhì)侵入，但是這種方法不能修復(fù)混凝土內(nèi)部的裂縫。

(2)壓力灌漿法：通過高壓設(shè)備將修復(fù)材料注入到裂縫中以達(dá)到修復(fù)的目的。常用的修復(fù)材料是環(huán)氧樹脂漿材和聚氨酯漿材。漿材凝結(jié)硬化后起到補(bǔ)強(qiáng)和恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性的作用。適用于寬度較小和較深的裂縫。漿材的性能對裂縫的修補(bǔ)施工和修補(bǔ)效果有決定性的影響。此方法能夠修補(bǔ)較深的裂縫，但是灌漿材料通常有粘度較大、固化之后脆性較大、耐久性能較差、造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)。

(3)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法：對混凝土結(jié)構(gòu)損害嚴(yán)重的部位進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)或增強(qiáng)其承載能力的措施。常用的加固方法有植筋加固法，碳纖維加固法，粘鋼加固法等。結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固主要是針對建筑物的結(jié)構(gòu)承重能力，目的主要是為了建筑物更加的牢固、安全可靠，但這種方法成本較高。

(4)混凝土置換法：混凝土置換法通常應(yīng)用于混凝土嚴(yán)重?fù)p壞部分的修補(bǔ)，首先將結(jié)構(gòu)損壞、蜂窩麻面有缺陷的混凝土剔除，再澆注置換材料。常用的置換材料有水泥砂漿或混凝土、聚合物等。該方法施工工藝復(fù)雜，不易操作，施工周期長，影響工期。

在混凝土結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的維修方法往往需要定期檢查和維修，因?yàn)槲⒘芽p很難被及時(shí)被檢測出來，常規(guī)的維修手段只能修復(fù)裂縫表面，無法對結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行修復(fù)，且維修成本較高、工作耗時(shí)費(fèi)力，修復(fù)效果不理想，無法滿足當(dāng)代建筑材料對環(huán)境友好型的發(fā)展要求。

三、仿生裂縫自修復(fù)技術(shù)

受到自然界有機(jī)生物體損傷自修復(fù)現(xiàn)象的啟發(fā)，近年來國內(nèi)外學(xué)者提出了多種混凝土裂縫仿生自修復(fù)方式。自修復(fù)混凝土的誕生節(jié)省了大量的勞力和資源，對環(huán)境減少了污染。目前國內(nèi)外研究的混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)主要有：形狀記憶合金自修復(fù)、中空玻璃纖維管技術(shù)、微膠囊自修復(fù)、電化學(xué)沉積自修復(fù)、微生物自修復(fù)。

(1)形狀記憶合金自修復(fù)技術(shù)：在混凝土材料中引用一些形狀記憶合金或者形狀記憶合金聚合物，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)，形狀記憶合金會產(chǎn)生收縮力，使裂縫進(jìn)行愈合。形狀記憶合金可以對對結(jié)構(gòu)施加較大的預(yù)應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的智能控制。但是這種方法價(jià)格昂貴，修復(fù)控制過程復(fù)雜。

(2)中空玻璃纖維管自修復(fù)技術(shù)：在玻璃纖維管內(nèi)封裝愈合液體，并埋入混凝土材料中，在裂紋擴(kuò)展時(shí)自愈合液體釋放出來，在裂縫處固化，修復(fù)裂縫。纖維尺寸、摻量、水灰比等對混凝土修復(fù)性能有影響。但這種方法制備工藝復(fù)雜，無法與混凝土共同攪拌等問題。

(3)微膠囊自修復(fù)技術(shù)：利用含有熱固性聚合物的微膠囊，使嵌入的微膠囊在裂縫發(fā)展的過程中破裂，導(dǎo)致愈合劑在毛細(xì)血管力或重力作用下流入裂縫。然后，愈合劑與基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。微膠囊應(yīng)具有合適的尺寸、殼厚、愈合劑、攪拌時(shí)的存活能力、良好的界面粘結(jié)性和與混凝土基質(zhì)的相容性、化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性等要求。但是微膠囊容量較小，無法實(shí)現(xiàn)二次修復(fù)。

(4)電化學(xué)沉積自修復(fù)技術(shù)：在土木工程領(lǐng)域，將該方法與鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)特性與水環(huán)境特點(diǎn)相結(jié)合，以水或海水中各類礦物化合物作為電解質(zhì)溶液，以混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋為陰極，并在混凝土結(jié)構(gòu)附近設(shè)置一定面積的陽極，形成閉合回路。施加一定的電壓，通過電解沉積作用，在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫內(nèi)和表面生長，并沉積一層無機(jī)化合物，從而填充密實(shí)混凝土縫隙?？蓪?shí)現(xiàn)電化學(xué)沉積技術(shù)修復(fù)水工、海工等混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫,甚至可以應(yīng)用到陸基混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復(fù)上。該方法充分利用電化學(xué)沉積法的推廣應(yīng)用可大大降低海工、水工混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)成本，從根本上解決水環(huán)境下鋼筋混凝土裂縫修復(fù)的技術(shù)難題,同時(shí)，該方法也是一項(xiàng)有意義的學(xué)科交叉應(yīng)用研究方向。目前，國內(nèi)外關(guān)于電化學(xué)沉積方法應(yīng)用到混凝土裂縫修復(fù)方面的研究還較少。在已有的研究中，日本學(xué)者對海上混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫修復(fù)進(jìn)行了初步的嘗試研究，認(rèn)為電化學(xué)沉積作用可以封閉鋼筋結(jié)構(gòu)的裂縫。

(5)微生物自修復(fù)技術(shù)：作為仿生自修復(fù)的其中一種方式，由于環(huán)境友好性和自修復(fù)潛力受到廣泛關(guān)注。其核心工作原理就是將耐堿微生物和特定底物在拌合時(shí)預(yù)先埋入混凝土中，一旦混凝土開裂，水分及氧氣的進(jìn)入激活休眠的微生物，經(jīng)過一系列生物化學(xué)反應(yīng)，將混凝土中預(yù)埋的底物代謝轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀，填充裂縫從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。盡管微生物芽孢生存能力較強(qiáng)，但由于混凝土攪拌過程中有較大的剪切力，混凝土的高堿性環(huán)境其中的pH值高達(dá)13以上，隨著混凝土的水化反應(yīng)，混凝土的內(nèi)部孔徑減小，芽孢受到擠壓，從而微生物的活性降低，抑制微生物的自修復(fù)行為。目前針對以上問題，為了更好地保護(hù)微生物芽孢在混凝土內(nèi)部保持長期的活性，國內(nèi)外學(xué)者在保護(hù)微生物的載體的選擇上進(jìn)行相關(guān)的研究，目前微生物載體的類型有聚氨酯、膨脹珍珠巖、硅藻土、陶粒等。目前多采用載體保護(hù)技術(shù)來延長微生物在混凝土中的存活時(shí)間，但尚未有效解決微生物載體與混凝土之間的相容性問題。

綜上所述，混凝土仿生自修復(fù)技術(shù)可以有效增強(qiáng)混凝土裂縫的自修復(fù)的能力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，降低維修成本。這些生命科學(xué)、有機(jī)化學(xué)與傳統(tǒng)的建筑材料結(jié)合在一起，具有很強(qiáng)的研究價(jià)值和工程經(jīng)濟(jì)型。目前仿生自修復(fù)技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，真正用于實(shí)際工程少，需要積極尋求其效果好、價(jià)格低廉、對施工條件要求低的混凝土自修復(fù)材料仍是解決問題的關(guān)鍵。