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学术前沿|深圳大学董必钦教授团队:3D原生通道壁实现愈合剂快递传输与混凝土强度恢复

2026-09-07 09:54:08

文章信息

混凝土在服役过程中因环境侵蚀和荷载作用极易产生内部裂缝，这些裂缝成为氯离子、硫酸盐和水分等有害介质侵入的通道，加速结构劣化。传统的裂缝修复方法依赖人工检测与处理，不仅劳动密集且往往因裂缝不可达而延误。自愈合混凝土的发展为实现微裂纹的自主、及时、高效管理提供了新思路。

在各类自愈合策略中，自愈合系统因具备长距离愈合剂输送和多次愈合循环的潜力而备受关注。然而，现有预埋管道系统面临一个核心难题：管壁与水泥基体之间的界面亲和力弱，导致裂缝发生时管道不能与基体同步断裂，愈合剂无法及时释放，严重制约了自愈合效率。尽管嵌入式3D打印技术已在水泥浆体中成功构建了“无壁”通道，但这些暴露的连续通道需要有效的密封方案，且其对结构力学性能和愈合效果的影响亟待深入研究和控制。

本研究针对上述挑战，深圳大学董必钦教授团队通过在嵌入式3D打印空心通道中循环注入可固化密封剂，在水泥基体中原位生成具有强界面结合力的通道壁。该通道壁不仅实现有效密封，还能与基体同步断裂，确保愈合剂在裂缝发生时及时释放。研究系统评价了通道壁的密封性能及其对基体力学性能的影响，为自愈合混凝土中网络的设计提供了新思路和全面的性能提升策略。相关成果发表于《Construction and Building Materials》。

[题目]

In-situ generated channel walls in 3D vascular networks for reliable agent transport and prompt strength restoration in concrete

3D原生通道壁实现愈合剂快递传输与混凝土强度恢复

[期刊]

《Construction and Building Materials》——2026

[关键词]

混凝土；3D打印；通道；密封剂；重复愈合；抗弯强度

摘要

采用预埋管道制备的自愈合水泥基材料已显示出有效的裂缝愈合能力，但管道壁材料与基体之间弱的界面亲和力常延缓管道断裂并限制愈合效率。本研究引入了一种嵌入式3D打印方法，可生成无壁通道，随后通过可控输送可固化密封剂实现通道壁的原位形成。该方法确保了通道壁与基体之间的牢固结合，使同步断裂和可靠的愈合激活成为可能。该系统满足了自愈合系统的关键要求，包括愈合剂隔离、高效激活以及三维传输网络的自由成型构建。本研究系统评估了所生成通道壁的密封性能及其对基体力学性能的影响，研究结果为自愈合混凝土中网络的设计提供了新见解，并为增强水泥基材料的耐久性和功能性提供了全面的策略。

研究内容

本研究旨在回答以下核心科学问题：

如何通过密封剂的原位固化，在无壁通道中生成厚度均匀、界面结合良好的通道壁？
密封剂粘度、输送压力和流动时间等参数如何影响通道壁的形态、厚度和密封性能？
原位生成的通道壁与水泥基体之间的界面结合强度如何？二者在荷载作用下能否实现同步断裂？
通道壁对水泥基体抗弯强度有何影响？——是削弱还是增强？
该系统能否实现多次愈合循环，且每次愈合后强度恢复效果如何？

为此，研究采用嵌入式3D打印技术在水泥净浆中构建直径约1 mm的空心通道，通过气动加压装置将环氧树脂基密封剂循环注入通道。系统考察了密封剂粘度（两种混合时间对应的不同粘度）、输送压力（0.1 MPa和0.2 MPa）和流动时间（10、15、20 min）对通道壁形成质量的影响。通过光学显微镜、SEM-EDS、XCT等手段表征通道壁的形貌、厚度和界面渗透特征，通过密封性能测试评价通道壁对水和有机溶液的阻隔效果，通过三点弯曲试验评估通道壁对抗弯强度的影响及多次愈合后的强度恢复能力。

