基本介紹
- 中文名：自修復混凝土
- 基本特徵：物質補給和能量補給
- 基本特徵：由生長活性因子來完成
- 基本特徵：應該是一種機敏混凝土
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土壤特徵
自修復是生物的重要特徵之一.自修復的核心是物質補給和能量補給，其過程由生長活性因子來完成.自修復混凝土是模仿動物的骨組織結構受創傷後的再生，恢復機理，採用修復膠粘劑和混凝土材料相複合的方法，對材料損傷破壞具有自修復和再生的功能，恢復甚至提高材料性能的一種新型複合材料。
據此，學者們構想具有自修復行為的智慧型材料模型為，在材料的基體中布有許多細小纖維的管道。管中裝有可流動的物質——修復劑。在外界環境作用下，一旦材料基體開裂，則纖維隨即裂開，其內裝的修復劑流淌到開裂處，由化學作用自動實現粘合，從而抑制開裂修復材料。這可以提高開裂部分的強度，增強延性彎曲的能力，從而提高整個結構的性能.若採用低模量的膠粘劑修復混凝土，則可以改善建築結構的阻尼特性，以減輕地震的大風對建築物的破壞；如果膠粘劑彈性模量較大，則可以恢復結構的剛度和強度；不同凝固時間的膠粘劑可以用於對結構的彎曲進行控制。
自修復混凝土，從嚴格意義上來說，應該是一種機敏混凝土。機敏混凝土是一種具有感知和修復性能的混凝土，是智慧型混凝土的初級階段，是混凝土材料發展的高級階段.由這種材料構建的混凝上結構出現裂紋和損傷後，如何利用自身的材料特性達到自修復、自鈍化，對混凝土結構起到自防護的作用，是我們關注的主要問題。近年來，損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土、仿生自癒合混凝土等一系列機敏混凝土的相繼出現為智慧型混凝土的研究和發展打下了堅實的基礎。未來，可在自修復混凝土的基礎上，進一步融入信息科學的內容，如感知、識別和驅動控制等。從而達到適應環境、調節環境、材料結構和健康狀況的自診斷和自修復等目的。使其具有多種完善的仿生功能，包括骨骼系統（基材）提供的承載能力，神經系統（感測網路）提供的檢測和感知能力，肌肉系統（驅動元件）提供的康復能力，真正達到混凝土材料的結構——智慧型一體化的境界.
研究狀況
國外
智慧型混凝土是材料學的一個研究分支，其起源可追溯到上世紀六十年代，當時的蘇聯科學家採用碳墨為導電組分製備了水泥基導電複合材料。八十年代末期，日本土木工程界的研究人員構想並著手開發構築高智慧型結構的所謂“對混進變化具有感知和控制功能”的智慧型建築材料。美國在1993年，由於有國家科學基金的資助，開辦了與土木建築有關的智慧型材料與智慧型結構的工廠。然而，正如前面所說，智慧型混凝土材料是具有若干個S行為的材料， 即具有自我診斷功能（self-diagnosis）、自我調節功能（self-tuning）、自我恢復功能（self-recovery）、自我修復功能（self-repair）等多種功能的綜合，缺一不可，以目前的科技水平，製備完善的智慧型混凝土材料是相當困難的，也是不現實的。
在此基礎上， Carolyn Dry教授還根據動物骨骼的結構和形成機理，嘗試製備仿生混凝土材料.其基本原理是採用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料並在其中加入多孔的編織纖維網，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應引發劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應留下的水分參與水泥水化。由此，在纖維網的表面形成大量有機及無機物質，它們互相穿插粘接，最終形成的複合材料是與動物骨骼結構相似的無機有機相結合的複合材料，其性能具有優異的強度及延性。而且，在材料使用過程中，如果發生裂紋或損傷，多孔有機纖維會釋放高聚物，癒合裂紋或損傷。日本學者H.Hilalshi和英國學者S.M.Bleay分別在1998、2001年採用類似的方法研究了混凝上裂紋的自防護問題。
國內
南京航空航天大學的智慧型材料與結構航空科技重點實驗室，在我國的智慧型複合材料研究領域處於領先地位。在1997 年，他們研究了利用形狀記憶合金（SMA絲）和液芯光纖對複合材料結構中的損傷進行自診斷、自修復的方法。對總體方案進行了分析，採用E44和E51的環氧樹脂，做了初步的試驗：在混凝土中埋入形狀記憶合金和液芯光纖，光纖的出射光由光敏管接受，當損傷發生時，由液芯光纖組成的自診斷、自修復網路使膠液流入損傷處，同時局部激勵損傷處的SMA短纖維，產生局部壓應力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對損傷處進行自修復，而且當液芯光纖內所含的膠粘劑流到損傷處後，SMA激勵時所產生得熱量，將大大提高固化的質量，使得自修復完成得更好。
2001年，南京航空航天大學的楊紅提出了利用空心光纖來實現智慧型結構的自診斷、自修復。該文首創了用於智慧型結構的空心光纖研究方法，並對其進行了套用基礎研究。此外，還設計了埋入空心光纖的複合材料診斷與修復系統用於檢測複合材料損傷程度與位置以及對損傷處進行自修復等。在複合材料中，還埋入了形狀記憶合金（SMA）絲以提高複合材料的強度、安全和可靠性。研究的對象是紙蜂窩和樹脂基兩種複合材料，利用空心光纖注膠的方法進行了複合材料自修復的研究。實驗表明，修復後的紙蜂窩複合材料完全達到正常材料的使用性能，樹脂基複合材料在完全破壞的情況下，經修復後，材料的拉伸和壓縮性能得到很大的恢復。
同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室等研究的仿生自診斷和自修復智慧型混凝土是模仿生物對創傷的感知和生物組織對創傷部位癒合的機能，在混凝土傳統組分中複合特殊組分即所謂的第六組分，如仿生感測器、含膠粘劑的液芯纖維等，使混凝土內部形成智慧型型仿生自診斷、自癒合網路系統。當混凝土材料內部出現損傷時，仿生感測器可以及時診斷預警，當內部出現微裂紋時，部分液芯纖維破裂，膠粘劑流出深入裂縫，使混凝土裂縫重新癒合，恢復並提高混凝土材料的性能。該智慧型複合材料的研究可實現對混凝土材料的能動診斷、實時監測和及時修復，以超前意識確保混凝土結構的安全性，延長混凝土構築物的使用壽命.
