新型自愈合混凝土材料在建筑结构中的性能研究与实践

1、引言

混凝土因成本低、可塑性强、抗压性好，成为建筑工程核心材料。但长期使用中，环境侵蚀、荷载、温度变化等易引发裂缝。裂缝不仅影响建筑外观，更成为水分、氧气及有害离子侵入通道，加速钢筋锈蚀，威胁结构安全。数据显示，全球每年因混凝土裂缝导致的建筑维修加固费用超百亿美元 ，传统混凝土的裂缝问题亟待解决。

2、新型自愈合混凝土材料的作用机制

2.1 微胶囊型自愈合机制

微胶囊型自愈合混凝土将含环氧树脂、聚氨酯等修复剂的微胶囊均匀分散于混凝土基体。微胶囊外壳材料的选择对自愈合效果影响显著，如采用聚脲甲醛制备的外壳具有良好的机械强度和化学稳定性，能有效保护内部修复剂在混凝土搅拌过程中不提前释放。当混凝土受外界作用产生裂缝，裂缝扩展致使微胶囊破裂，修复剂流出，与混凝土内成分反应生成胶凝物质填充裂缝。研究表明，微胶囊粒径与掺量会影响裂缝修复效果，粒径在 50-100μm 、掺量为混凝土体积 1%-2% 时，可使 0.3mm 以下裂缝在 72 小时内被有效封闭 ，显著提升结构耐久性。

2.2 微生物型自愈合机制

微生物型自愈合混凝土在制备时添加芽孢杆菌等微生物及尿素、钙盐等营养物质。微生物种类与活性是影响自愈合效果的关键因素，不同芽孢杆菌菌株对环境的适应性和碳酸钙生成能力存在差异。裂缝产生后，水分和氧气进入，激活微生物代谢。以芽孢杆菌为例，其分泌脲酶催化尿素分解，促使钙离子与碳酸根离子结合生成碳酸钙晶体，沉积于裂缝处实现修复。在潮湿环境下，当微生物浓度达到 10^∘8CFU/mL ，且尿素与钙盐比例为 1:2 时，28 天内可修复 0.5mm 宽裂缝，使混凝土结构抗渗性显著增强。

2.3 纤维增强型自愈合机制

纤维增强型自愈合混凝土掺入碳纤维、聚丙烯纤维、钢纤维等。纤维的长径比、弹性模量等参数影响其桥接效果，例如聚丙烯纤维长径比在 60-100 时，能更有效地横跨裂缝限制扩展。同时，纤维与水泥基体的界面粘结强度也至关重要，通过对纤维表面进行化学改性处理，可增强界面效应，促进水泥水化产物在裂缝处沉积。实际工程中，掺入体积分数 0.3% 的聚丙烯纤维，可使混凝土早期收缩裂缝减少 60% 以上，且裂缝处水化产物不断填充，实现自愈合，提升结构韧性与耐久性。

3、新型自愈合混凝土材料在建筑结构中的性能研究

3.1 抗压性能

实验室制作尺寸为 150mm×150mm×150mm 的自愈合混凝土与普通混凝土试件各 3 组，进行抗压强度测试。采用电液伺服压力试验机，以 0.5MPa/s 的加载速率进行加载。初始阶段，两者抗压强度无明显差异。微胶囊型自愈合混凝土试件加载至出现裂缝后，置于标准养护条件（温度 20±2% ，相对湿度 ≈95% ），28 天后复测，抗压强度较裂缝出现时提高 12%-15% 。对比不同修复剂类型的微胶囊自愈合混凝土发现，环氧树脂基修复剂的抗压强度恢复效果优于聚氨酯基修复剂，这是由于环氧树脂固化后形成的胶凝物质具有更高的强度和粘结性能。

3.2 抗拉性能

采用直接拉伸试验和弯曲试验研究自愈合混凝土抗拉性能。直接拉伸试验中，制备尺寸为 100mm×100mm×500mm 的棱柱体试件，两端设置钢制夹具，以 0.05mm/min 的速率进行拉伸。纤维增强型自愈合混凝土开裂荷载比普通混凝土高 30% ，裂缝出现后，纤维延缓裂缝扩展，自愈合启动后，试件抗拉刚度恢复约 20% 。在弯曲试验中，采用四点弯曲加载方式，试件尺寸为 100mm×100mm× 400mm ，加载速率为 0.1mm/min。结果显示，自愈合混凝土试件受弯开裂后，裂缝宽度增长速率仅为普通混凝土的 40% ，养护 28 天后裂缝明显愈合，这表明自愈合混凝土在受弯状态下能有效提升受拉构件性能。

