自愈合混凝土

1、關(guān)于自愈合混凝土第一頁，共23頁幻燈片概要 自愈合混凝土的發(fā)展 混凝土的自愈合性能 自愈合混凝土v 內(nèi)置液芯膠囊法v 多孔纖維網(wǎng)修復法 v 形狀記憶合金v 內(nèi)摻有機化合物法v 摻入特殊材料 第二頁，共23頁幻燈片自愈合混凝土的發(fā)展 1925 年學者 Abrams第一個發(fā)現(xiàn)了混凝土的自行愈合現(xiàn)象，開裂試件在戶外放置 8a 后愈合了裂縫，并提高了抗壓強度。這一發(fā)現(xiàn)使通過混凝土自愈合而修復結(jié)構(gòu)變得可行。 隨著國內(nèi)外學者在這方面的進一步研究顯示依靠混凝土本身的愈合能力不能達到理想的修復效果。于是人們開始尋求其他的方法來實現(xiàn)混凝土自己愈合裂縫的目的。比如目前研究較多的仿生自愈合技術(shù)?；诨炷磷陨淼挠?/p>

2、機理，也有采用催化結(jié)晶涂料的自愈合方法，通過催化混凝土中游離的鈣離子和未水化的水泥發(fā)生反應達到愈合裂縫的目的。更有學者研究了在水泥基中摻入耐堿微生物對水泥基試件愈合性能的影響。第三頁，共23頁幻燈片混凝土的自愈合性能 在混凝土裂縫自愈合研究的初期階段，主要是基于混凝土本身潛在的愈合能力的研究，實際體現(xiàn)在對于其機理和愈合效果的研究。 J.Stefan（1995）將混凝土試件凍融破壞后，放置水中 2 3 個月后混凝土幾乎能全部恢復損失的共振頻率，并且裂縫中有鈣礬石晶體和氫氧化鈣晶體。 此實驗是在有水環(huán)境中且產(chǎn)生了水泥水化產(chǎn)物，這說明混凝土自愈合可能的形成原因是混凝土中未水化完全的水泥再次水化。第四

3、頁，共23頁幻燈片14d 混凝土自愈合生成物 XRD 圖譜（100水泥）第五頁，共23頁幻燈片28d 混凝土自愈合生成物 XRD 圖譜（100水泥）第六頁，共23頁幻燈片 X 射線衍射圖譜可以看出，經(jīng)過自愈合的混凝土裂縫處主要產(chǎn)物基本相同，為Ca (OH)2、CaCO3 、水泥水化產(chǎn)物，裂縫處還有少量未水化的水泥，粉煤灰顆粒。對比 14d 和 28d 兩個齡期的圖譜，可以看出，隨著齡期的增長，裂縫處未水化的水泥熟料和Ca (OH)2晶體數(shù)量逐漸減少。第七頁，共23頁幻燈片混凝土自愈合產(chǎn)物的 SEM 照片（100水泥）14d(左） 28d（右）第八頁，共23頁幻燈片 14d 齡期時，純水泥混凝土

4、試件，裂縫表面主要為顆粒狀的水化硅酸鈣、片狀的Ca (OH)2、呈層狀方塊的CaCO3和部分未水化的水泥顆粒。可以清晰地看到裂縫最外部為粒徑在 1m 左右的CaCO3 晶體，結(jié)晶情況良好，生長在片狀Ca (OH)2之上，裂縫表面的空隙內(nèi)部為水化硅酸鈣，尚有少量未水化的水泥顆粒嵌 于裂縫表面。 與 14d 齡期的混凝土試件相比，28d 齡期純水泥的混凝土試件，裂縫處片狀的Ca (OH)2和層狀方塊CaCO3 晶體數(shù)量明顯增多，結(jié)晶程度明顯更好。第九頁，共23頁幻燈片 研究發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合能力存在一個損傷閾值， 損傷小于損傷閾值時隨損傷的增大，自愈合率也增大；損傷大于損傷閾值則隨損傷的增大，自愈

5、合率減小。 通過研究，混凝土本身的愈合能力非常有限，不僅需要合適的濕度等條件，而且愈合較緩慢，即使改變混凝土的成分，對其愈合能力的提高也滿足不了預期修復水平。通過激發(fā)混凝土本身的愈合能力來修復結(jié)構(gòu)可行性不大。因此有學者開始研究 模仿生物的愈合現(xiàn)象來愈合材料的研究，而這種材料就被稱為仿生自愈合材料。其中仿生自愈合混凝土的研究思路大致分為三類：纖維管 + 膠粘劑；膠囊 + 膠粘劑；形狀記憶合金。第十頁，共23頁幻燈片內(nèi)置液芯膠囊法 美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry和日本東北大學三橋博三教授為首的日本學者將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中,一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂,部分

