当建筑裂缝像“毛细血管破裂”逐渐蔓延，传统混凝土只能依赖人工修复，而我国科研团队最新研究显示，通过粉煤灰、矿渣等补充胶凝材料（SCMs），自修复混凝土可实现裂缝“自主愈合”，28天水吸收降低68%，抗压强度恢复70%，碳排放减少30%，为绿色基建提供可持续方案。香港理工大学、石家庄铁道大学团队在《Frontiers of Structural and Civil Engineering》发表的综述指出，这种“工业废料变修复剂”的技术，不仅提升混凝土自愈能力，还能降低水泥用量，推动建筑行业低碳转型。

传统混凝土“吃水泥”不环保，SCMs变“绿色医生”

混凝土是全球用量最大的建筑材料，但其生产伴随高碳排放——每生产1吨水泥排放0.8吨CO₂，占全球工业排放的8%。而补充胶凝材料（SCMs）如粉煤灰、硅灰、矿渣，多为工业废料，替代30%-50%水泥后，不仅减少碳排放，其活性成分还能像“微型修复剂”，遇水后持续水化生成钙硅石凝胶（C-S-H），填充裂缝。

“传统混凝土像‘一次性餐具’，而SCMs改性混凝土是‘可降解材料’。”研究团队解释，SCMs中的活性SiO₂、Al₂O₃与水泥水化产物氢氧化钙反应，生成更多凝胶，堵塞裂缝通道。实验显示，掺入30%矿渣的混凝土，28天裂缝闭合率达52%，比纯水泥混凝土提升40%，且水渗透深度降低61%，抗氯离子侵蚀能力增强50%。

双掺SCMs“协同增效”，自愈能力提升2倍

团队通过“材料混搭”策略，让SCMs发挥“1+1>2”效果：

• 粉煤灰+矿渣“黄金搭档”：粉煤灰颗粒填充孔隙，矿渣提供高活性铝酸盐，双掺后混凝土密实度提升2.8倍，像“给混凝土骨架填缝+加固”。数据显示，这种组合使混凝土抗渗性提升68%，适合地下隧道、水池等防水工程；
• 硅灰“纳米级修复师”：硅灰粒径仅0.1微米，比水泥细100倍，可深入50微米以下微裂缝，水化生成的凝胶强度达40 MPa，相当于普通混凝土强度的1.3倍，让裂缝自愈更彻底；
• 碳化反应“二次愈合”：SCMs降低混凝土碱度，加速二氧化碳碳化，生成碳酸钙晶体，像“裂缝处自动结痂”，在潮湿环境中，碳化深度可达2毫米，进一步密封裂缝。

X射线CT“透视”自愈过程，工业废料利用率提升80%

研究采用X射线 computed tomography（XCT）和扫描电镜（SEM），首次“透视”混凝土内部自愈细节：

• 微观结构优化：掺入SCMs后，混凝土孔隙率从18%降至8%，孔径小于50纳米的无害孔占比提升50%，像“海绵变致密岩石”；
• 裂缝填充机制：28天后，100微米裂缝被C-S-H凝胶和碳酸钙完全填充，界面过渡区（ITZ）厚度从40微米减至20微米，强度提升35%；
• 工业废料大变身：每吨SCMs替代水泥可减少0.8吨CO₂排放，按全球每年10亿吨水泥用量计算，推广后年减排8亿吨，相当于停驶2亿辆汽车。

极端环境显身手，海洋工程寿命延长20年

在模拟海洋高盐雾环境测试中，SCMs改性混凝土表现亮眼：

• 抗腐蚀能力：氯离子渗透系数降低60%，钢筋锈蚀速率减慢4倍，适合码头、跨海大桥；
• 冻融循环抗性：在-20℃至20℃循环500次后，强度损失仅15%，是普通混凝土的1/3，适合东北、西北寒冷地区；
• 成本效益：SCMs成本仅为水泥的1/5，每吨混凝土成本降低15元，全生命周期维护费用减少40%。

未来：智能调控SCMs配比，实现“按需自愈”

尽管优势显著，SCMs仍面临“早期强度低”难题——3天强度比纯水泥混凝土低20%。团队提出解决方案：通过机器学习优化SCMs配比，结合纳米碳酸钙“早强剂”，7天强度恢复至设计值的90%。未来还可开发“梯度SCMs混凝土”，表层高硅灰抗渗，内部高矿渣增韧，实现“按需自愈”。

论文通讯作者指出：“补充胶凝材料不仅是混凝土的‘自愈剂’，更是建筑行业的‘减碳利器’。”随着双碳目标推进，这种“变废为宝”的技术有望让基础设施寿命延长20年，推动绿色基建迈上新台阶。

来源: FrontCIVlL