复合无机微胶囊对混凝土自愈合性能的影响研究进展

作者及机构
本综述由佛山大学土木与交通学院的向俊宸（通讯作者）、杨迪，以及东北大学资源与土木工程学院的刘庆博、郭永昌合作完成，发表于《材料导报》（*Materials Reports*）2026年第40卷第22期，网络首发日期为2026年1月7日。

研究背景与目标
混凝土裂缝是工程结构耐久性下降的主要原因之一，传统修复方法（如灌浆、喷涂）效率低且难以应对隐蔽裂缝。自愈合技术通过材料自主修复裂缝成为研究热点，其中复合无机微胶囊（composite inorganic capsules）因环境友好、长服役周期及高效愈合性能脱颖而出。本文系统梳理了该类微胶囊的设计原理、制备工艺、自愈合机制及工程应用潜力，旨在为混凝土智能修复提供理论支撑与技术参考。

主要观点与论据

1. 复合无机微胶囊的设计原理

微胶囊需满足三个核心条件：
- 预埋保护性：囊壁需在混凝土搅拌中保持完整，常用环氧树脂、硫铝酸盐水泥等材料，其韧性与脆性需平衡。
- 断裂同步性：囊壁需与混凝土基体同步开裂，以触发囊芯释放。例如，Wu等通过硫铝酸盐水泥囊壁实现648 μm裂缝修复。
- 自释放功能：囊芯含膨胀剂（如氧化镁、磷石膏），吸水后推动愈合剂进入裂缝。有机膨胀剂SAP（超吸水树脂）虽不参与反应，但能提供水分缓释。

支持数据：
- 表2列举了多种微胶囊设计，如Li等以生石灰/偏高岭土为囊芯，环氧树脂包覆，修复宽度达200 μm。
- 膨胀剂类型影响愈合效率：无机膨胀剂（如氧化镁）生成胶凝产物，而SAP仅物理封堵（表4）。

2. 制备工艺与性能优化

微胶囊制备主要采用圆盘造粒法（disc granulation）和成核剂法（nucleating agent method）：
- 圆盘造粒法：通过机械搅拌和喷水成粒，效率高但粒径不均，适合规模化生产。
- 成核剂法：以天然砂为核，逐层包覆活性材料，粒径均匀但工艺复杂。

性能对比：
- 圆盘造粒法制备的胶囊可能因包覆不均导致提前破裂，而成核剂法的胶囊释放更可控（图3）。
- 囊芯原料选择多源固废（如赤泥、电石渣），既降低成本又提升环保性（表1显示其毒性浸出值低于国家标准）。

3. 自愈合性能与机理

复合无机微胶囊的愈合效果通过三方面评估：
- 裂缝几何修复：镁基胶囊对宽度＜400 μm的裂缝修复率达70%（图4），碱激发体系则通过C−S−H和AFT（钙矾石）填充裂缝（图5）。
- 力学性能恢复：碱激发囊芯（如矿渣体系）可使抗弯强度恢复率达81.3%，远超生物法的32%（Su等，2021）。
- 抗渗性恢复：氧化镁胶囊在裂缝宽度＜100 μm时，渗透系数恢复率高达84%（Li等，2023）。

愈合机理：
- 镁基体系：氧化镁水化生成水镁石和碳酸镁盐，体积膨胀填充裂缝（图4）。
- 碱激发体系：活性离子（Ca²⁺、Al³⁺）聚合生成C−S−H和AFT，形成“拱桥效应”（图5）。

4. 极端环境适应性

微胶囊在硫酸盐和海洋环境中表现出差异化响应：
- 硫酸盐环境：SO₄²⁻促进AFT生成，增强裂缝封堵（图6a）。
- 海洋环境：Cl⁻和SO₄²⁻协同触发Friedel盐（弗里德尔盐）沉淀，兼具裂缝修复与氯离子固定功能（图6b）。

案例支持：
- Li等（2024）发现，海洋环境中微胶囊生成的片层状水滑石可阻断腐蚀离子迁移路径。

5. 工程应用潜力与挑战

优势：
- 适用于地铁、隧道等隐蔽工程，预埋寿命长且环境适应性优于生物材料。
- 赤泥、磷石膏等固废利用符合低碳目标。

局限：
- 微胶囊掺量可能降低混凝土初始强度5%~15%，需优化囊壁强度（如Xiang等通过环氧树脂-细砂复合囊壁减少强度损失）。
- 无机膨胀剂的膨胀效率与经济性需进一步平衡。

研究价值与亮点

1. 系统性综述：首次整合复合无机微胶囊从设计到应用的完整链条，明确囊芯-囊壁协同机制。
   
2. 创新发现：揭示镁基与碱激发体系的差异化愈合路径，提出“膨胀-胶凝”双效修复模型。
   
3. 工程导向：提出基于服役环境（如海洋、地下）的微胶囊定制化设计策略。
   

本文为混凝土自愈合技术的工业化应用提供了重要参考，未来研究方向包括智能响应型胶囊开发及全生命周期碳排放评估。