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行業新聞
當混凝土能夠“自愈合”，建筑壽命將再被延長
時間：2022-11-01    來源：中國建材報    分享：
混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，但很容易出現裂縫，自愈合混凝土對于寬度不大于0.5毫米的裂縫（非載荷因素造成的裂縫大多屬于該范圍）能自主診斷和自我修復，對于那些不具備被動修復空間的重大工程建設具有重要意義。



在自然界中，受損時能夠自我修復的大多都是有著生命特征的生物體。在非生命物質中，也有一種有“生命”的材料，它不僅能識別損害的出現，并立即進行自我修復，還能提高材料的使用安全性、降低材料的維護成本，大大延長建筑的使用壽命。

應用混凝土自愈技術的項目  東南大學  杜文祥/供圖


近日，在接受《中國建材報》記者采訪時，東南大學首席教授、綠色建材與固碳利用研究中心主任、國家重點研發計劃項目首席科學家錢春香表示，混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，但很容易出現裂縫，自愈合混凝土對于寬度不大于0.5毫米的裂縫（非載荷因素造成的裂縫大多屬于該范圍）能自主診斷和自我修復，對于那些不具備被動修復空間的重大工程建設具有重要意義。


大型基礎設施急需“自愈合”技術



混凝土裂縫問題已經存在了上百年，是一個世界級難題。對此，錢春香指出，裂縫對混凝土材料的負面影響是多方面的，開裂后防水、隔聲、導熱等性能也會極大衰減。因此，裂后混凝土必須采取必要措施進行修復，而當前修復方法主要以被動修復為主，但日趨復雜的混凝土結構導致了開裂位置的隱蔽性，眾多基礎設施也不具備值守條件，裂縫難以及時探查，因此重大基礎設施工程建設急需“自愈合”技術。

“自愈合混凝土能夠阻止外界環境的有害離子進入混凝土內部和鋼筋表面，防止混凝土腐蝕和鋼筋銹蝕，保障工程結構的服役壽命，產生顯著的直接和間接經濟效益，同時實現地下、水下工程混凝土的自防水，確保使用功能，尤其對于裝載精密儀器、糧庫、藥品等防水要求高的場所尤為重要，社會效益重大。”

錢春香指出，自愈合混凝土中關鍵組分是自愈合劑，自愈合劑種類很多，目前部分已進入規模化生產，能滿足工程應用需求。近年來，對于自愈合混凝土的性能已開展了全面的試驗驗證，從配合比設計、混凝土生產、施工、驗收，建立了完善的技術規程和試驗方法標準，并經歷了工程示范應用的檢驗，進入了應用推廣階段。


最大挑戰是業界認識的轉變



混凝土裂縫自愈合研究最早可追溯到1836年，法國科學院學者揭示了水泥水化滲出的氫氧化鈣碳化愈合裂縫的機理。自此，混凝土裂縫自愈合研究陸續開展。

“1980年，我國首次在上海地鐵工程修建中引進了水泥基滲透結晶防水自愈合材料；2001年，美國南達科他礦業理工學院最先提出把微生物礦化用于混凝土裂縫修復；2005年，我在國內開展了第一個微生物自修復技術的國家自然科學基金項目研究，內容包括碳酸鹽礦化菌誘導碳酸鈣沉積機理及碳酸鈣結晶動力學、形態學，并成功應用于水泥基材料表面缺陷修復。目前，我國已建成年產1000噸～2000噸的修復劑生產線，制定了自修復混凝土相關技術標準。而根據自愈機理，自愈合混凝土類型很多，但從全球的研究和應用來看，最具前景的是微生物自修復混凝土、膠囊型自修復混凝土和適用于小尺寸裂縫的滲透結晶型自修復混凝土。”

在錢春香看來，當前最大的挑戰是從業者認識上的轉變。她指出，業主方希望得到的是一個不會開裂的混凝土，而不是一個能自愈合的混凝土。但是隨著膠凝材料、骨料等大宗材料的可選擇性日臻縮小，混凝土不開裂比較難。因此，“能自愈的混凝土”將是未來的發展趨勢。而在成本方面，自愈混凝土中的愈合劑使混凝土成本增加10%～20%，總建筑成本也只增加0.5%～1%。混凝土開裂導致的維護費用比這個總成本比例要高得多。由此看來，通過延長混凝土的使用壽命、提升防水等使用功能可節省大筆維護費用。


推行“抗裂”與“自愈”相結合



“實現推廣自愈合混凝土應用的難點在于改變業界的觀念，要推行‘抗裂’與‘自愈’相結合，同時，通過量產和規模化應用降低成本。”錢春香指出，工程界對于混凝土裂縫治理問題一直存在兩種學派，一種是“抗”，也就是不讓混凝土開裂；另一種是“放”，即開裂后進行修復，被動或者主動地自行修復。自愈合混凝土的理念在繼承兩種學派觀點的同時進行了創新，不僅能主動、及時自愈，還能在一定程度上降低開裂風險，是一種仿生的智能材料，是傳統混凝土的變革。

當前，自愈合混凝土已逐步進入工程應用階段，建立了應用技術規程，自愈合劑也實現了產業化、標準化。盡管已經取得了不小的進展，但現有的混凝土的自愈合還遠未達到自然界自愈合現象的精細度、完好度。自愈合混凝土是水泥混凝土低碳發展的技術路徑之一，任重道遠。

“微生物材料在土木工程中的發展前景很好，除了自愈合混凝土，還有微生物巖土工程、重金屬的微生物礦化治理、微生物協同廢渣高值化利用等，這些都能直接或間接推動‘雙碳’目標的實現。”對于自愈合混凝土下一步的發展，錢春香表示，需進一步充實自愈合觸發機理研究，建立自愈合混凝土理論，為技術研發提供指導；技術上，在抗滲透性能提升和恢復的基礎上，實現力學性能的恢復；轉化應用上，瞄準國家重大基礎設施工程建設需求，例如海洋工程、大型地下空間工程等，加快自愈合劑產品的產業化，大力開展工程示范應用，積累應用經驗，產生更大的經濟和社會效益。



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