复合掺入CCCW与微胶囊的混凝土自修复性能及其环境适应性研究

《Buildings》：Self-Healing Performance of Concrete with Combined Incorporation of CCCW and Microcapsules

　　

裂缝引起的耐久性退化仍然是混凝土结构面临的关键挑战。水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）能够实现水分驱动的结晶作用，而海藻酸盐/环氧树脂微胶囊则提供应力诱导的粘接。然而，尚不清楚将这两种材料复合在不同湿度条件下是产生互补修复效应还是仅产生叠加效应。本研究探讨了掺入CCCW和海藻酸盐/环氧树脂微胶囊的混凝土的自修复性能。结果表明，微胶囊的修复性能对水分依赖性较小，表现出稳定的修复性能，而CCCW在潮湿环境中表现良好，但在干燥条件下受到抑制。在固定总掺量为3%时，含有2%微胶囊和1%CCCW的最优复合体系在所有三种养护条件下均获得比任何单掺组更高的恢复率。这一改善与微胶囊和CCCW之间潜在的互补贡献一致，但所观察沉积物的详细化学性质和时间演化仍需进一步研究。该研究为多组分自修复混凝土在复杂服役环境中的设计和应用提供了参考。

论文解读：复合掺入CCCW与微胶囊的混凝土自修复性能

混凝土结构在服役过程中因机械荷载和收缩易产生裂缝，裂缝诱发耐久性退化，成为影响结构长期安全的关键挑战。自修复混凝土技术无需人工干预即可实现裂缝自主修复，其中基于内置功能材料的自主愈合因可靠性和可重复性更优而受到青睐。水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）通过水激活活性组分，在裂缝和孔隙中形成不溶性结晶产物，从而改善密实度和耐久性；但该过程强烈依赖水分，在干燥或间歇湿润环境中修复能力受限。海藻酸盐/环氧树脂微胶囊则通过扩展裂缝触发破裂，释放修复剂粘接裂缝界面，其性能对水分依赖性较低。然而，两种激活机制和湿度响应特征截然不同的修复材料复合后，究竟产生互补效应还是仅叠加效应，尚缺乏系统研究。为此，研究人员在不同养护条件下系统考察了CCCW与微胶囊单掺及复掺对混凝土自修复性能的影响，以明确复合体系的环境适应性和互补修复机制。

研究人员制备了设计强度为30 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土，采用Red Lion P·O 42.5水泥、天然河砂和5–20 mm天然碎石；微胶囊（北京金隅集团）以海藻酸钠为壳、环氧树脂E-51为芯，CCCW（Guardex新材科技）含Ca(OH)₂、CaCO₃、MgO、SiO₂等组分。通过等质量替代水泥方式设置单掺组（1%、2%、3%）和复掺组（总掺量固定3%，微胶囊/CCCW质量比分别为1%/2%、1.5%/1.5%、2%/1%），并设无修复材料对照组。试件包括100 mm立方体、100 mm×100 mm×400 mm棱柱体和Φ100 mm×50 mm圆柱体；所有试件施加80%极限荷载作为预损伤，随后分别在空气、干燥、水浸三种条件下养护。采用单轴压缩试验测定7 d和28 d压缩强度恢复率，三点弯曲试验测定断裂韧性恢复率，恒定水头渗透试验测定渗透系数恢复率，并结合扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌。

3.1 混合修复材料的混凝土恢复
通过空气养护下的压缩强度测试发现，所有组别的恢复率随龄期增长。7 d时，微胶囊单掺组恢复率高于对照组，而CCCW单掺组因水分不足改善有限，复掺组介于两者之间。28 d时，复掺组（总掺量3%）获得比微胶囊单掺组和CCCW单掺组更高的恢复率，表明复合体系在空气环境中具有更优的强度修复效果。

3.2 混合修复材料的断裂恢复
断裂韧性试验显示，单掺微胶囊组的断裂韧性随掺量增加先降后稳，3%掺量时较对照组下降6.25%；单掺CCCW组因细粉填充与团聚效应呈波动变化。预损伤后经28 d空气养护，单掺组断裂韧性恢复率均在2%掺量时达到峰值（微胶囊组92.49%，CCCW组84.21%）。复掺组中，含2.0%微胶囊和1.0%CCCW的H3组恢复率达91.62%，超过相同总掺量下所有单掺组，说明适量复配可缓解高掺量单材料引起的初始缺陷。

3.3 养护环境对裂缝自修复过程的影响
通过对比空气、干燥和水浸三种养护条件下的强度恢复，发现微胶囊单掺组修复性能受水分影响小，在干燥条件下仍保持稳定；CCCW单掺组在干燥条件下修复能力显著受限，而在水浸条件下因结晶反应充分激活，其28 d恢复率超过微胶囊单掺组。复掺组在所有三种条件下均呈现最高的恢复率，表现出良好的环境适应性，源于两种机制在不同湿度下互补发挥。

3.4 自修复行为与互补机制
渗透性试验表明，对照组45 d自修复能力仅18.65%，3%微胶囊单掺组为27.65%，3%CCCW单掺组为31.35%，而含2%微胶囊和1%CCCW的H3组达到51.89%。SEM观察显示，裂缝扩展至微胶囊附近时发生界面分离和开裂，微胶囊释放修复剂提供初期局部填充；同时CCCW在水参与下持续生成板状、块状及交织状沉积物，逐步填充裂缝孔隙，两者在空间上形成互补，促进愈合层连续化。

4 微观结构分析
SEM图像显示微胶囊在混凝土基体中保持完整球形，界面结合良好，内部具有三维多孔网络结构，为修复剂储存和释放提供空间。CCCW影响区域可见大量结晶沉积物填充孔隙，裂缝愈合区出现连续致密填充结构。这些微观特征与宏观性能恢复结果一致，支持微胶囊和CCCW在裂缝修复中发挥互补作用的观点，但SEM仅提供形貌证据，沉积物的物相和形成时序尚需进一步研究。

讨论部分指出，复合体系的改善并非单纯剂量优化，而是源于微胶囊的快速初始响应与CCCW的持续沉淀作用在时间和空间上的协同。然而，两种修复剂各自的贡献占比、沉积物的化学组成以及裂缝愈合的动态过程尚未直接鉴定，机制解释仍属合理推断。未来研究需扩展至不同强度等级、裂缝宽度以及长期循环损伤-愈合工况，并考察抗氯离子、抗碳化、抗冻融等耐久性指标。

研究结论如下：（1）空气养护下，3%总掺量的复掺组压缩强度恢复率高于任一单掺组，且28 d优势更明显。（2）单掺体系断裂韧性恢复率随掺量先增后减，最优掺量为2%；微胶囊与CCCW质量比2:1（总掺量3%）时，复掺组断裂韧性恢复率达91.62%，超过相同总掺量单掺组。（3）CCCW单掺组在水浸条件下修复性能更佳，微胶囊单掺组对水分不敏感，而复掺组在三种养护条件下均表现最优，环境适应性强。（4）微胶囊与CCCW复合可显著提升0.3 mm裂缝混凝土的自修复能力，最佳配比为2%微胶囊+1%CCCW，但具体时间贡献和沉积物相组成有待进一步研究。