6、膠囊或空心纖維破裂,粘結(jié)液流出深入裂縫,粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。 如圖1所示,a:內(nèi)含修補劑的膠囊被事先埋藏于混凝土內(nèi); b:裂縫的發(fā)生使膠囊破裂,修補劑流出; c:流出的修補劑修復了裂縫。第十一頁，共23頁幻燈片圖1 內(nèi)置膠囊仿生自愈合混凝土自愈合機理示意圖第十二頁，共23頁幻燈片多孔纖維網(wǎng)修復法 在含有單聚物的磷酸鈣水泥基材中加入多孔的編制纖維網(wǎng)。一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂,部分纖維網(wǎng)破裂,粘結(jié)液流出深入裂縫,粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。 其作用機理如圖2所示,1聚合反應引發(fā)劑釋放,與基體中的單聚物反應;2形成高聚物并釋放出水分;3聚合反應釋放出水分與水泥反應;4修補液從纖維中

7、流出可以修補材料內(nèi)部的微裂縫。第十三頁，共23頁幻燈片圖2 仿生自愈合水泥基材料的組成及其作用機理第十四頁，共23頁幻燈片形狀記憶合金 形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）可有效的自修復混凝土產(chǎn)生的裂縫，提高混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼耗能能力，且SMA本身作為抗拉材料具有強度高，耐腐蝕的優(yōu)點。 近年來國內(nèi)外工程界的研究人員對SMA材料的力學性能進行了全面細致的研究，并且將SMA材料與混凝土結(jié)合，利用SMA良好的物理力學性能來改善混凝土構(gòu)件的力學性能并控制其變形和裂縫。按照SMA材料與混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式分為SMA外置和SMA內(nèi)置。第十五頁，共23頁幻燈片Eunsoo Choi

8、等研究了利用SMA材料對混凝土柱（圖3）進行環(huán)向約束，施加荷載后，混凝土柱的力學性能發(fā)生改變。他們的研究特點是對混凝土圓柱外置SMA絲環(huán)繞而成的類似外套的裝置。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，外置SMA絲并沒有顯著提高混凝土柱的抗彎性能，但其增加柱的延性的效果很明顯，這對抗震加固是十分有利的。研究得出結(jié)論，這種應用方式的優(yōu)點在于：耐腐蝕，免維護，可實現(xiàn)機械化自動安裝，增加恢復應力，使破壞應力提高20。第十六頁，共23頁幻燈片圖3 安裝形狀記憶合金外套及試驗過程第十七頁，共23頁幻燈片 蘭州理工大學狄生奎、李慧等通過試驗研究了混凝土梁在加載過程中 Ni-Ti SMA 絲電阻變化率與混凝土梁裂縫寬度的關(guān)系，

9、及通電激勵 SMA 絲恢復混凝土裂縫的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在 0.3mm 范圍內(nèi) SMA 更為敏感，通電激勵SMA 絲能夠很好地愈合混凝土裂縫。 日 本 Yuji Sakai 等將 直 徑 2mm 的 超 彈SMA 預埋在砂漿梁中，進行三點彎曲實驗，與普通梁比較，SMA 提高了梁的變形能力，卸載之后，SMA 梁的變形幾乎全部恢復了。 采用 SMA 可以對混凝土變形起到一定的恢復作用，并且可與其他方法結(jié)合，具有一定的發(fā)展前景。第十八頁，共23頁幻燈片第十九頁，共23頁幻燈片內(nèi)摻有機化合物法在硅酸鹽水泥中摻入特殊有機化合物,并攪拌均勻,生成所謂“生物水泥“。其中一種有機化合物按要求使用時會形成一種

10、含鹽度比普通地下水大得多的溶液,該液體攜帶化合物深入到水泥基材料中,即開始了滲透過程,這種過程可以順水壓也可逆水壓發(fā)生。另一種常用的有機化合物是不含固化劑的環(huán)氧樹脂,在堿性和含OH-的環(huán)境下,環(huán)氧樹脂具有緩慢硬化的特征,未硬化的環(huán)氧樹脂被已硬化的包住,而形成自封的微膠囊,一旦有裂紋,微膠囊易破裂,流出,從而將開裂的混凝土粘結(jié)在一起。其機理如圖4。第二十頁，共23頁幻燈片圖4 水泥基材料的損傷自愈合示意圖第二十一頁，共23頁幻燈片余劍英、李旺林等利用平板法試驗使混凝土形成不同寬度的裂縫，通過后期養(yǎng)護來直觀表征滲透結(jié)晶型防水材料對混凝土裂縫自愈合能力的影響。結(jié)果表明，滲透結(jié)晶型防水材料對混凝土初期宏觀裂縫有明顯的抑制作用。且該防水材料為水泥摻量的 1% 時