（材料学专业论文）自愈合仿生混凝土的研究.pdf

摘要 随着现代材料科学的不断进步，作为最主要建筑结构材料之一的混凝土已逐 渐向高强、高性能、多功能和智能化方向发展，用它建造的混凝土结构也趋于大 型化和复杂化。然而混凝土材料的固有缺陷是脆性大，在使用过程和周围环境的 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进行修 复，不但会影响结构的正常使用性能和缩短使用寿命，而且可能由此引发宏观裂 缝并出现脆性断裂，产生严重的灾难性事故，给社会造成难以挽回的经济损失。 过去对混凝土材料的修复形式主要是事后维修和定时维修，随着现代社会向智能 化发展，这种停留在被动和计划模式下的修复方式已不能适应现代多功能和智能 建筑对混凝土材料提出的要求。因此研究和开发新型自愈合仿生混凝土、使其能 够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性能已成为智能 混凝土的发展趋势并将成为新型建筑材料科研和实际应用的热点。 本文中对自愈合仿生混凝土的研究是模仿生物组织对受创伤部位自动分泌 某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分， 在混凝土内部形成仿生自愈合系统，当混凝土材料出现裂纹时，部分液芯纤维破 裂，修复剂流出渗入裂缝，修复剂可使混凝土裂缝重新愈合，自愈合仿生混凝土 属于智能型仿生材料范畴。 本文首次选用单组分的修复剂对混凝土进行自愈合修复，通过对其不同性能 的研究，得到了一系列在不同场合适用于混凝土愈合的修复剂；其次，针对不同 的空心纤维进行愈合的可能性进行了实验研究，提出了新的纤维愈合工艺并取得 了良好的效果；再次，目前对于混凝土愈合效果的评价大多仅限于强度回复率， 而在其他方面研究较少。本文采用图像分析仪和声发射等新型的研究手段和方法 从不同的方面对自愈合混凝土的愈合原因和效果进行了分析；最后，由于目前对 自愈合混凝土韧性和界面状况的研究还少有人进行，本文对自愈合混凝土的韧性 改善和界面的脱粘增韧机理进行了研究分析，并且将演化计算的方法引入到自愈 合混凝土的界面增韧优化设计之中，建立了模型，并编制出相应的程序。 本文主要的研究内容和结论有： 1 讨论了丙烯酸酯、聚氨酯和环氧树脂等不同修复剂的性能，通过对修复 剂的粘结强度、流动度和愈合速度等方面的测试，选择符合混凝土愈合条件和性 能的修复剂，实验发现，单主份的胶粘剂在使用上比双主份的修复剂更适合混；疑 土的自愈合条件。此外，对不同类型的修复纤维与基体材料的性能匹配；匹配纤 维的掺量、型号、分布特性和随之带来的强度损失等对混凝土材料的修复性能的 影响进行了研究。研究发现，小于1 的纤维体积掺量对混凝土材料的强度性能几 乎无影响，实现了自愈合材料组分优化配伍。 2 为了评价仿生自愈合混凝土材料修复前后的效果，通过使用i n s t r o n 电液 司服万能实验机对愈合前后的材料进行断裂试验，测试了材料愈合前后的强度恢 复率。实验发现，混凝土经愈合后，其强度性能明显提高，强度回复率最高可达 1 1 6 。其次，利用声发射仪对材料内部损伤的监测，分析了混凝土愈合后的愈合 性能，同时发现，混凝土材料中裂缝的愈合效果良好。 3 利用图像分析系统研究了自愈合混凝土材料的界面特征，定量分析了使 用不同的修复方案，其修复剂在界面上的流出面积和渗透效果，研究了愈合强度 和流出面积的关系，提出了材料的选用原则和构造设计方案。实验发现，内置开 放式的愈合效果要优于内置封闭式的愈合效果。 4 通过实验观察和对材料各种测试数据的分析，找出了自愈合混凝土断裂 韧性得到改善的原因，讨论了材料界面脱粘破坏的机理。研究发现，材料界面的 脱粘面积影响着材料的断裂韧性。利用i n s t r o n 电液司服万能实验机测试分析了 混凝土材料的断裂韧性：同时还借助图像分析系统测量了材料界面的脱粘面积： 最后，运用演化计算的建模和优化设计的方法，并且编制了相应的计算程序对自 愈合混凝土的界面进行优化设计，得出了自愈合混凝土界面优化设计模型。通过 模型计算出了材料的最佳脱粘面积，当界面的脱粘面积占整个愈合面积的1 9 3 左右时，材料能够获得最佳的断裂韧性。 关键词：自愈合混凝土修复剂空心纤维强度回复率断裂韧性界面脱粘演化 优化 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mm a t e r i a l ss c i e n c e s ，c o n c r e t e ，n o w w e l l a c c e p t e da so n eo fm o s te s s e n t i a lb u i l d i n gs t r u c t u r em a t e r i a l s ，h a sg r a d u a l l y d e v e l o p e di n t h eo r i e n t a t i o no fh i g h p r o p e r t y , i n t e l l i g e n c ea n da b i l i t y , a n dt h e s t r u c t u r em a d ew i t hi ti sa l s oi n c l i n e dt ol a r g e rs c a l ea n dm o r ec o m p l i c a c y h o w e v e r , t h ec o n c r e t ea r ei n h e r e n t l yb r i t t l e i tu n a v o i d a b l yc a u s e st h em i c r o c r a c k sa n dl o c a l d a m a g e s i nt h ec o n c r e t eu n d e ra m b i e n to r w o r k i n g e n v i r o n m e n t i ft h e m i c r o d a m a g e si n s i d et h ec o n c r e t ef a i lt ob em p a i m di nt i m e ，i tw o u l dd r a m a t i c a l l y i n f l u e n c ep e r f o r m a n c e so fc o n c r e t e s t r u c t u r e s ，s h o r t e nu s i n gl i f et i m e ，e v o k e m a c r o s c o p i cc r a c k sa n dr e s u l ti nb r i t t l er u p t u r e ，e v e nm o r et h ed i s a s t r o u sa c c i d e n t s a n dc a u s et h ee c o n o m i cl o s e t h ep m v i o u ss o l u t i o ni sr e p a i r i n gt h es t r u c t u r e sa f t e rt h e c r a c ki n i t i a l i z e do rr e p a i r i n ga tag i v e nt i m ei n t e r v a l t h o s ep a s s i v eo rt i m e - o r i e n t a t e d r e p a i r i n gm e t h o d s a l eu n a b l et om e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fm u l t i p u r p o s