1. 引言
混凝土具有原材料丰富、耐火性好、刚度大、整体性好、成本低等优点，应用于我国大多数建筑，但是混凝土本身具有脆性大、体积大、重量大等缺点，其中最大的问题就是混凝土在不同环境或荷载作用下会产生裂缝，如果不加处理的话这些裂缝会向外扩展对结构产生严重的损害，传统的处理方法主要有表面处理法、填充法、灌浆法等。但是这种后期维修的方法工期长、经济效益低。因此，开始需要寻求一种不需人工处理、裂缝出现就会自主修复的智能混凝土。随着材料科学和生物学的发展，自修复技术发展极其迅速，为建筑行业发展做出巨大贡献。
2. 混凝土材料裂缝自修复技术的概述
自修复混凝土是指在水泥基体中预先埋入特殊组分，当混凝土结构产生损伤裂缝时，基体内的修复剂在物理或化学作用下得以释放，封堵裂缝，限制其进一步扩展，以达到修复的目的。根据其作用机理主要分为物理自修复、化学自修复和微生物自修复。
物理自修复是通过物理性质来实现自修复的，在混凝土出现裂缝时，混凝土裂缝通过自身的应力作用与内部的自修复剂粘结作用来修补裂缝。常见的方法有纤维增强混凝土自修复，形状记忆合金自修复，微胶囊物理自修复等。
化学自修复是利用化学作用对破损的部位进行修复，其机理是将修复剂注入到混凝土里，混凝土一旦出现破损，这些修复剂会和混凝土内的矿物质以及空气中的一部分气体进行化学作用，从而形成特定的矿物盐来填补破损的部位。常见的方法有渗透结晶自修复、膨胀剂自修复、微胶囊化学自修复等。
微生物自修复是利用微生物的新陈代谢产生不溶或相对难溶的化合物来填充裂缝。如巴士芽孢杆菌、巴氏芽孢八叠球菌等。当混凝土表面出现裂缝时，水分和空气中的O2或CO2等进入混凝土内部并激活微生物进行新陈代谢，生成碳酸钙来实现混凝土自修复。
3. 自修复混凝土研究现状
3.1. 纤维增强混凝土自修复
纤维混凝土不仅具有优良的物理、力学性能，并且与普通混凝土相比，其抗拉、抗弯强度及耐冲击、耐腐蚀、耐疲劳性、韧性和抗裂等性能更能得到很大的提高，而且研究发现在混凝土中掺入纤维还可以提高混凝土的自愈能力。首先，纤维加入混凝土中可通过桥联作用在裂缝末端的微裂纹区域内为混凝土提供自愈合应力；另外，纤维在混凝土裂缝处为自愈合产物提供核点，促进裂缝的修复。Chenyang Ma等[1]通过PVA纤维的亲水改性制备了一种新型的高吸水性纤维，并将高吸水性纤维加入混凝土中，研究不同龄期下高吸水性纤维水泥基复合材料的自修复特性，发现高吸水性纤维水泥基在龄期为7 d和28 d时的抗压强度恢复率均高于普通水泥和PVA纤维水泥。结果表明：由于高吸水纤维具有较高的吸水能力，在混凝土试块出现裂纹后，不参与水化反应的钙离子游离并聚集在纤维附近，在空气中二氧化碳的作用下，产生碳酸钙来修复裂缝。孟永东等[2]探究了纤维对微生物混凝土抗裂性能和裂缝自修复效果的改善作用，试验优选出聚丙烯腈纤维并掺入微生物混凝土中，当纤维掺量为1.5 kg/m³时，混凝土试件的劈裂抗拉强度恢复至未加载体试件的95.1%；修复养护28 d后，平均裂缝宽度为0.43 mm的试件透水性系数由3.35 × 10−5 m/s降至3.40 × 10−6 m/s，降幅达89.9%：能够愈合的最大裂缝宽度为0.82 mm。
通过将纤维掺入混凝土中来提高混凝土自修复能力，其优点是能较好的修复由于应力或腐蚀造成的裂缝，相对于较大的裂缝却不能较好的修复，并且自修复效果还受环境、温度、纤维的掺量和比例等多因素的影响，适用范围仅针对于宽度较小的微裂缝。
3.2. 膨胀剂的自修复