存在問題
從上述研究的內容來看，目前大部分研究集中在空心修復纖維如何在基體中的分布和隨後的化學製品的釋放，通過這些化學製品密封基體的微裂縫以及使損傷界面重新癒合，達到控制開裂的目的。
在修復過程中，以下因素對混凝土材料的修復過程及效果非常重要：
（1） 纖維管與基體材料的性能匹配是很重要的，如採用塑膠纖維管裝入修復劑嵌入，可發現基體完全裂開而纖維管並未破損的現象，無法實現自修復功能。
（2） 纖維管的數量也影響材料的修復，太少不能形成完全修復，多了又可能對材料的巨觀性能有影響。
（3） 修復後的強度與原始強度的比值是評價修復的重要依據，它與修復劑的粘接強度有很大關係。
（4） 混凝土的裂縫開裂機制。
（5） 粘接質量、膠粘劑的滲透效果、管內壓力也對自鈍化作用產生很大的影響。
（6） 膠粘劑是有機材料，耐久性能很難保證。
受這些因素的影響，目前研究的很多方法還只是一種構想，從實驗室中已經展開的研究方法來看，其效果也並不理想。
相關文章針對自修復混凝土材料主要進行了下述幾個方面的工作：
2. 分析了修復膠囊和修復纖維對混凝土自修復的影響因素。由於玻璃管與混凝土之間有良好的協調工作性，化學性質穩定，選擇玻璃短管作為內置空心膠囊自修復混凝土的修復膠囊，長空心玻璃管作為內置纖維膠液管裂縫自修復混凝土的修復纖維。
3. 用複合材料力學的理論和纖維間距理論建立了描述玻璃修復短管在混凝土中的分布和取向的函式，用以統計各個方向的修復短管數量。並根據修復空心玻璃長管微分單元的平衡狀態，從鋼筋混凝土裂縫計算的原理出發，研究了修復玻璃管在混凝土中的工作原理，推導出了混凝土一旦開裂，修復空心玻璃長管及時發揮作用的合理尺寸。
4. 修復短管的長度、管徑和摻量對混凝土的力學性能和修復效果有重要的影響，通過對摻入不同長度，不同管徑，不同摻量玻璃短管的自密實混凝土標準試塊進行力學性能測試，來對比不摻玻璃短管試塊的力學性能，從中對其進行了詳細的分析和研究，得出合宜的玻璃短管幾何參數和合理的短管摻量。
5. 用大型有限元軟體ABAQUS建立模型，對內置於混凝土中的修復玻璃短管進行了有限元數值分析，以確定其合理壁厚。
研究意義
自修復混凝土可以解決用傳統方法難以解決和不能解決的技術關鍵，在重大土木基礎設施的及時修復以及減輕颱風、地震的衝擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建築物的安全和耐久性都極具重要性，也對傳統的建築材料研究、製造、缺陷預防和修復等都提出了強烈的挑戰。
總之，為了迎合21 世紀人類對建築材料和結構提出的功能——智慧型一體化要求，對存在潛在損壞危險的混凝土表面進行有效保護、對造成裂紋和損傷的混凝土結構進行自修復，使混凝土結構具備自防護功能，是具有很大經濟和社會效益的事情；自修復混凝土可以解決用傳統方法難以解決和不能解決的技術關鍵，它對確保高層建築、橋樑、核電站等重大土木基礎設施的安全和長期的耐久性，以及減輕颱風、地震衝擊等諸多破壞因素方面有很大的套用潛力，對確保建築物的安全和耐久性都極具重要性，也對傳統的建築材料研究、製造、缺陷預防和修復等都提出了強烈的挑戰。
