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具有自修复性能的高性能混凝土的研究现
admin在2021-04-14发布 频道:行业资讯 标签:李健
     
摘要自修复混凝土是模仿生物基体受创伤后的再生恢复机理,运用修复胶黏剂和混凝土材料相复合的方法,使材料对损伤破坏具有自修复和再生功能的一种新型复合材料。运用修复胶黏剂和混凝土材料相复合的方法,使材料对损伤破坏具有自修复和再生功能,从而增强混凝土的修复性能。在外界环境作用下,当材料基体开裂时,纤维随即发生裂开,其内装的修复剂流到裂缝处,由化学作用自动实现粘合,这可以提高开裂部分的强度,增强弯曲的能力,从而起到抑制开裂和修复材料的作用。
  
课题的目的与意义
1.1 自修复的概念
    自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生,恢复机理,采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法,对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能,恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。
 
1.2 课题的目的与意义
    混凝土是目前用量最多的建筑材料,属于脆性材料,而且受力之前就有裂缝,在使用过程中以及周围环境的影响下,不可避免地会产生微开裂和局部损伤。如果这些损伤部位不能及时修复,不但会影响到混凝土材料的强度,而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵入混凝土内部,使混凝土发生碳化,并腐蚀混凝土内的钢筋,从而影响到混凝土材料的耐久性,并缩短其使用寿命。传统的混凝土材料的修复方式主要是定期维护与事后维修,这种修复方法非常被动,不仅费用庞大,而且效果不佳。而实际工程中经常出现的裂缝均为微裂缝,是肉眼无法看见的,使得传统的修复方法操作起来非常困难。自修复混凝土的产生,就能很好地解决这一问题。混凝土的自修复系统为基体微裂缝的修补和有效的延缓潜在的危害提供了一种新的方法。一个自修复系统将免去有效的监测和外部修补所需要的高额费用,节省建筑结构运行费用,且大大有利于其安全性和耐久性,混凝土材料的使用寿命也将大大延长。
    由于在混凝土自修复过程中,其修复过程及效果受到许多因素的影响,比如:纤维管与基体材料的性能匹配是很重要的;如采用塑料纤维管装入修复剂嵌入,可发现基体完全裂开而纤维管并未破损的现象,无法实现自修复功能;纤维管的数量也影响材料的修复,太少不能形成完全修复,多了又可能对材料的宏观性能有影响,修复后的强度与原始强度的比值是评价修复的重要依据,它与修复剂的粘接强度有很大关系;混凝土的裂缝开裂机制;粘接质量、胶粘剂的渗透效果、管内压力也对自修复作用产生很大的影响。胶粘剂是有机材料,耐久性能很难保证。所以,对于影响混凝土自修的因素不好控制的时候,我们可以通过对其骨料进行改善,使混凝土骨料具有自修复或者使骨料做出来的混凝土本身具有自修复能力,这样可以解决了一些现在存在比较普遍的问题。
 
自修复混凝土微损伤的自修复机理           
    自修复混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土。从严格意义上来讲,应该属于一种机敏混凝土。它是传统材料向智能材料发展的高级阶段。自修复混凝土是模仿生物基体受创伤后的再生,恢复机理,运用修复胶黏剂和混凝土材料相复合的方法,使材料对损伤破坏具有自修复和再生功能的一种新型复合材料 。
    据此,国内外学者们提出了具有自修复行为的智能材料模型 ,即在材料的基体中布有许多细小纤维的管道(类似血管),管中装有可流动的物质修复物质(类似血液)。在外界环境作用下,当材料基体开裂时,纤维随即发生裂开,其内装的修复剂流到裂缝处,由化学作用自动实现粘合,这可以提高开裂部分的强度,增强弯曲的能力,从而起到抑制开裂和修复材料的作用 。若采用低模量的胶粘剂修复混凝土,则可以改善建筑结构的阻尼特性,提高混凝土材料的柔韧性,以减轻突加外载荷对建筑物的瞬间冲击,如地震、飓风对建筑物的破坏;如果胶粘剂弹性模量较大,则可以恢复结构的刚度和强度;提高材料的弹性模量。同时对于不同凝固时间的胶粘剂可以用于对结构的弯曲程度进行控制。在自修复混凝土中放置胶粘剂常采用3种实验模型:空心玻璃纤维修复效果比较好,它能根据裂缝对胶液量的需求充分满足需要,但是玻璃纤维管分散困难,容易发生结团。相比之下,胶囊分散容易,但不能充分保证修复效果。我们也可以把胶囊用医用针剂代替,很容易工业化生产,满足实际的需要。
 