膨胀剂自修复是依靠矿物离子自身的水化，膨胀结晶等作用而修复裂缝的矿物添加剂自修复。当膨胀剂接触到水分时，膨胀剂中的某些成分会吸收水分并发生化学反应，导致材料的体积膨胀来填充混凝土早期的微裂缝。另外，当混凝土出现新的微小裂缝时，这些膨胀材料会再次膨胀对裂缝进行二次修复。Sisomphon等[3]研究硫铝酸钙类膨胀剂(CSA)和结晶剂(CA)对砂浆裂缝自修复效果的影响。试验结果表明：经过28 d的淡水愈合，有10% CSA和1.5% CA的试验组可以完全修复宽度为0.4 mm的裂缝，并且透水率下降至0，表现出很好的愈合效果。分析表明，掺有CSA和CA的试件不仅可以释放出更多的Ca2+，而且试件内部的pH进一步提高，有利于碳酸钙的沉淀，促进裂缝的愈合。刘野[4]研究了掺氧化镁膨胀剂对混凝土在海水和淡水两种环境下裂缝自修复效果。针对上述两种环境，进一步考虑了氧化镁膨胀剂的活性(M型和R型)、掺量(5%和10%)、裂缝的初始宽度等因素对裂缝自修复的影响。结果表明：在淡水环境下，掺氧化镁膨胀剂试件的裂缝表面修复效果、抗水渗透恢复效果明显好于未掺氧化镁膨胀剂的试件，且掺量越高效果越好，初始裂缝宽度为0.2 mm的修复效果最优，试件最终宽度修复率与面积修复率均达到了100%。在海水环境下，从裂缝的修复速度和最终修复的宽度来看，各个试件的修复效果均好于淡水环境下的效果。与在淡水环境下相同，当试件裂缝宽度为0.2 mm时修复效果最好，试件最终宽度修复率与面积修复率均为100%。
基于氧化镁的自修复混凝土是一种新型混凝土材料。研究表明，与传统硫铝酸钙类膨胀剂相比，氧化镁膨胀剂具有修复性能稳定、膨胀可控等优点。这类混凝土在大体积结构中可有效控制由收缩引起的早期裂纹和表面裂缝。然而，膨胀剂活性及掺量控制仍是需要进一步解决的问题，容易导致混凝土工作性能不佳。因此，这种自修复混凝土适用于大体积混凝土结构的裂缝修复。
3.3. 微胶囊自修复
微胶囊自修复的作用机理是将固化剂和装有修复剂的微胶囊事先均匀地埋入到混凝土构件中，当混凝土构件由于外力作用而产生微裂痕时，裂痕附近的微胶囊在集中应力作用或温度等外界作用下发生破裂，以致内部的修复剂流出修复裂痕，根据修复剂的种类可以将微胶囊修复技术分为物理和化学两类；物理自修复微胶囊修复机制是当混凝土出现裂痕时，微胶囊会受到外力作用而发生破裂，微胶囊内部的修复剂被释放出来，通过粘结固化作用填充裂缝来达到修复目的。化学自修复微胶囊修复机制是微胶囊破裂后，修复剂或催化剂会被释放出来，与混凝土中的成分或与空气中的水分、二氧化碳、氧气等发生化学反应，生成新的填充物修补裂缝，并提高材料的整体性能。易松等[5]将氧化镁膨胀剂、硅质材料和水泥为囊芯，硅酸盐材料为囊壁，制备了四种粒径的镁质膨胀剂微胶囊。研究了各粒径微胶囊掺量对砂浆试件抗压强度的影响；以强度恢复率和裂缝面积修复率作为评价指标，探讨了微胶囊对砂浆裂缝自修复性能的影响，当微胶囊掺量不超过10%时，微胶囊的掺入提升了砂浆试件的抗压强度。当微胶囊掺量为10%、粒径为1.18~2.36 mm、二次养护14 d时，宽度0.3 mm以下的裂缝完全修复，裂缝面积修复率达到100%，远高于空白组。黄丽娜等[6]将海藻酸钙加入到囊壁中，制备一种新型微胶囊并对水泥基材料的自修复效果进行研究。本研究通过超声波无损检测和试件抗压强度恢复率评价混凝土自修复效果，结果表明：在预压力为破坏荷载的40%条件下，以40%环氧树脂微胶囊为芯材，体积掺量1.2%时，砂浆试件抗压强度恢复率达103.8%，且微胶囊对初始抗压强度无负面影响。该研究采用了非破坏性检测和力学性能指标来评估混凝土自修复性能，得出了可喜的结果。在适当的预压力下，适量添加微胶囊可有效提高混凝土的自修复能力，而不会降低其初始强度。
