自愈合混凝土

關(guān)于自愈合混凝土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內(nèi)置液芯膠囊法多孔纖維網(wǎng)修復(fù)法形狀記憶合金內(nèi)摻有機化合物法摻入特殊材料

第2頁,共23頁，星期六，2024年，5月自愈合混凝土的發(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(fù)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(fù)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)。基于混凝土自身的愈合機理，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(yīng)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3頁,共23頁，星期六，2024年，5月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(fù)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4頁,共23頁，星期六，2024年，5月14d混凝土自愈合生成物XRD圖譜（100％水泥）第5頁,共23頁，星期六，2024年，5月28d混凝土自愈合生成物XRD圖譜（100％水泥）第6頁,共23頁，星期六，2024年，5月

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7頁,共23頁，星期六，2024年，5月混凝土自愈合產(chǎn)物的SEM照片（100％水泥）14d(左）28d（右）第8頁,共23頁，星期六，2024年，5月

14d齡期時，純水泥混凝土試件，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?？梢郧逦乜吹搅芽p最外部為粒徑在1μm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9頁,共23頁，星期六，2024年，5月

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(yù)期修復(fù)水平。通過激發(fā)混凝土本身的愈合能力來修復(fù)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10頁,共23頁，星期六，2024年，5月內(nèi)置液芯膠囊法美國伊利諾伊斯大學的CarolynDry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(fù)了裂縫。第11頁,共23頁，星期六，2024年，5月圖1內(nèi)置膠囊仿生自愈合混凝土自愈合機理示意圖第12頁,共23頁，星期六，2024年，5月多孔纖維網(wǎng)修復(fù)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(yīng)引發(fā)劑釋放,與基體中的單聚物反應(yīng);2形成高聚物并釋放出水分;3聚合反應(yīng)釋放出水分與水泥反應(yīng);4修補液從纖維中流出可以修補材料內(nèi)部的微裂縫。第13頁,共23頁，星期六，2024年，5月圖2仿生自愈合水泥基材料的組成及其作用機理第14頁,共23頁，星期六，2024年，5月形狀記憶合金

形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy，簡稱SMA）可有效的自修復(fù)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15頁,共23頁，星期六，2024年，5月EunsooChoi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(yīng)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(fù)應(yīng)力，使破壞應(yīng)力提高20％。第16頁,共23頁，星期六，2024年，5月圖3安裝形狀記憶合金外套及試驗過程第17頁,共23頁，星期六，2024年，5月

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-TiSMA絲電阻變化率與混凝土梁裂縫寬度的關(guān)系，及通電激勵SMA絲恢復(fù)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YujiSakai等將直徑2mm的超彈SMA預(yù)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(fù)了。

采用SMA可以對混凝土變形起到一定的恢復(fù)作用，并且可與其他方法結(jié)合，具有一定的發(fā)展前景。第18頁,共23頁，星期六，2024年，5月第19頁,共23頁，星期六，2024年，5月內(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20頁,共23頁，星期六，2024年，5月圖4水泥基材料的損傷自愈合示意圖第21頁,共23頁，星期六，2024年，5月余劍英、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