王友成

(中鐵二十一局集團有限公司，甘肅 蘭州 730070)

道路和橋梁是現(xiàn)代社會的交通命脈，它們的健康狀況直接影響到人們的生活質量和經濟發(fā)展。然而，隨著時間的推移，由于各種因素的影響，如交通過載、環(huán)境腐蝕和材料老化，這些基礎設施經常出現(xiàn)裂縫、孔隙和其他形式的損傷。傳統(tǒng)的修復方法通常既費時又費錢，且不一定能夠確保長期的效果。近年來，混凝土自修復技術作為一種新型的、具有前景的解決方案引起了廣泛的關注。自修復技術的核心思想是利用特定的材料和技術，使混凝土在受到損傷后能夠自我修復，從而延長其使用壽命。

1 混凝土自修復技術概述

1.1 自修復機理

自修復混凝土的機理是一種結合微生物學和化學原理的先進技術，核心在于往混凝土中添加了微生物和特定的自修復劑，如圖1所示。當混凝土出現(xiàn)微裂縫或損傷時，這些微生物和修復劑被激活并啟動其生物和化學反應。微生物通過其代謝過程分泌膠原蛋白、蛋白質和多糖等，形成堵塞裂縫的晶體；特定微生物還可通過其鈣化能力引起鈣離子的溶解和重積，形成鈣化物填補裂縫[1]。而自修復劑則與周圍環(huán)境發(fā)生化學反應，生成具有黏結性的水凝膠體，從而實現(xiàn)混凝土內部的自動修復，延長其使用壽命并增強其耐久性。

圖1 自修復混凝土結構

1.2 自修復材料的種類

混凝土自修復技術日趨多樣化，各技術對應不同的材料和應用特性。

如表1所示，結晶沉淀法和滲透結晶法主要依賴于特定溶液中的物質在裂縫中結晶，形成堅固的結構以封閉裂縫；微膠囊技術則是一種智能修復技術，通過裂縫觸發(fā)微膠囊破裂釋放修復劑；液芯纖維法則通過纖維中的液體為混凝土提供額外的韌性和延展性，增強其耐久性；微生物誘導碳酸鹽沉淀技術利用微生物的代謝作用產生碳酸鹽，有效填充和修復裂縫；而形狀記憶合金法則通過合金的獨特記憶特性，在裂縫發(fā)生時自動改變形狀以封閉裂縫。每種技術都有其獨特的優(yōu)點和應用領域，為混凝土的修復和維護提供了新的思路和方法。

表1 自修復材料種類

2 主要自修復方法及其工作原理

2.1 使用形成裂縫的微生物

微生物誘導的混凝土自修復技術為現(xiàn)代土木工程領域帶來了革命性的變革。核心原理是利用特定的微生物，如巴斯勒菌屬和其他相似細菌，促進碳酸鹽沉淀的形成，以填充和修復混凝土裂縫。這些微生物在被封入混凝土中時是休眠狀態(tài)，但當混凝土出現(xiàn)裂縫并與外界水分接觸時，它們“蘇醒”，開始進行生物代謝活動。這些微生物消耗營養(yǎng)物質并釋放碳酸鹽離子，逐漸在裂縫區(qū)域形成結晶沉淀。這種碳酸鹽沉淀物不僅與混凝土緊密結合，提供了額外的結構強度，而且還能有效阻擋水分和有害物質的進一步滲透，從而增強混凝土的耐久性[2]。

該方法的成功在于它集生物技術和傳統(tǒng)土木工程技術于一體，為實現(xiàn)持久、自適應地混凝土修復提供了一種全新途徑。微生物的使用不僅解決了混凝土自修復的實際需求，還因其環(huán)境友好、無需外部能源和維護的特性，受到了廣泛關注。值得注意的是，這種自修復技術在長期、連續(xù)的應用中仍需進一步研究，以確保其在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和效率。

2.2 使用水泥基材料

水泥基材料自修復技術主要利用水泥及其衍生材料在特定條件下固化和水合的特性，來實現(xiàn)混凝土裂縫的自動修復。核心機制是，當裂縫產生并與外部水分接觸時，未反應的水泥粒子和某些添加劑被激活，啟動其再水合過程，從而形成新的水化產物并在裂縫區(qū)域沉積。

