自愈合与自修复混凝土

关于自愈合与自修复混凝土1.自愈合（自修复）混凝土研究背景

水泥混凝土路面具有强度高，稳定性好、耐久性好、使用寿命长、养护费用少等优点。但是目前硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥混凝土在使用过程中容易出现发生：碱骨料反应产生膨胀应力使混凝土自身胀裂、水化热过高结构混凝土产生内应力造成裂缝以及在使用期间超高载荷下产生裂缝等病害。第2页,共26页，2024年2月25日，星期天水泥混凝土常见病害实例图第3页,共26页，2024年2月25日，星期天截至2014年底，中国公路总里程达到446.39万公里，较2013年末增加10.77万公里，养护经费支出469.2亿元，增长了20.31%[1]。表1：2013-2014年中国收费公路支出构成(单位：亿元)[1]第4页,共26页，2024年2月25日，星期天2.仿生自愈合（自修复）混凝土概述自愈合混凝土是模仿动物的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。第5页,共26页，2024年2月25日，星期天3.自愈合混凝土分类根据修复原理，自愈合混凝土可分为:自然自愈合微生物自愈合纤维胶液管自愈合

微胶囊自愈合[2]第6页,共26页，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损伤部位中未水化或水化不充分的胶凝材料加速水化或进一步反应生成新的反应产物弥合裂缝的过程[3]。第7页,共26页，2024年2月25日，星期天3.2微生物自愈合微生物自愈合指：用硅胶、聚氨酯或者多孔的黏土颗粒来封装活性微生物细菌和其生长所需原料，在搅拌初期加入混凝土中，裂纹出现时，在适宜的环境条件下，载体破裂，活性微生物在水泥基材料环境下进行新陈代谢产生方解石（CaCO3）沉淀，达到愈合裂纹的目的。细菌矿化机理[4]第8页,共26页，2024年2月25日，星期天水泥基材料活性微生物细菌自主愈合体[5-7]第9页,共26页，2024年2月25日，星期天图为微生物矿化产物SEM图[4]第10页,共26页，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复实例第11页,共26页，2024年2月25日，星期天微生物自修复技术要求：（1）微生物必须是耐碱细菌。（2）微生物分解营养物质必须是在有氧条件下（需氧型细菌）。（3）微生物除代谢CaCO3外无其他代谢产物或者其余代谢产物对混凝土本身性能无影响。（4）微生物营养物质不影响水泥水化及混凝土其它性能。第12页,共26页，2024年2月25日，星期天3.3纤维胶液管自愈合内置纤维胶液管裂缝自愈合混凝土,是根据人体伤口由"破裂—流血—凝结—愈合"的过程,在混凝土中沿受拉方向分层布置一些注有高分子修复胶粘剂的纤维管,作为愈合管道,使胶粘剂在混凝土中长期保持性能稳定[8]。图为内置纤维胶液管自愈合混凝土[8]玻璃纤维管载体[9]第13页,共26页，2024年2月25日，星期天(a)试件装置示意图(b)单组分修复剂混凝土横切面图(c)双组分修复剂混凝土横切面第14页,共26页，2024年2月25日，星期天表2修复前后裂缝的开展[8]第15页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维管破裂释放修复剂双组分环氧树脂修复实例图[8]第16页,共26页，2024年2月25日，星期天纤维管自修复技术要求：（1）修复纤维与混凝土基体的性能匹配，特别是力学性能的匹配。（2）修复纤维和混凝土材料的温度膨胀系数应接近。（3）修复纤维应具有化学性质稳定、能在混凝土中长期保存,且强度不变,也不影响混凝土的性能等特性。（4）修复剂固化条件简单、化学性质稳定耐久性好、良好的流动性第17页,共26页，2024年2月25日，星期天3.4微胶囊自愈合微胶囊自愈合是将修复剂封装到微胶囊中，在拌合时均匀地分散到混凝土中，当混凝土发生裂纹时，微胶囊破裂释放出修复剂，当修复剂遇到催化剂，发生聚合反应进而胶结裂纹面。[10]第18页,共26页，2024年2月25日，星期天聚合物材料胶囊法自愈合原理[11]微胶囊外观SEM图[12]微胶囊切面SEM图[12]第19页,共26页，2024年2月25日，星期天三分点弯曲预加载示意[12]不同压力预载处理的混凝土试件的抗折强度[12]第20页,共26页，2024年2月25日，星期天自愈合混凝土性能评价指标1.抗折强度修复率：Rf——掺加修复微胶囊的混凝土抗折强度恢复率，%ff——经预压的基准混凝土试件48h后抗折强度，MPaff0——未预压的基准混凝土试件的抗折强度，MPaff1——经预压的掺加修复微胶囊混凝土试件48h后抗折强度，MPa第21页,共26页，2024年2月25日，星期天自愈合混凝土性能评价指标

2.动弹性模量的恢复率：Rp——自修复试件的动弹性模量恢复率，%P0——基准混凝土试件的相对动弹性模量，%P1——掺加修复微胶囊混凝土试件的相对动弹性模量，%第22页,共26页，2024年2月25日，星期天（1）聚合物修复剂：主要包括环氧树脂、氰基丙烯酸盐黏合剂、氯丁橡胶胶黏剂、聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、聚氨酯(PU)、双环戊二烯(DCPD)、桐油等。（2）无机类修复剂：主要包括硅酸钠溶液、水分、氢氧化钙、碱硅酸溶液等（3）活性微生物细菌修复剂[10]4.自愈合混凝土常用材料第23页,共26页，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统为基体微裂缝的修复和有效地延缓潜在的危害提供了一种新的方法，该系统将免去人工的监测和外部修补所需的高额费用，节省建筑结构运行费用，混凝土材料的使用寿命也将延长。自愈合混凝土作为一种智能混凝土材料，是混凝土材料结构－智能一体化的重要组成部分，在重大土木基础设施的及时修复等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全性和提高耐久性都极具重要性。第24页,共26页，2024年2月25日，星期天参考文献：[1]交通运输部发布《2014年全国收费公路统计公报》[J];交通企业管理，2015.（323）[2]孙道胜，陈远远，王爱国，孙鹏,肖力.自愈合和自修复混凝土的研究进展[J].材料导报Ａ:综述篇.2014,28(6);135[3]姚武，钟文慧．混凝土损伤自愈合的机理[J]．材料研究学报,2006,20(1);24[4]钱春香，罗勉，潘庆峰，李瑞阳.自修复混凝土中微生物矿化方解石的形成机理[J].硅酸盐学报,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]匡亚川,欧进萍.内置纤维胶液管钢筋混凝土梁裂缝自愈合行为试验和分析[J].土木工程学报.2005.38(4),53-59,[9]THAOTDP.Quasi-brittleSelf-HealingMaterials;NumericalModellingandApplicationinCivilEngineering[D].Singapore;NationalUniversityofSingapore,2011.[10]吕忠，陈惠苏.水泥基材料裂缝自主愈合研究进展[J].硅酸盐学报.2014,42(2):156-168[11]WHITESR,SOTTOSNR,GEUBELLEPH,etal.Autono