微裂纹自修复水泥基材料

20251128

建筑业

本项目围绕硫铝酸盐水泥（SAC）微胶囊自修复体系开展研究，已在技术研发、材料制备与性能验证方面积累了较为扎实的工作基础，为后续的科技成果转化提供了初步的、可行的条件。 一、 技术研发与工艺准备基础 项目在核心技术上取得了阶段性进展，为后续应用开发奠定了基石。首先，在微胶囊制备工艺上，项目采用的熔融冷却法经过多次优化，工艺路线逐渐清晰稳定。通过系统调整芯材比例、冷却速率等关键参数，能够可重复地制备出具有明确核壳结构的SAC微胶囊。所得微胶囊在平均直径（约996.8μm）、壳层厚度（约60.7μm）、芯材含量（约57.4wt%）及单颗抗压强度（约7.4N）等关键物理指标上表现出良好的一致性，表明该制备方法具备一定的可控性和稳定性，为放大试验提供了初步的工艺依据。 其次，在核心性能突破上，项目重点关注并有效改善了微胶囊的触发效率这一应用瓶颈。通过系列实验，系统探讨了表面改性、基体强度等因素对触发效率的影响，并将该效率从初期较低水平提升至约80.9%。这一结果表明，该体系在模拟条件下具备在裂纹处有效释放修复剂的能力，为解决固体自修复剂的应用难题提供了可行的技术路径。 二、 材料适配性与环境耐受性基础 成果的转化应用依赖于其对真实环境的适应能力。本项目在此方面进行了前瞻性的探索。在材料兼容性方面，选用的硫铝酸盐水泥（SAC）作为修复剂，其水化产物与普通波特兰水泥基体高度兼容，可实现“同质”修复，避免了异质材料可能带来的长期相容性问题，有利于保障修复效果的持久性。 在环境耐久性方面，初步的加速试验结果表明，该微胶囊体系在碳化、硫酸盐侵蚀、冻融循环等多种恶劣环境条件下，均能保持较好的结构稳定性和功能有效性，触发效率维持在较高水平（例如，冻融循环后仍可达79.2%）。这些数据为评估其在特定应用场景（如北方冻融地区、滨海环境）下的潜在适用性提供了初步的实验参考。当然，其在干湿循环条件下性能有所波动的现象也提示，材料的长期耐久性仍需在更接近实际服役条件的模型中进一步验证。 三、 产业化前景与成本控制基础 从产业化角度看，本项目成果展现出一些潜在优势。原材料方面，核心修复剂硫铝酸盐水泥是市售常见产品，来源广泛，成本相对较低，囊壁材料也属常规品类，这为未来可能的大规模生产提供了成本可控的先决条件。应用方式上，该微胶囊的设计为在混凝土拌合阶段直接掺入，无需改变现有主流混凝土的生产与施工工艺，这种简便的“添加剂”模式易于被产业界理解和接受，降低了技术推广的初期门槛。 综上所述，本项目已在SAC微胶囊自修复体系的实验室研发阶段取得了有价值的进展，特别是在制备工艺稳定性、触发效率提升和环境适应性验证方面，为后续的转化探索奠定了一定的技术基础。所选材料成本低廉、应用方式便捷，也为其潜在的产业化带来积极因素。 然而，也必须认识到，当前的成果距离真正的商业化应用尚有距离。下一步的工作重点应集中于工艺放大试验，以验证实验室工艺在更大规模下的可行性与经济性；同时，需要开展更系统的长期性能评估与典型工程场景示范，全面考察其在实际复杂环境下的可靠性与经济效益。通过这些扎实的工作，有望逐步推动该技术向实用化、产业化方向迈进。

1. 资金投入需求 为完成中试放大和产品定型，预计需要投入资金用于：① 建设中试试验线；② 采购专用设备；③ 进行大规模、长周期的混凝土性能验证试验；④ 满足相关行业标准或规范的检测认证费用。希望合作方具备相应的资金实力，能够共同承担后续开发费用，并支持初步的市场推广活动。
2. 场地与设备需求 需要合作方提供符合要求的中试场地（约300-500平方米），场地需满足基本的工业生产条件（水电、承重、通风等）。关键设备包括微胶囊的小型化扩大生产设备（如定制化的反应、乳化、冷却装置）以及用于评估自修复混凝土性能的专用测试平台（如可实现长期荷载与环境耦合作用的耐久性测试系统）。
3. 人员与技术对接需求 希望合作方配备有材料或化工背景的技术团队，能够与我们的研发人员紧密协作，共同解决工艺放大过程中可能出现的技术问题。同时，需要合作方提供熟悉混凝土制品生产、质量控制与应用规范的工程人员，确保开发的产品能有效对接现有混凝土生产体系和应用标准。
4. 合作模式展望 我们期待采取技术合作开发或技术入股等模式进行合作。我方以成熟的实验室技术、完整的制备工艺和性能数据作为投入，希望与具备产业化经验、市场资源和长远眼光的企业携手，将这一具备潜力的创新技术转化为有市场竞争力的绿色建材产品，共同拓展在重大基础设施维修维护领域的广阔市场。