现有几种自修复方法的原理及影响因素与效果
    对于现有的一些修复的方法主要是根据裂缝形成的原因不同,从而提出的修复方法、过程和效果也不同,每一种的修复方法都有他们自身存在的局限性。
3.1结晶沉淀自修复
    修复原理:在水流或水介质作用下,利用物理、热学、力学、化学过程实现混凝土微裂缝的自修复,而碳酸钙化学结晶沉淀是其主要的自修复机理,其反应过程中不断的生成碳酸钙晶体,形成的碳酸钙晶体,在裂缝中不断聚集、生长,结晶体与相邻的结晶体之间键合以及结晶体与水泥浆体和骨料表面的化学粘结,逐渐将裂缝密封、修复。
    影响因素与效果:结晶沉淀自修复是一个自然修复过程,修复反应只发生在混凝土中有潮气或水,依赖于混凝土和水中的钙离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子的浓度,提高水温,提高水PH值,降低水中二氧化碳分压等都有利于裂缝中碳酸钙的形成和修复,晶体生长速度取决于裂缝宽度、水压力和混凝土组成,但修复后混凝土的回复强度较弱 。
3.2渗透结晶自修复
    修复原理:在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料,在潮湿或水中养护条件下,以水为载体,通过渗透作用,使渗透结晶材料中的特殊活性化学物质在混凝土中形成不溶性的枝蔓状结晶体,混凝土干燥时,该活性化学物质处于休眠状态;一旦混凝土开裂,有水浸入时,活性化学物质再次激活,催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续水化,生成新的结晶物,对裂缝进行自动填充,以实现自修复。
    影响因素与效果:渗透结晶自修复是一种主动激发的修复过程,渗透结晶反应在整个使用过程是持续进行的,修复的效果主要受裂缝的大小、渗透结晶材料中的活性成分、混凝土的孔隙率及孔结构等影响,对较宽的裂缝修复效果不佳 。
3.3电解沉淀自修复
    修复原理:以水或海水中各类矿物化合物作为电解质溶液,利用电化学技术,使溶液中的阳离子得到电子,生成难溶性的化合物,沉积在混凝土结构裂缝内和混凝土表面,从而填充、密实混凝土裂缝。
    影响因素与效果:修复后混凝土表面形成一层物理上的保护层,有效地降低了混凝土内部的气液介质的流动,从而降低混凝土的渗透性,混凝土抗氯离子侵蚀和抗碳化等性能明显提高,沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响,适合于海洋混凝土工程结构或长期处于潮湿环境中的工程结构,如大坝、海洋石油钻井平台等 。
其修复过程如图1.1所示。
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修复前修复后
图1.1 电解沉积自修复的前后效果的对比
 
3.4混凝土仿生自修复
    修复原理:模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某些物质,而使创伤部位得到愈合的机能,在混凝土基体中预埋内含高分子修复胶粘剂的修复胶囊或修复纤维管,形成智能型自修复网络系统。
    图1.2 表示的是内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图
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图1.2 内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图
    影响因素与效果:可以提高开裂部分的强度,增强其延性弯曲的能力,从而提高整个结构的性能,低模量胶粘剂可以改善结构阻尼特性,较硬的胶粘剂可以使受损结构重新获得横向刚度,不同凝固时间的胶粘剂可以对结构的弯曲进行控制,必须解决好三个关键的问题,一是修复胶粘剂的贮存,二是修复剂胶粘剂至损伤处的传送,三是修复功能的触发。
3.5智能自修复
    修复原理:将形状记忆合金等功能元件和含有修复胶粘剂的纤维管预埋在混凝土中,从而在混凝土内部形成密集分布的自适应、自诊断、自修复网络,使其具有感知和激励功能,即能够对外界环境变化因素产生感知,自动做出适时、灵敏和恰当的响应。一旦裂缝宽度超过允许的限值时,纤维管破裂,修复剂流出修复裂缝,同时通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应,或利用形状记忆合金弹性丝恢复时,对裂缝面施加压应力,并且迫使裂缝合拢闭合,使混凝土挠度和变形恢复。
    影响因素与效果:智能自修复利用修复胶粘剂对裂缝面的粘结功能和形状记忆合金等功能元件的驱动功能,实现了混凝土自修复;形状记忆合金恢复时产生的压力,可提高修复胶粘剂的粘结强度,从而提高修复质量;形状记忆合金的配置量、合金的粗细、合金初始预应变值、合金与混凝土的连结方式等因素决定了梁的变形性能及自修复能力;形状记忆合金或聚合物都需要时间来转化,修复剂在裂缝面上的扩散以及修复剂固化等都需要一定的时间,因此应对形状记忆合金和修复胶粘剂的性能进行深一步的研究。
 
