自愈混凝土（5）
5.3.形状记忆合金的损伤控制
形状记忆合金(shape memory alloy ，SMA)是智能结构中的一种驱动元件，其特点是具有形状记忆效应和超弹性效应，可以实现长期、在线、实时监测，并进一步实现结构的自修复功能。普通的金属材料，当内部应力超过其弹性极限时，将产生塑性变形，由于塑性变形的不可逆性，卸载之后，材料的变形不可恢复，而形状记忆合金具有形状记忆效应.将形状记忆合金材料在高温下定形，冷却到低温，并施加变形，使它存在残余变形。如果对形状记忆合金进行加热，就可以使低温状态所存在的残余变形消失，形状记忆合金将恢复到高温下所固有的形状，随后再进行冷却或加热，形状将保持不变。上述过程可以周而复始，仿佛合金记住了高温状态所赋予的形状一样。形状记忆合金可恢复的应变量高达7%一8%，形状记忆合金具有双程记忆效应和全程记忆效应。图2表达了SMA受载变形、加热恢复初始形状的形状记忆效应的微观机理。
把经过预拉伸的SMA丝埋入混凝土构件的受拉区，当构件或结构在工作中出现了不允许的裂纹或裂纹宽度时，对处于裂纹处或裂纹附近的SMA丝通电加热激励，使其收缩变形，从而使裂纹闭合或限制裂纹的进一步发展，这样构件就成了具有自诊断、自修复功能的智能混凝土构件。
将形状记忆合金用于梁荷载裂纹自修复试验时，形状记忆合金被激励起来后，梁在合金回复力作用下产生反向弯矩，使其挠度不断减小。
SMA虽然具有众多优点，但因利用其形状记忆效应时需要加热，限制了它的工作范围，一般只能用于10 Hz以下的振动响应控制，且长期使用后，材料本身会产生蠕变，工作稳定性较差。此外，由于材料本身的电阻不大，采用电加热方式激励SMA时就需要较大的电流和较粗的导线。温度过高也会影响SMA的记忆性能。目前市场上每公斤NiTi SMA的价格在1 500元左右，是普通钢材价格的700倍，差距非常大。这些缺点限制了SMA材料在水泥基材料自修复中的应用。
SMA在混凝土结构损伤自诊断、裂纹自闭合、实现结构构件的紧急自修复应用方面具有很大优势，但是SMA电阻变化率敏感性和驱动性受SMA丝与混凝土的锚固、粘接和预张拉等因素的影响，目前尚在深入研究中[4]。
5.4.基于胶囊方式的自修复
微胶囊方式的自修复方法的基本原理是:①装有修复剂的微胶囊和固化剂均匀分散在基体材料中；②当基体材料产生裂纹时，裂纹尖端的微胶囊在集中应力的作用下破裂，修复剂流出，在毛细作用下渗入基体裂纹中；③渗入裂纹中的修复剂与分散在基体材料中的固化剂相遇，修复剂固化将裂纹修复，抑制裂纹继续扩展，达到恢复甚至提高材料强度的效果，完成对损伤进行自修复。
物理法制备微胶囊就是采用物理变化的方法来制备微胶囊。微胶囊的物理制备法主要有:喷雾干燥法、喷雾冷凝(冷却)法、空气悬浮法、挤压法、包合法等等。
2001年White等在《自然》杂志上报道将埋植技术、烯烃聚合和高分子体系等集为一体，将环戊二烯二聚体包裹在脉醛树脂制成的微胶囊，与催化剂一起分散在环氧树脂基体中。当材料产生裂纹时，由微胶囊破裂释放出环戊二烯二聚体，由于裂纹产生的毛细管虹吸作用，环戊二烯二聚体迅速渗入裂纹与催化剂产生交联聚合，从而达到用于聚合物基复合材料的自修复目的。这种方法的巧妙在于反应机理属于活性聚合，修复后聚合物端基仍有活性，重新注入单体可以继续聚合，因此只要适时添加单体即能对再产生的裂纹进行多次修复。这种由损伤激发的自修复模型为定点修复提供了可能，另外修复剂发生活性聚合反应，一部分修复剂发生反应并不影响其他修复剂的修复性能，从而被材料多次修复成为可能。
根据材料修复机理可知，用于自修复的微胶囊不仅要在存放过程中储存修复剂，而且当基体材料发生破坏时，还要能为修复过程提供一个驱动力。微胶囊必须拥有足够的强度，在聚合物加工过程中保持完整无损，且拥有足够的外力灵敏性，在聚合物发生破坏时能够迅速破裂.这样，就要求包覆修复剂的囊壁与基体有高豁结强度。同时，修复剂的豁度要小，具备良好的流动性，在环境温度和压力下可以长期储存，发生聚合时体积收缩率低。为了保证有足够长的存放寿命，囊的密封性要好，保证修复剂不能渗透和扩散到囊壁外。图4为用于复合材料自修复的微胶囊及其破裂后的显微照片。
微胶囊自修复方法具有如下优点:
①有利于单一树脂体系的修复；②在树脂体系的自修复中具有较好的强度恢复；③水泥基体内部存在大量微小空隙，这些微空隙为微胶囊提供了天然存储场所，微胶囊易于均匀分散于材料中不会明显影响材料的性能。
微胶囊自修复方法的缺点表现在:
①要求微胶囊破裂以释放修复剂；②树脂胶囊必须紧密接触催化剂；③胶囊的掺入影响基体中纤维的选择；④催化剂和微胶囊的分散要与破坏区域相匹配；⑤树脂储存量有限；⑥修复树脂消耗后产生内部孔隙；⑦树脂必须与微胶囊壁材相匹配；⑧在复合材料自修复技术上存在应用难题。
胶囊化的化学结晶型自修复混凝土，将作为修复剂的无机盐(一种或两种以上的复盐)真空浸渗到球形多孔骨料中(如陶粒、珍珠岩等)，通过浸渗次数控制多孔骨料中的修复剂含量，然后将骨料表面用沥青或树脂密封，最后在骨料表面豁附致密的低水灰比水泥浆或矿物掺和料(硅灰、矿粉和粉煤灰等)，表面豁附的水泥或掺和料在混凝土基体中持续水化，改善了骨料与混凝土的界面结合情况。将载有修复剂的骨料按普通方法制备成轻质自修复混凝土，载有无机修复剂的多孔骨料均匀分散于混凝土中。
将硬化成熟的自修复混凝土施加一定程度的外荷载至混凝土基体内部开裂损伤处，混凝土的变形导致多孔骨料破裂，骨料内的无机修复剂溶于混凝土基体的水溶液中并扩散至裂纹处，无机盐与裂纹处水泥粒子及水泥水化产物反应生成钙矾石晶族，由于钙矾石为水泥水化产物中的一种，故与水泥基体可进行很好的化学结合，而且无机盐反应生成钙矾石，体积膨胀数倍，有利于封堵裂纹，如图，无机盐修复剂可明显促进水泥水化进程。
目前，胶囊化的化学结晶自修复混凝土研究刚刚起步，相关研究成果很少，一些关键技术尚待解决，如修复剂含量与裂纹参数的匹配，若修复剂过少，则反应产物不能很好地封堵裂纹；若修复剂含量过高，则生成的钙矾石晶体在裂纹处过度膨胀会给混凝土基体带来新的损伤。