研究方法

牺牲墨水的制备与嵌入式3D打印：采用油-水两相乳液作为牺牲墨水——水相为氧化石墨烯分散液，油相为棕榈酸甲酯和DDAB氯仿溶液。在均质化过程中，GO与带正电的DDAB在油/水界面组装，形成具有高储能模量和剪切变稀特性的乳液凝胶墨水。将墨水通过3D打印机直接写入新鲜水泥浆体中，水泥浆体在硬化过程中为墨水提供支撑，同时墨水中的MPA（>99%）在水泥水化过程中被吸收，最终在硬化水泥中留下孤立的网络。
密封剂配方与粘度调控：密封剂采用环氧树脂E51与复合固化剂（D230∶NX-2003=3∶1）按10∶4质量比配制，添加10%的BGE作为粘度调节剂。该配方在前期研究中已证实具有优异的固化后力学性能。粘度测试显示，混合0.5 h和2 h的密封剂粘度分别为4.656×10⁵ cP和1.082×10⁶ cP，分别作为低粘度和高粘度的代表性基准。50 ℃加热处理可加速低粘度密封剂的固化，改善壁体成型质量。

原位通道壁构筑：采用气动加压输送系统，通过调压阀控制输送压力（0.1 MPa或0.2 MPa），将密封剂以设定的流动时间（10、15或20分钟）循环通过空心通道。密封剂在通道内壁附着并渗透入新鲜水泥基体的表层孔隙，固化后形成厚度100~200 μm的通道壁。多余密封剂通过压缩空气吹扫清除。
表征方法：光学显微镜观察通道壁完整性和均匀性；SEM-EDS通过碳元素线扫描追踪密封剂在基体中的渗透深度；XCT三维重构验证壁体连续性和厚度分布；十字划格法（百格法）评价环氧膜与水泥基体的粘附等级；蠕动泵循环试验测定不同液体（水、环氧树脂、有机固化剂混合物）在通道中循环4 h的质量损失率，评价密封性能；三点弯曲试验（加载速率50 N/s）测定抗弯强度，并通过愈合剂再注入-再加载循环评价多次愈合能力。

研究结论

最优工艺参数的确定：密封剂粘度、输送压力和流动时间三者的交互作用决定了通道壁的形成质量。压力升至0.2 MPa时壁厚反而减小——高流速缩短了密封剂与基体的接触时间，同时更强的冲刷效应阻碍了初始附着层的稳定形成。最优条件确定为V2-P0.1-T15（高粘度、0.1 MPa、15 min）。
界面渗透与强结合：SEM-EDS碳元素线扫描显示，密封剂从通道壁向基体呈现逐渐衰减的渗透轮廓（扩散型剖面），在0.1 MPa和15 min条件下渗透深度约100~300 μm。BSE成像显示壁-基体界面过渡区结合致密。百格法粘附测试评定为1级（切割边缘光滑，无方格脱落），证明环氧密封剂与水泥基体之间具有优异的粘附性能。该强界面结合是实现通道壁与基体同步断裂的关键前提。

密封性能：最优组（V2-P0.1-T15）对水溶液的质量损失率较无壁对照组（V0）显著降低，证明环氧基密封剂有效阻止了循环流体与水泥基体的直接接触。有机溶液的损失率略高于水，因其较高粘度和粘附特性导致少量残留和蒸发损失。
抗弯强度提升：含原位生成通道壁的试件（V0.5和V2组）较无壁对照组（V0）抗弯强度显著提高，其中V2组增强效果最为显著。力学增强机制源于两方面：高刚度环氧壁体本身的增强作用，以及密封剂渗透区（100~300 μm）对应力传递路径的优化。原位生成的通道壁在荷载作用下与基体同步断裂（裂缝平齐、断面连续），而传统预埋管道（PE、PP、玻璃纤维管等）在基体开裂后仍保持完整，证明原位生成方法有效克服了界面弱结合的瓶颈。
多次愈合能力：经首次愈合后所有试件抗弯强度均显著恢复（环氧愈合剂的力学增强效应）。在多次愈合循环中，后续裂缝倾向于出现在已愈合区域附近的新位置而非原始断裂面——愈合剂不仅封闭了初始裂缝，还强化了周边基体，改变了局部应力场。虽然后续循环中抗弯强度逐次下降，但含原位通道壁的试件始终优于无壁组，得益于密封剂（与愈合剂成分相同）的预渗透区域为后续愈合剂提供了化学和力学相容的基底。

来源：土木工程结构与材料

编辑：邓稚川

审核：王春蓉

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