眾所周知，混凝土是橋梁、隧道和道路等基礎設施中的主要組成部分。當這些結構部件需要維修時，通常會導致長時間的交通堵塞。在華盛頓特區(qū)的美國科學發(fā)展協(xié)會（AAAS）年會上，德國慕尼黑工業(yè)大學（TUM）的無損檢測教授Christian Grosse以及其他一些專家談到了用于可持續(xù)基礎設施的智能材料。
永久載荷效應或溫度變化會導致混凝土產(chǎn)生一些小的裂縫。正如Christian Grosse教授所解釋的那樣：“這些裂縫通常并不會對結構的穩(wěn)定性造成任何直接的威脅，但是他認為水和鹽會滲透到混凝土中，從而破壞受影響的部件"。
三種愈合機制
對基礎設施的維修成本是非常高昂的，同時維修也可能導致長時間的交通堵塞。在歐盟的研究項目HealCON中，有一個國際研究團隊正致力于新型混凝土的開發(fā)，這種混凝土能夠進行自我修復?？茖W家們當前正在研究三種不同的自我修復機制。
使細菌成為迷你建筑工
某些細菌會產(chǎn)生碳酸鈣以作為其代謝產(chǎn)物?？茖W家們使這些細菌孢子滲透至黏土球中，然后將這些黏土球混合至混凝土中。一旦水滲入到混凝土中，微生物就會開始變得活躍起來，同時釋放出碳酸鈣，而碳酸鈣則是混凝土的主要成分之一。 “細菌可以在大約幾天的時間內(nèi)修復幾毫米寬的裂縫，”Grosse說道。
使用水凝膠作為縫隙填料
水凝膠是一種吸收水分的聚合物，常用于尿布中。含有水凝膠的材料可以膨脹至其原始尺寸的10倍甚至100倍。混凝土中形成的裂紋可以通過與水分接觸后發(fā)生膨脹的水凝膠來進行修復，這樣就防止了水進一步滲透而導致裂縫擴大的可能。
環(huán)氧樹脂帶來的更大的強度
環(huán)氧樹脂或聚氨酯可以壓縮成膠囊混合到混凝土中。當混凝土產(chǎn)生裂縫時，膠囊會裂開然后釋放出聚合物。它會形成一個將裂縫封住的硬塊。而這同時會產(chǎn)生一個正面的副作用——增加了結構的穩(wěn)定性。
混凝土修復效果的無損檢測驗證
Grosse和他的同事利用無損檢測技術對這些愈合劑的性能進行了專門的測試。
例如，他們采用了聲發(fā)射技術，將壓力施加在包含其中一種愈合劑的混凝土塊上。當混凝土產(chǎn)生裂縫后會產(chǎn)生聲波，科學家通過傳感器來對聲波進行測量。根據(jù)測量數(shù)據(jù)不僅可以確定裂紋是否已經(jīng)形成，同時也可以精確地進行定位。
隨后在修復過程中，研究人員又進行了實驗。如果修復過程沒有成功，那么仍然會存在一些新的聲波，這表示裂縫仍然存在。如果裂縫已經(jīng)得到填充，仍然會有新的聲波出現(xiàn)，但這些聲波的位置與先前是不同的。
“裂紋的局部聲音可以清楚地表明修復措施是否管用，”Grosse說道。
使用超聲波測試結構部件
上面的聲發(fā)射驗證分析適合于在實驗室應用，但對于現(xiàn)實生活中大型混凝土部件的現(xiàn)場測試必須使用另一種不同的技術?！霸谶@種情況下，我們使用連續(xù)超聲波脈沖法來進行測試，”Grosse說道。
科學家測量傳播穿過整個混凝土的超聲波脈沖所需的時間。裂縫會妨礙信號的傳輸，從而造成整個傳播時間的延長。如果裂縫已經(jīng)得到修復，那么脈沖通過材料的時間將恢復正常。對于受損的材料來說，其脈沖信號的強度會明顯下降。
在實驗室條件下，上述的超聲波測試實驗獲得了令人滿意的結果。下一階段的研究主要涉及在實際建筑構件（橋梁或隧道部分）中自修復材料的使用。在這個階段后，修復技術則應當能夠使用于標準混凝土生產(chǎn)和施工方法中。
HealCON項目由歐盟資助，其作為歐盟針對研究及技術開發(fā)第七框架計劃的一部分（FP7/2007-2013），撥款協(xié)議編號為309451。另外該項目是與比利時根特大學（Ghent University）共同協(xié)作進行的。
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