通过微胶囊技术来修复水泥材料的裂缝，不仅能够提高修复剂的使用效率，减少修复剂的浪费和损失，同时还能够延长修复剂的作用时间，使得修复剂能够在更长的时间内发挥作用，并且能在基体中全方位的修复裂缝及损伤。然而，基于微胶囊的自修复也存在众多缺点，例如：修复剂的含量、囊壁的厚度等；若修复剂的含量过少，则修复产物不能很好的封堵裂缝；含量过多，则生成的晶体过度膨胀，会对混凝土产生二次损伤；制备微胶囊的囊壁厚度不好把控，若囊壁过薄，则在混凝土的搅拌过程中微胶囊就会破裂，里面的修复就会提前释放出来；若囊壁过厚，则在混凝土产生裂纹时，产生的集中应力不足以使微胶囊破裂，囊壁的过薄过厚都不能使微胶囊内部的修复剂发挥作用，另外微胶囊的合成困难，成本较高，通常适用于裂缝敏感混凝土构件的修复。
3.4. 微生物自修复
微生物由于体积小、繁殖快、种类多，且具有将特殊营养物质通过代谢、酶的水解等作用转化为矿物沉淀的特点，因此，各学者开始将微生物引入混凝土材料中来修复混凝土裂缝。微生物修复技术是通过某些细菌(如巴士芽孢杆菌)的新陈代谢捕捉周边的Ca2+来生成碳酸钙沉淀，填充裂缝从而实现混凝土自修复。将微生物加入到混凝土构件中，其在干燥、缺氧的条件下，能够以孢子的形态休眠，当混凝土产生裂缝时，空气中的水和氧气进入混凝土内部激活孢子，微生物进行有氧呼吸并分解有机酸钙，产生硅酸盐、钙离子等物质来填充裂缝。之后微生物进行无氧呼吸分解有机碳为CO32−和HCO3−，并与Ca2+反应生成碳酸钙沉淀。
Yifan Yan等[7]研究了不同低温下微生物的矿化特性，以及不同粒径膨胀珍珠岩作为微生物载体。采用不同粒径的自修复剂制备混凝土试件，冻融循环后对其力学和自修复性能进行综合评价。结果表明，微生物菌落数和脲酶活性均随冻结温度的降低而降低，冻融循环过程加剧了脲酶活性的进一步降低。随着粒径的减小，吸附作用增强，对碱性环境中微生物的保护作用更加显著。当自修复剂量为0.6 mm~1.2 mm时，混凝土抗冻性最好，此外，在这个粒径范围内的自愈剂量显示出最佳修复性能，最大裂缝修复宽度为1.063 mm，在0、100、200、300冻融循环后，平均修复宽度分别为0.512 mm、0.497 mm、0.443 mm和0.421 mm。李茜茜等[8]通过嗜碱芽孢杆菌胶与匹配的胶结液制备微生物修复剂，并自主研发疏水剂，通过向混凝土中加入疏水剂，改变了混凝土颜粒结构、降低土微粒界面活性，使之可以更好地配合微生物胶结对混凝土的固化，试验结果表明：在混凝土试块中加入制备好的微生物剂并制备0.5 mm的裂缝，经过28天养护，裂缝面积修复率达到了92.7%，抗水渗透修复率达到了93.4%。
微生物自修复具有永久修复和主动愈合的效果，应用前景广，但是其修复过程漫长，对宽裂缝修复作用有限，技术较为复杂，修复效果影响因素多，微生物的菌落数和脲酶活性通常受温度和环境的酸碱度的影响进而影响混凝土裂缝的修复效果，一般适用于与修复微生物相容的混凝土环境。
3.5. 渗透结晶自修复
渗透结晶型防水材料作为一种可以有效提升混凝土自修复性能的新型材料，由于原材料获取简单，制备工艺并不复杂，并且内掺渗透结晶型防水材料混凝土，在产生裂缝后可以促进一系列化学反应的发生，活性物质通过毛细压力进入混凝土内部参与化学反应，使其内部晶体数量增加，填补裂缝，提高混凝土自修复性能。王宗波[9]研究发现掺入渗透结晶防水剂有助于提升混凝土的自修复性能。抗压强度恢复试验和混凝土无损检测试验结果表明，掺渗透结晶型防水剂混凝土在各个时期自修复均高于普通混凝土，部分混凝土试件抗压强度恢复100%。裂缝在28 d内修复效果极佳，修复裂缝宽度范围为0.1 mm~0.3 mm，且0.1 mm裂缝的自修复效果最好。齐士强[10]通过将25%的柠檬酸钠与20%的胆碱加水溶解配置成溶液，然后把35%的可溶性有机小分子物质和三异丙醇胺缓慢滴加到溶液中来制备渗透结晶材料，通过人为制造水工混凝土裂缝，探究了渗透结晶材料的裂缝修复机理，研究表明：在水泥浆的配制比例为水:水泥:渗透结晶 = 4:10:0.25的条件下，渗透结晶能够较好地修复1.0 mm的裂缝，宽度较大时的修复效果不明显，这是因为界面间的空隙无法被完全填充，基体抗渗能力较低。
