自愈合與自修復(fù)混凝土

1、自修復(fù)和自愈合混凝土Self-healing and Self-repairingConcrete 1.自愈合混凝土的研究背景2.自愈合混凝土的概述3.自愈合混凝土的分類 3.1自然自愈合 3.2微生物自愈合 3.3纖維增強(qiáng)自愈合 3.4微膠囊自修復(fù) 4.自愈合混凝土常用材料5.自愈合混凝土展望1.自愈合（自修復(fù)）混凝土研究背景 水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好、耐久性好、使用壽命長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。但是目前硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥混凝土在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)發(fā)生：堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使混凝土自身脹裂、水化熱過(guò)高結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力造成裂縫以及在使用期間超高載荷下產(chǎn)生裂縫等病害。水泥混凝

2、土常見病害實(shí)例圖截至2014年底，中國(guó)公路總里程達(dá)到446.39萬(wàn)公里，較2013年末增加10.77萬(wàn)公里，養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)支出469.2億元，增長(zhǎng)了20.31%1。表1：2013-2014年中國(guó)收費(fèi)公路支出構(gòu)成(單位：億元)12.仿生自愈合（自修復(fù)）混凝土概述自愈合混凝土是模仿動(dòng)物的組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生，恢復(fù)機(jī)理，采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，對(duì)材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。3.自愈合混凝土分類根據(jù)修復(fù)原理，自愈合混凝土可分為: 自然自愈合 微生物自愈合 纖維膠液管自愈合 微膠囊自愈合23.1自然自愈合自然自愈合是指混凝土損傷部位中未水化或水

3、化不充分的膠凝材料加速水化或進(jìn)一步反應(yīng)生成新的反應(yīng)產(chǎn)物彌合裂縫的過(guò)程3。3.2微生物自愈合微生物自愈合指：用硅膠、聚氨酯或者多孔的黏土顆粒來(lái)封裝活性微生物細(xì)菌和其生長(zhǎng)所需原料，在攪拌初期加入混凝土中，裂紋出現(xiàn)時(shí)，在適宜的環(huán)境條件下，載體破裂，活性微生物在水泥基材料環(huán)境下進(jìn)行新陳代謝產(chǎn)生方解石（CaCO3）沉淀，達(dá)到愈合裂紋的目的。細(xì)菌礦化機(jī)理4水泥基材料活性微生物細(xì)菌自主愈合體5-7圖為微生物礦化產(chǎn)物SEM圖4微生物自愈合微生物自愈合混凝土修復(fù)實(shí)例微生物自修復(fù)技術(shù)要求：（1）微生物必須是耐堿細(xì)菌。（2）微生物分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須是在有氧條件下（需氧型 細(xì)菌）。（3）微生物除代謝CaCO3外無(wú)其他代

4、謝產(chǎn)物或者其余代謝 產(chǎn)物對(duì)混凝土本身性能無(wú)影響。（4）微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不影響水泥水化及混凝土其它性能。3.3纖維膠液管自愈合內(nèi)置纖維膠液管裂縫自愈合混凝土,是根據(jù)人體傷口由破裂流血凝結(jié)愈合的過(guò)程,在混凝土中沿受拉方向分層布置一些注有高分子修復(fù)膠粘劑的纖維管,作為愈合管道,使膠粘劑在混凝土中長(zhǎng)期保持性能穩(wěn)定8。圖為內(nèi)置纖維膠液管自愈合混凝土8玻璃纖維管載體9(a)試件裝置示意圖(b)單組分修復(fù)劑混凝土橫切面圖(c)雙組分修復(fù)劑混凝土橫切面表2 修復(fù)前后裂縫的開展8纖維管破裂釋放修復(fù)劑雙組分環(huán)氧樹脂修復(fù)實(shí)例圖8纖維管自修復(fù)技術(shù)要求：（1）修復(fù)纖維與混凝土基體的性能匹配，特別是力學(xué)性能 的匹配。（2）