自修复混凝土的研究现状
    从上个世纪中叶起,国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材料的研究。,并取得了一些有价值的科技成果。但就如何适时快速的自修复混凝土内部的损伤,以及对自修复混凝土机理的研究是相当缓慢的。目前只有美国,日本等少数几个国家处于实验室探索阶段,但尚未取得实质性的成果 。
    Lauer等 研究了湿度环境对愈合的影响,水养情况下石灰及粉煤灰的加入对后期强度恢复有轻微影响,而相对湿度为95%的养护条件下却有明显的变化。
    Dhir等 研究了龄期和配合比对混凝土自愈合性能的影响,强度恢复率随着水泥掺量的提高而提高,而自愈合速率随着龄期的增加而降低。
    Edvardsen 指出在水养条件下,裂缝早期自愈合效果显著,而且这些裂缝的自愈合几乎全是由碳酸钙晶体沉淀引起的。碳酸钙晶体的增长率与裂缝宽度和水压有关。Edvardsen还得出碳酸钙的形成反映了两种不同晶体的生长过程,在 刚与水接触时,晶体的生长动力学是由表面控制的,当 进入水中由 的扩散控制。
    姚武 研究了不同龄期受损混凝土经过相同养护期后的自然愈合现象。结果表明,混凝土材料存在一个损伤阂极值:当混凝土的损伤低于损伤极值时,自愈合率随着损伤量的增大而增大;当混凝土损伤超过损伤极值时,自愈合率随着损伤量的增大而降低。
    Granger等 指出裂缝的自愈合主要是由于裂缝表面未水化水泥颗粒的进一步水化导致的,且新生晶体强度接近CSH凝胶的强度。
    目前国内外对自修复混凝土的研究主要集中在内置纤维胶液管自修复混凝土,内置胶囊自修复混凝土,形状记忆合金智能自修复混凝土三个方面 。
    美国伊利诺斯大学的Carolyn Dry教授 研究了一种混凝土裂缝修复技术。将外表涂有蜡层,内部灌注异丁烯酸甲酯胶黏剂的聚丙烯纤维预埋在混凝土中(图1.3(a));当混凝土基体出现裂缝或损伤时,通过对混凝土基体的加热,使纤维管表面石蜡熔化,导致胶黏剂从纤维管壁的孔隙流入裂缝中(图1.3(b));连续加热30分钟左右,随着温度的升高,胶黏剂聚合修复裂缝(图1.3(c))。Carolyn Dry 还将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中,从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。当混凝土结构在使用过程中出现损伤和裂纹时,管内或短管内装的修复剂流出渗入裂缝,由于化学作用使修复胶粘剂固结,从而抑制开裂,修复裂缝。修复后的混凝土试件经过三点弯曲实验发现,其强度比先前还有了较大提高,并且材料的延性也得到了较大的改善。
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图1.3 混凝土主动修复示意图
    CarolynDry教授 根据动物骨骼的结构和形成机理,尝试制备仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料并在其中加入多孔的编织纤维网,在水泥水化和硬化过程中,多孔纤维释放出聚合反应引发剂,与单聚物聚合成高聚物,聚合反应留下的水分参与水泥水化。由此,在纤维网的表面形成大量有机及无机物质,它们互相穿插粘接,最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机有机相结合的复合材料,其性能具有优异的强度及延性。而且,在材料使用过程中,如果发生裂纹或损伤,多孔有机纤维会释放高聚物,愈合裂纹或损伤。日本学者H.ilalshi 和英国学者S.M.Bleay 分别在1998、2001年采用类似的方法研究了混凝上裂纹的自防护问题。
    Barbara Di Credico等 研究了一种有效的方法制备稳定的微胶囊使其成为一种工业核心材料作为未来的自修复涂层使用。合成了充满异佛尔酮二异氰酸酯 ( IPDI )的微胶囊的不同聚合物壳:聚氨脂 PU,聚(脲–甲醛)PUF和双层聚氨酯/聚(脲–甲醛)PU/PUF。通过增加壳壁单体和用预聚物调制微胶囊的物理和机械性能来改变封装工艺。研究了一种液态二异氰酸酯自愈聚合物复合材料的应用,在水或湿度敏感的环境,二异氰酸酯与水的反应性高,介绍了实现一个真正的自治自愈系统的可能性(图1.4)。