仅限国内转让

一、 经济效益

1. 创造直接市场收益： 该技术成果可转化为具有自主知识产权的核心产品——高性能混凝土自修复剂（微胶囊添加剂）。随着在重大基础设施、民用建筑以及特种工程（如海洋平台、核电站）中的推广应用，将形成从微胶囊材料销售到提供定制化混凝土配方、特种工程修复服务的产业链，直接创造可观的市场产值和利润。
2. 降低全生命周期成本： 该技术的核心价值在于实现对混凝土微裂纹的“主动预防”和“自动修复”。对于业主和运营单位而言，这意味着能够大幅减少结构在使用周期内因开裂导致的频繁检测、维护和昂贵的大修费用。通过显著延长结构服役寿命，从根本上降低了基础设施的全生命周期维护成本，经济效益长远且巨大。
3. 带动产业升级： 该技术的产业化将推动传统混凝土材料向智能化、高附加值方向升级，带动上游新材料制造和下游建筑施工业的技术革新，为合作企业开辟新的市场增长点，提升其在绿色建材领域的核心竞争力。 二、 社会效益
4. 提升基础设施安全性与耐久性： 该技术能够从根本上提升混凝土结构的耐久性，有效抑制微裂纹扩展，防止因钢筋锈蚀等引发的结构性破坏风险。这对于保障桥梁、隧道、水利枢纽、核电站等重大生命线工程的长久安全运行具有至关重要的战略意义，能有效防范重大安全事故，保障人民生命财产安全。
5. 助力重大工程与应急抢险： 该技术提供的快速自修复能力（24小时内密封裂缝），在应对地震、爆炸等灾害后的工程应急抢险中具有独特价值。能够第一时间恢复关键结构的防水性和整体性，为抢险救灾赢得宝贵时间，最大限度地减少次生灾害损失，社会效益和战略价值突出。
6. 促进绿色低碳与可持续发展： 通过延长建筑物使用寿命，可有效减少因结构过早拆除重建而产生的建筑垃圾和资源消耗，降低水泥生产带来的碳排放，符合国家“双碳”战略目标。该技术是发展“长寿命混凝土”的关键路径之一，对推动建筑行业绿色、可持续发展具有积极贡献。 综上所述，本技术的成功转化不仅将带来直接的经济回报，更将在保障公共安全、支持国家重大战略实施及推动绿色发展方面产生深远的社会效益，应用前景广阔。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目开发并系统研究了一种基于硫铝酸盐水泥（SAC）颗粒微胶囊的高效自修复体系，致力于攻克自修复水泥基材料中固体修复剂触发效率低下的核心难题。项目成果不仅在于制备了具有快速、高效修复能力的微胶囊，更在于深入揭示了其触发与修复机理，为该技术的实际工程应用提供了坚实的理论依据与数据支撑。 主要内容与重要结果 项目研究内容聚焦于SAC微胶囊的制备、触发效率的优化、机理研究及其在水泥基体中的修复效能评估。 1.微胶囊的成功制备与性能表征：项目采用熔融冷却法成功合成了具有明晰核壳结构的SAC微胶囊。所制备的微胶囊具备优异的物理性能：平均直径为996.8±28.7??m，壳层厚度为60.7±28.4μm，芯材含量达到57.4 wt%，单颗微胶囊的抗压强度为7.4N，这为其在水泥砂浆拌合与浇筑过程中保持结构完整性奠定了基础。 2. 触发效率的重大突破与核心数据：项目核心成果在于系统研究并极大提升了固体微胶囊的触发效率。 通过系统优化表面改性、基体强度、水化时间和微胶囊壳强度等关键参数，将微胶囊的触发效率从最初的23.2±2.5%显著提升至80.9±5.2%，解决了固体修复剂难以高效释放的共性技术瓶颈。 环境耐久性测试表明，该微胶囊在碳化、硫酸盐侵蚀和冻融循环等恶劣环境下均能保持稳定的触发效率，影响可忽略不计。但在干湿循环（28天）条件下，效率会有所下降至61.1±3.1%，为后续改进指明了方向。 3. 卓越的自修复效能：对掺入SAC微胶囊的砂浆进行修复评估，结果显示： 裂缝密封能力：宽度小于200μm的微裂纹能够在24小时内被有效密封，展现了快速响应的能力。 修复产物与性能恢复：裂纹处的修复产物主要为方解石、钙矾石（AFt）和C-S-H凝胶，这些是水泥水化的经典强度相和膨胀相。得益于这些致密且高强度的愈合产物，试件的抗渗性和机械强度得到了显著恢复，证实了其高效修复的潜力。