3.3 抗渗性能

通过逐级加压抗渗试验对比自愈合与普通混凝土抗渗性。试验采用 HP - 40 型混凝土抗渗仪，试件尺寸为直径 175mm 、高度 185mm 的圆台体。普通混凝土裂缝出现后，抗渗性能急剧下降，在0.3MPa 水压下即出现渗水现象。微生物型自愈合混凝土裂缝出现后养护 14 天，抗渗等级从 P6 提升至 P8，能抵御 0.8MPa 水压。进一步研究发现，微生物自愈合混凝土的抗渗性能提升与碳酸钙晶体的填充密度和均匀性密切相关，晶体填充越致密、分布越均匀，抗渗效果越好。

3.4 耐久性

加速老化试验模拟高温（60℃）、高湿（相对湿度 90% ）、化学侵蚀（ 5% 硫酸钠溶液）环境，对自愈合混凝土试件进行 6 个月处理。结果显示，其裂缝自愈合率达 85% 以上，质量损失率仅为普通混凝土的 1/3。长期暴露试验中，某自愈合混凝土桥梁构件经 5 年使用，通过氯离子扩散系数测试发现，其抗氯离子渗透能力较普通混凝土提升约 40% ，结构完整性良好，表明自愈合混凝土能大幅延长建筑结构使用寿命。对比不同自愈合机制的混凝土耐久性发现，微生物型自愈合混凝土在化学侵蚀环境下表现更优，而微胶囊型自愈合混凝土在物理损伤修复方面效果更佳。

4、新型自愈合混凝土材料应用面临的挑战及解决策略

4.1 成本问题

自愈合混凝土因添加特殊材料成本高昂，约为普通混凝土的 1.5-2 倍。从原材料角度，可深入研究工业废弃物的再利用。除粉煤灰外，矿渣、稻壳灰等也可用于制备微胶囊外壳或微生物培养基。例如，将矿渣经过粉磨、改性处理后，替代部分水泥用于微胶囊制备，不仅能降低成本，还可改善微胶囊的性能。在制备工艺上，开发模块化、集成化的生产设备，实现微胶囊、微生物制剂等的自动化生 ，减少人工干预，提高生产效率。通过规模化生产，当年产量从 1 万吨提升至 5 万吨时，单位生产成本可降低 20%-25% 。此外，政府可出台相关补贴政策，对使用自愈合混凝土的建筑项目给予一定的资金支持，鼓励企业和项目采用新型材料。

4.2 自愈合效果稳定性

自愈合效果受裂缝宽度、环境温湿度等多种因素影响。建立基于机器学习的自愈合效果预测模型，收集大量不同环境条件、裂缝特征下的自愈合试验数据，训练模型以准确预测自愈合效果。在工程应用中，通过现场监测设备实时获取环境温湿度、裂缝宽度等数据，输入模型为工程选择合适的自愈合混凝土类型和配合比。针对高温环境，研发耐高温微生物菌株或优化微胶囊修复剂配方，使其在 50% 以上仍能保持良好的活性和修复能力；对于可能出现较大裂缝（宽度 >0.5mm ）的部位，采用复合自愈合技术，结合微胶囊和纤维增强的优势，增加微胶囊和纤维的掺量。定期采用超声相控阵、红外热成像等先进无损检测技术，对自愈合混凝土结构进行全面检测，建立结构健康监测系统，一旦发现愈合不佳问题，及时采取局部注浆、表面修补等措施进行处理。

5、结论

新型自愈合混凝土凭借独特机制，显著提升建筑结构性能与耐久性。通过微胶囊型、微生物型和纤维增强型等自愈合机制，有效修复裂缝，提高混凝土结构的抗压、抗拉、抗渗性能，延长建筑结构使用寿命。然而，成本高、自愈合不稳定、标准缺失等问题制约其发展。通过材料创新、工艺优化、标准完善等措施，可克服挑战。未来，随着技术进步和研究深入，自愈合混凝土将在建筑结构中发挥更大作用，推动建筑行业向智能化、可持续化方向发展。

参考文献

[1]黄山秀. 碳纳米管混凝土力-电性能及自修复机制研究[D]. 河南理工大学, 2023

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