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图1.4 无任何干预的自修复过程示意图
    兰州理工大学的狄生奎等 试验研究了在混凝土梁加载过程中形状记忆合金(SMA)丝电阻变化率和混凝土梁裂缝宽度的关系和SMA丝通电激励过程中混凝土梁裂缝恢复的变化规律。结果表明:SMA丝电阻变化率随混凝土裂缝宽度的增加呈现规律性的变化,尤其在混凝土裂缝在0.3mm范围内变化时,电阻变化率对梁裂纹变化更加敏感。SMA丝通电激励后的恢复特性能时SMA混凝土梁的裂缝很好的愈合。利用SMA丝电阻变化率对裂缝变化的敏感性和其相位恢复特性可实现对混凝土梁的自检测和自修复。
    南京航空航天大学的杨红 提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。该文首创了用于智能结构的空心光纤研究方法,并对其进行了应用基础研究。此外,还设计了埋入空心光纤的复合材料诊断与修复系统用于检测复合材料损伤程度与位置以及对损伤处进行自修复等。在复合材料中,还埋入了形状记忆合金(SMA)丝以提高复合材料的强度、安全和可靠性。研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材料,利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研究。实验表明,修复后的纸蜂窝复合材料完全达到正常材料的使用性能,树脂基复合材料在完全破坏的情况下,经修复后,材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。
    哈尔滨工业大学的欧进萍等 ,对内置胶囊混凝土的裂缝自愈合行为进行了分析和试验。首先,建立了描述修复胶囊在混凝土中的分布和取向函数; 接着, 根据混凝土的破坏机理, 确定了修复胶囊的破坏应力;然后,通过实验分析了修复胶囊的几何参数和体积率对混凝土性能的影响,得到了几何参数和体积率的最佳取值范围;其次,利用ANSYS 对修复胶囊进行了有限元分析,确定了其合理的壁厚,为修复胶囊材料的选择提供了一种研究方法;最后,进行了内置胶囊混凝土试验,,取得了一定的自愈合效果。同时他们还对内置纤维胶液管的钢筋混凝土梁自愈合行为进行了试验。首先, 分析了修复纤维对混凝土自愈合效果的影响因素;然后,从修复纤维微分单元的平衡状态,得到了修复纤维能及时发挥修复作用的合理参数,最后,通过3 分点弯曲试验, 验证了梁的裂缝自愈合能力,分别采用不同的修复胶粘剂进行了试验,得到了一种适合钢筋混凝土梁裂缝自愈合的理想胶粘剂。
    此外,欧进萍等还利用形状记忆合金的超弹性和受限回复产生较大驱动力的特性,研制了一种智能混凝土梁。并且通过实验研究了形状记忆合金混凝土梁的变形规律及其影响因素,揭示了形状记忆合金超弹性梁的自修复机理。试验结果表明:形状记忆合金显著地提高了混凝土梁的变形能力;一旦外力消失,梁在形状记忆合金超弹性效应的驱动下,挠度迅速恢复,裂缝闭合;增加合金的总截面面积可提高合金对混凝土梁的驱动效果,但钢筋塑性变形的存在,则对形状记忆合金梁的变形回复起着阻碍作用。
 
启示
    自修复未来的发展应从以下几个方面来做:一是对于自修复混凝土中的胶粘剂的选择、储存、传送、内置的玻璃管的掺量以及修复功能的触发的问题进行研究,从而解决自修复混凝土中的问题;二是从其他方面如手,不直接在混凝土内部埋植修复剂,可以从其骨料进行考虑,使骨料本身具有自修复性,这样就可以避免在其埋植修复剂所遇到的问题。
    通过这段时间对自修复混凝土的了解,未来自修复混凝土应该从骨料和外加剂方面进行改进,其中能掺入水泥中的微胶囊式的外加剂在未来会更加适合商业化施工。因此,在微胶囊中包覆修复剂必然会对微胶囊壳壁有较高的要求。首先,壳壁必须有足够的韧性,能经受混凝土搅拌而不至于破损,其次,在混凝土凝结硬化后产生的裂缝又易使胶囊破裂修复剂流出。制造方便施工的自修复外加剂应该会成为未来自修复混凝土的重要发展方向。
 
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作者:李健    
信息来源:混凝土视频网


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