掺渗透结晶型防水剂混凝土在各个时期自修复均高于普通混凝土，因此渗透结晶自修复的修复效果长期有效，其修复原理是在混凝土中掺入含活性组分的渗透结晶材料，当混凝土发生开裂且渗水时，活性组分发生化学反应生成新的结晶物质，填充裂缝，这使得混凝土裂缝修复时间较短，但是渗透结晶材料较贵，使得成本较高，并且需要有水的环境才能有效果，一般适用于在有水或者有足够湿度的环境中的混凝土结构。
4. 研究前景与展望
混凝土裂缝自修复技术的研究与进展取得了显著成果，但是这种技术还具有一定的局限性，还应需要更深入的探索，例如，在自修复混凝土修复效果方面：就目前而言，自修复混凝土修复裂缝的宽度还有限，目前所修复的一些混凝土裂缝都只是一些微裂缝，如何实现自修复混凝土在较大的裂缝下的自修复还是个十分艰难的课题，在控制自修复混凝土成本方面也面临着巨大挑战，无论是形状记忆合金自修复还是微胶囊自修复，其成本都是较高的，不宜于大体积混凝土，因此，对自修复混凝土成本的控制需要是非常有必要的。在众多方法中，微生物方法被认为是未来几年最有希望商业化的方法，作为一种环保方法，微生物自愈技术的最大优势在于，它可以在难以接近的地方通过细菌代谢活动来修复裂缝，这大大降低了裂缝检测的成本和修复的难度，增加了混凝土结构的使用时间。在大多数情况下，细菌的存在甚至在开裂前对混凝土的抗压强度和密度也有积极影响。这也减少了钢筋的腐蚀，降低了维护成本。随着微生物自愈技术的不断发展，一些研究人员逐渐将细菌基混凝土应用于工程实践，马群、麒麟镇地铁站的应用经验为自愈混凝土的产业化提供了参考。该工程实践的支持项目是位于中国江苏省南京市的南京–裕容城际轨道交通项目。交通线路从马群站开始，到裕廊高铁站结束。全长43.70公里，其中地铁段16.26公里。马群站建设采用自愈混凝土混合粉末微生物修复剂，麒麟门站主要采用混合胶囊基复剂的混凝土。将微生物添加剂以一定的比例加入混凝土中，具有粉末基愈合剂的自修复混凝土和微生物自愈混凝土与胶囊基愈合剂的混凝土成本分别增加了约70元和80元人民币，通过在混凝土中嵌入传感器来观测裂缝的发展，检测结果显示，对于两种自愈混凝土，抗压强度高于普通混凝土，尤其是早期强度。工程实践表明，微生物法在实际工程环境中能够有效修复混凝土裂缝。但是，要将微生物自修复混凝土从实验室推向市场，还有很多工作要做。例如，如何降低微生物愈合剂的生产成本，提高裂缝的自愈效果，降低微生物自愈混凝土对水的依赖，建立相应的微生物自愈混凝土技术规范。而且，在愈合剂的开发过程中，粉末基和胶基愈合体系更适合当前商品混凝土的生产和销售，可以最大限度地减少生产设备和生产线的改造。此外，对于建筑来说，没有额外的负担。值得注意的是，推动微生物自愈混凝土商业化的最重要因素仍然是降低愈合剂的生产成本。
混凝土结构在海洋、建筑、交通和水利工程中广泛应用，但易遭受腐蚀、自然灾害和老化等因素的侵害。通过引入具有特定性能的材料，可实现混凝土结构的自修复，提高其抗腐蚀、耐候和抗冲击等能力。在海洋工程中，混凝土结构易遭受海水和氯盐的腐蚀，可采用吸水性和防腐性材料实现自修复。建筑工程中，混凝土结构易遭受气候变化、地震等自然灾害及材料老化的影响，可采用耐候性和弹性材料自我修复。交通工程中，混凝土结构易遭受重载车辆的冲击和道路盐霜的影响，可采用抗压和吸水性材料实现自修复。水利工程中，混凝土结构易遭受水体冲击，可采用防水性和弹性材料自我修复。通过引入合适的功能性材料，可显著提高混凝土结构在不同工程领域的抗损害能力，确保其长期稳定运行。这种自修复技术不仅能延长结构使用寿命，还能降低维护成本，具有重要工程应用价值。