自愈合與自修復(fù)混凝土

關(guān)于自愈合與自修復(fù)混凝土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。第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天水泥混凝土常見病害實(shí)例圖第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天截至2014年底，中國(guó)公路總里程達(dá)到446.39萬公里，較2013年末增加10.77萬公里，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)[1]第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天2.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。第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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[2]第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3.1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)物彌合裂縫的過程[3]。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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]第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天水泥基材料活性微生物細(xì)菌自主愈合體[5-7]第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天圖為微生物礦化產(chǎn)物SEM圖[4]第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天微生物自愈合微生物自愈合混凝土修復(fù)實(shí)例第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天微生物自修復(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外無其他代謝產(chǎn)物或者其余代謝產(chǎn)物對(duì)混凝土本身性能無影響。（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。第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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]第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天(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)劑混凝土橫切面第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天表2修復(fù)前后裂縫的開展[8]第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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]第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天纖維管自修復(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）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)性第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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]第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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]第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天三分點(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]第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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)度恢復(fù)率，%ff——經(jīng)預(yù)壓的基準(zhǔn)混凝土試件48h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48h后抗折強(qiáng)度，MPa第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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，%第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天（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）無機(jī)類修復(fù)劑：主要包括硅酸鈉溶液、水分、氫氧化鈣、堿硅酸溶液等（3）活性微生物細(xì)菌修復(fù)劑[10]4.自愈合混凝土常用材料第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天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。第24頁,共26頁，2024年2月25日，星期天參考文獻(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.自愈合和自修復(fù)混凝土的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)Ａ:綜述篇.2014,28(6);135[3]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);24[4]錢春香，羅勉，潘慶峰，李瑞陽.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),621-626[5]JONKERSHM.Becteria-basedself-healingconcret[J].Heron,2011,56(1/2):1-20[6]WIKTORV,JONKERSHM,Quantificationofcrack-healinginnovelbacteria-basedself-healingconcret[J].CemConerCompos,2011,339(7):763-770[7]RINCONP.KEYtestforrehealableconcret[OB/L].http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-20121303[8]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,[9]THAOTDP.Quasi-brittleSelf-HealingMaterials;NumericalModellingandApplicationinCivilEngineering[D].Singapore;NationalUniversityofSingapore,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):156-168[11]WHITESR,SOTTOSNR,GEUBELLEPH,etal.Autono