這些新形成的水化產物，如硅酸鹽水化鈣和Ca(OH)2，結構緊密且與原有混凝土基體具有良好的黏附性，因此能有效地封閉和修復微裂縫。此外，一些特定的水泥添加劑，如膨脹劑或延緩劑，可以被設計為在裂縫形成后逐漸釋放，進一步增強自修復效果。這種方法的優(yōu)點是利用了混凝土的固有材料特性，無需額外添加復雜的外部劑或系統(tǒng)。

然而，要充分實現(xiàn)這種自修復機制，水泥基材料的選擇、配比和添加劑的種類及其濃度都需要經過精確的優(yōu)化。這確保了在裂縫形成后，材料具有足夠的潛在水合能力和適當?shù)姆磻俾剩瑥亩谶m當?shù)臅r間內實現(xiàn)有效修復。總體而言，通過水泥基材料為混凝土提供自修復能力是一種簡潔、經濟且具有巨大潛力的技術，但其在實際應用中仍需考慮環(huán)境、應用場景和長期效果等多種因素。

2.3 使用水合化合物

水合化合物，特別是某些特定的水泥水合化產物，已被證明在混凝土自修復過程中起到關鍵作用。這些水合化合物能夠在水的參與下發(fā)生化學反應，形成堅硬的結晶體或凝膠狀物質，從而在混凝土的裂縫中沉積并實現(xiàn)封閉和修復。

核心原理是利用混凝土內部殘留的或特意添加的活性材料，如未反應的硅酸鹽、CaO或其他活性礦物，當裂縫與外部水分或濕氣接觸時，這些活性物質會迅速與水反應，生成新的水合化合物。例如，CaO與水反應可以生成Ca(OH)2，進而與環(huán)境中的CO2反應生成CaCO3，這一穩(wěn)定的水合化產物會緊密地堆積在裂縫中，形成屏障并避免進一步的損傷[3]。

為提高自修復效率，研究者還探索了向混凝土中加入特定的觸發(fā)劑或促進劑，這些化學物質在遇到水時會更迅速地生成水合化合物，從而實現(xiàn)更快速、更穩(wěn)定的裂縫修復。此外，對于特定的應用環(huán)境，如海水環(huán)境，選擇與之相容的水合化合物對提高修復效果尤為關鍵。

2.4 使用納米材料

納米技術在多個領域都展現(xiàn)出了巨大的潛力，特別是在提高材料性能方面。在混凝土的自修復領域，納米材料已被認為是一種極具前景的修復策略。納米材料，如納米硅酸鹽、納米鈦酸鹽和納米氧化鋁等，因其特殊的微觀結構和高的比表面積，使其在混凝土中的分散性和親和性都得到了顯著提高。

核心工作原理基于納米材料獨特的物理化學性質。首先，納米材料可以有效地彌散在混凝土基質中，當混凝土出現(xiàn)裂縫時，納米材料可以在裂縫處迅速凝聚和結晶，形成緊密的封閉結構。其次，納米材料的高比表面積使其與周圍環(huán)境的相互作用極大增強，這不僅促使了更快的化學反應速率，還提高了裂縫處的修復質量，提供了更強的黏結性能。此外，某些納米材料，如納米硅酸鹽，能與混凝土中的鈣離子發(fā)生反應，形成穩(wěn)定的鈣硅酸鹽水合物，進一步增強了混凝土的修復和耐久性。

但需要注意的是，納米材料的選擇和摻入量需要根據混凝土的實際應用環(huán)境和工作條件進行精準調控。過多的納米材料可能會導致混凝土的工作性能降低，而選擇不當?shù)募{米材料可能會影響到混凝土的長期穩(wěn)定性。

3 混凝土自修復技術在道路和橋梁工程中的應用

3.1 道路工程中的應用實例

在近年的一項重要的道路工程項目中，為了提高新建道路的耐久性并減少維護成本，工程師選擇了使用自修復混凝土技術。這個項目位于一個多雨和經常發(fā)生凍融循環(huán)的地區(qū)，這種環(huán)境條件使得道路混凝土常常出現(xiàn)裂縫和破損。