5、修復(fù)纖維和混凝土材料的溫度膨脹系數(shù)應(yīng)接近。（3）修復(fù)纖維應(yīng)具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、能在混凝土中長(zhǎng)期保 存,且強(qiáng)度不變,也不影響混凝土的性能等特性。（4）修復(fù)劑固化條件簡(jiǎn)單、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定耐久性好、良好 的流動(dòng)性3.4微膠囊自愈合微膠囊自愈合是將修復(fù)劑封裝到微膠囊中，在拌合時(shí)均勻地分散到混凝土中，當(dāng)混凝土發(fā)生裂紋時(shí)，微膠囊破裂釋放出修復(fù)劑，當(dāng)修復(fù)劑遇到催化劑，發(fā)生聚合反應(yīng)進(jìn)而膠結(jié)裂紋面。10聚合物材料膠囊法自愈合原理11微膠囊外觀SEM圖12微膠囊切面SEM圖12三分點(diǎn)彎曲預(yù)加載示意12不同壓力預(yù)載處理的混凝土試件的抗折強(qiáng)度12自愈合混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1.抗折強(qiáng)度修復(fù)率：Rf摻加修復(fù)微膠囊的混凝土抗折強(qiáng)

6、度恢復(fù)率，%ff經(jīng)預(yù)壓的基準(zhǔn)混凝土試件48 h后抗折強(qiáng)度，MPaff0未預(yù)壓的基準(zhǔn)混凝土試件的抗折強(qiáng)度，MPaff1經(jīng)預(yù)壓的摻加修復(fù)微膠囊混凝土試件 48 h 后抗折強(qiáng)度，MPafffffffffR01自愈合混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)2.動(dòng)彈性模量的恢復(fù)率：Rp自修復(fù)試件的動(dòng)彈性模量恢復(fù)率，%P0基準(zhǔn)混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%P1摻加修復(fù)微膠囊混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%0011PPPRP（1）聚合物修復(fù)劑：主要包括環(huán)氧樹脂、氰基丙烯酸鹽 黏合劑、氯丁橡膠膠黏劑、聚丙烯酸酯、甲基丙烯 酸甲酯（MMA）、聚氨酯(PU)、雙環(huán)戊二烯 (DCPD)、桐油等。（2）無(wú)機(jī)類修復(fù)劑：主要包括硅酸鈉溶液、水分

7、、氫氧 化鈣、堿硅酸溶液等（3）活性微生物細(xì)菌修復(fù)劑104.自愈合混凝土常用材料5.自愈合混凝土的展望混凝土自主愈合系統(tǒng)為基體微裂縫的修復(fù)和有效地延緩潛在的危害提供了一種新的方法，該系統(tǒng)將免去人工的監(jiān)測(cè)和外部修補(bǔ)所需的高額費(fèi)用，節(jié)省建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)行費(fèi)用，混凝土材料的使用壽命也將延長(zhǎng)。自愈合混凝土作為一種智能混凝土材料，是混凝土材料結(jié)構(gòu)智能一體化的重要組成部分，在重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的及時(shí)修復(fù)等諸多方面有很大的潛力，對(duì)確保建筑物的安全性和提高耐久性都極具重要性。參考文獻(xiàn)：1交通運(yùn)輸部發(fā)布2014年全國(guó)收費(fèi)公路統(tǒng)計(jì)公報(bào)J;交通企業(yè)管理，2015.（323）2孫道勝，陳遠(yuǎn)遠(yuǎn)，王愛國(guó)，孫鵬,肖力.自愈合和自修

8、復(fù)混凝土的研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào):綜述篇.2014,28(6);1353姚武，鐘文慧混凝土損傷自愈合的機(jī)理J材料研究學(xué)報(bào),2006,20(1);244錢春香，羅 勉，潘慶峰，李瑞陽(yáng).自修復(fù)混凝土中微生物礦化方解石的形成機(jī)理J.硅酸鹽學(xué)報(bào),2013,41(5),621-6265JONKERS H M.Becteria-based self-healing concretJ.Heron,2011,56(1/2):1-206WIKTOR V,JONKERS H M,Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing

9、concretJ.CemConer Compos,2011,339(7):763-7707RINCON P.KEY test for rehealable concret OB/L. http:/www.bbc.co.uk/news/science-environment-201213038匡亞川,歐進(jìn)萍.內(nèi)置纖維膠液管鋼筋混凝土梁裂縫自愈合行為試驗(yàn)和分析J.土木工程學(xué)報(bào).2005.38(4),53-59,9THAO T D P.Quasi-brittle Self-Healing Materials;Numerical Modelling and Application in Civil EngineeringD.Singapore;National University of Singapore,2011.10呂忠，陳惠蘇.水泥基材料裂縫自主愈合研究進(jìn)展J.硅酸鹽學(xué)報(bào).2014,42(2):156-16811WHITE S R,SOTTOS N