ea n d i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sn o w a d a y s i ti sn e c e s s a r yt os t u d ya n dd e v e l o pan e ws 锣i eo f i n t e l l i g e n t c o n c r e t ew i t h a u t o g e n o u s - h e a l i n gc a p a b i l i t yi e a u t o m a t i c a l l yr e p a i r d a m a g e dp l a c e s ，r e c o v e ra n de n h a n c ep r o p e r t i e sa n dc a p a c i t i e so f c o n c r e t es t r u c t u r e s s e l f - h e a l i n gc o n c r e t ew o r k sa si ft h ew o u n d e do r g a n i s ma u t o m a t i c a l l ys e c r e t e s s o r t i es u b s t a n c ea tw o u n d e da r e aa n dh e a l st h ew o u n d s t h es p e c i a lc o m p o u n d i n g r e d i e n t s ( e g f i b e r sc o n t a i n i n gl i q u i db o n d i n ga g e n t s ) a d d e di nt h ec o n c r e t ef o r ma s e l f - h e a l i n gs y s t e mi n s i d ea n di sr e a d y t os e l f - h e a l i n gt h ec r a c l ( s w h e nc r a c k se m e r g e i nc o n c r e t e ，t h en e i g h b o r i n gf i b e r sb u r s ta n dt h eb o n d i n ga g e n t sf l o wo u tt oh e a lt h e c r a c k s s e l f - h e a l i n gc o n c r e t eb e l o n g s t ot h ei n t e l l i g e n tb i o m a t e r i a l s c o 璐i d e r i n gt h e s er e a s o n sm e n t i o n e db e f o r e ，t h ef i r s tw o r k w a s a l li n v e s t i g a t i o n i n t op e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ta d h e s i v el i q u i df o rs e l fr e p a i ro f c r a c k i n gi nc o n c r e t ei n d i f f e r e n te n v i r o m e n t t h es e c o n dr e s e a r c hw a si n t ot h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gd i f f e r e n t h o l l o wf i b e r st h a th a v eah e a l i n gc a p a b i l i t y an e wt e c h n i co ff i b e rh e a l i n gw a s p r o p o s e d i m a g ea n a l y s i ss y s t e ma n da c o u s t i ce m i s s i o nw e r eu s e dt ot a k eas t u d yi n h e a l i n gc a u s a t i o na n de f f e c to fs e l f - h e a l i n gc o n c r e t ef r o md i f f e r e n ta s p e c t sd u et o e v a l u a t i o no fh e a l i n ge f f e c to fc o n c r e t ej l a s tl i m i tt os t r e n g t hr e c o v e r i n gr a t ea n dl e s s r e s e a r c hi nt h eo t h e r f i n a l l y , b e c a u s er e s e a r c ho ft o u g h n e s sa n di n t e r f a c es t a t u so f s e l f - h e a l i n gc o n c r e t ew a sl e s sa tp r e s e n t ，aa n a l y s i so ni m p r o v e m e n to ft o u g h n e s sa n d d e b o n do fi n t e r f a c eo fs e l f - h e a l i n gc o n c r e t ew a sd o n e ，a n dd o i n gi n t e r f a c eo p t i m i z e d e s i g no fs e l f - h e a l i n gc o n c r e t eb ye v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s e v e r a la s p e c t si nt h i sd i s s e r t a t i o nw e r es t u d i e d 硒f o l l o w s ： 1 a f t e rad e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t a d h e s i v el i q u i d ，e g p o l y u r e t h a n e ，e p o x yr e s i na n da c r y l i ce s t e r f u r t h e r m o r e ，t h e r e s e a r c hw a si n t ot h ei n f e c t i o no fr e p a i rp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ed u et op a r a m e t e ro f h o l l o wf i b e r ( m o d e l ，d o s a g ea n dd i s t r i b u t i n g ) a n ds t r e n g t hl o s sr e s u l t i n gf r o mt h e m i t h a sf o u n dt h a ts i n g l ec o m p o n e n ta d h e s i v ew a sm o r es u i t a b l ef o rh e a l i n gc o n d i t i o no f c o n c