在該道路工程中，為了克服這些挑戰(zhàn)，工程師選擇了采用納米硅酸鹽和微生物誘導碳酸鹽沉淀技術的組合方式。納米硅酸鹽通過與混凝土中的鈣離子反應，迅速形成穩(wěn)定的鈣硅酸鹽水合物，從而強化混凝土結構，增強其耐凍融性能。而微生物誘導碳酸鹽沉淀技術，利用了特定的細菌，這些細菌在檢測到微裂縫時被激活，經過其生物代謝過程，產生碳酸鹽晶體填充裂縫，實現(xiàn)自我修復[4]。

這種自修復混凝土的使用顯著降低了道路的維護頻率，同時也減少了維護所需的資源和時間。在該項目完工后的2年里，盡管該地區(qū)經歷了多次嚴重的凍融循環(huán)，但這段道路仍舊保持了良好的狀態(tài)，幾乎沒有出現(xiàn)裂縫。此外，與傳統(tǒng)混凝土相比，這種自修復混凝土的成本僅增加了不到5%，但其帶來的長期效益和減少的維護成本遠遠超出了這一初次投資。

3.2 橋梁工程中的應用實例

在某城市的關鍵交通樞紐，有一座大型橋梁，它連接了城市的兩個主要商業(yè)區(qū)。由于這座橋梁經常承受重型交通流和惡劣的環(huán)境條件，橋梁的保養(yǎng)和維護成本相當高。為了解決這一問題，橋梁工程師決定在橋梁的關鍵部位采用自修復混凝土技術。

工程師選擇了采用微膠囊技術和納米材料相結合的方法。微膠囊中包含了修復劑，當裂縫出現(xiàn)時，這些微膠囊會破裂并迅速釋放出修復劑，與混凝土中的成分反應，形成一個堅固的修復層來封閉裂縫。而納米材料，如納米硅酸鹽，被添加到混凝土中，為混凝土提供更好的抗壓和抗彎性能，同時增強其耐腐蝕性，延長橋梁的使用壽命。

該橋梁工程自使用自修復混凝土技術后，其維護和修復的頻率明顯降低。盡管橋梁經常承受重型車輛的過載和不斷變化的氣候條件，但橋面和支撐結構仍然保持良好，幾乎不見明顯的裂縫或損傷。這一技術的成功應用，不僅顯著降低了該橋梁的總體維護成本，還為其他城市和工程師提供了一個在橋梁和其他關鍵基礎設施項目中采用自修復混凝土的有力案例。

3.3 與傳統(tǒng)修復方法的比較

自修復混凝土技術與傳統(tǒng)混凝土修復方法存在著多個關鍵方面的差異，具體如表2所示。首先，自修復混凝土技術明顯縮短了修復時間，最多只需幾小時，而傳統(tǒng)方法可能需要數(shù)天。在修復效果上，自修復混凝土可實現(xiàn)接近完美的修復，達到95%～100%的完整性，而傳統(tǒng)方法的修復效果可能僅為70%～85%。盡管自修復混凝土的初步投資成本較傳統(tǒng)方法略高，但其更長的持久性和顯著減少對環(huán)境影響使其在總體生命周期成本和環(huán)境效益上具有競爭優(yōu)勢。此外，由于自修復技術減少了工作中斷，因此對交通和項目進度的干擾也大大減少。

表2 自修復混凝土與傳統(tǒng)修復方法效能對比

4 結語

混凝土自修復技術代表了現(xiàn)代建筑材料科學的一次重要突破。通過為混凝土賦予自我修復的能力，不僅有可能大大提高公路和橋梁的使用壽命，還可降低維護成本并增強其抗應力和耐久性。相比傳統(tǒng)的修復方法，自修復技術提供了一種更為經濟、高效和可靠的解決方案。隨著進一步的研究和技術創(chuàng)新，混凝土自修復技術有望在未來的道路和橋梁建設中得到更廣泛的應用，為我國的交通基礎設施帶來更長久的穩(wěn)定與安全。