r e t et h a nd o u b l ec o m p o n e n ta d h e s i v e ，a n dl e s st h a n1 v o l u m eo ff i b e r sh a sl e s s i n f l u e n c eo ns t r e n g t ho fc o n c r e t e a tl a s t , c o m p o n e n to p t i m i z a d o no fs e l f - r e p a i r m a t e r i a lw a sr e a l i z e d 2 t w om e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y z et h eh e a l i n ge f f e c to f s e l f - h e a l i n gc o n c r e t e o n ew a st h r e e p o i n tb e n d i n gt e s tt ot e s tt h es t r e n g t hr e c o v e r i n gr a t eo fs e l f - h e a l i n g c o n c r e t e t h eo t h e rw a sa c o u s t i ce m i s s i o nt e s tt ot e s ti n t e r n a ld a m a g eo fm a t e r i a la n d t oa n a l y z eh e a l i n gq u a l i t yo fs e l f - h e a l i n gc o n c r e t e i th a sf o u n dt h a tt h es t r e n g t ho f c o n c r e t ew a sh e i g h t e n e da f t e rc o n c r e t ew a sr e p a i r e d , a n dh e a l i n ge f f e c to fc r a c ko f c o n c r e t ew a sg o o d 3 i m a g ea n a l y s i ss y s t e mw a su s e dt ot a k es t u d yi nt h ei n t e r f a c ec h a r a c t e ro f s e l f - h e a l i n gc o n c r e t ea n dt h eo u t f l o wa f f y d o fr e p a i ra g e n lt h et e s ta n a l y z et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a l i n gs t r e n g t ha n do u t f l o wa r e a , t l i c no p t i m a ld i s t r i b u t i n go f f i b e r sw a se s t a b l i s h e d t h es e l e c tp r i n c i p l eo fm a t e r i a la n d d e s i g ho f s t r u c t u r ew a sp u t f o r w a r d t h ee x p e r i m e n th a sf o u n dt h a th e a l i n ge f f e c to fi n s i d eo p e n i n gf o r m e x c e l l e dh e a l i n ge f f e c to fi n s i d ec l o s i n gf o r m 4 b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t ao fm a t e r i a l ，t h ec a u s a t i o no f i m p r o v e m e n to ff r a c t u r et o u g h n e s so fc o n c r e tw a sf o u n d ，a n dt h ed e s t r u c tm e c h a n i s m o fm a t e r i a li n t e r f a c ew a sd i s c u s s e d t h ei n v e s t i g a t i o nh a sf o u n dt h a td e b o n d i n ga r e a o fm a t e r i a li n t e r f a c eh a si n f l u e n c eo n 钿c t i l 陀t o u g h n e s so fm a t e r i a l t h ef r a c t u r e t o u g h n e s so fm a t e r i a lw a st e s t e db yi n s t r o ne x p e r i m e n tm a c h i n e ，a n di m a g ea n a l y s i s s y s t e mw a su s e dt om e a s u l ed e b o n d i n ga r e ao fm a t e r i a li n t e r f a c e f i n a l l y , t h em e t h o d o fe v o l u t i o n a r ya l g o d t h mw a su s e dt oo p t i m i z ei n t e r f a c eo fm a t e r i a lf o ro b t a i n i n gt h e o p t i m u md e s i g nm o d e lo fi n t e r f a c eo fs e l f - h e a l i n gc o n c r e t e t h eb e s td e b o n d i n ga r e a o fm a t e r i a lw a sw o r k e do u tb yt h em o d e l w h e nd e b o n d i n g a l - e 2 to fi n t e r f a c ei si9 3 0 , o fw h o l eh e a l i n ga r e a , t h em a t e r i a lc a l lo b t a i nt h eb e s tf r a c t u r et o u g h n e s s k e y w o r d s ：s e l f - h e a l i n gc o n c r e t e ；r e p a i ra g e n 分h o l l o wf i b e r ；s t r e n g t hr e c o v e r i n g r a t e ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；d e b o n d i n go f i n t e r f a c e 歹e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m 第奄绪论 第一章绪论 人类自诞生以来，就与材料结下了不解之缘。从原始社会的“石器时代”到 逐步进化的“青铜器时代”，人类由蒙昧走向开化。“铁器时代”的到来，将人 类带入农业社会。丽“钢铁时代 的来临，又造就了工业社会的文明。材料的 发展，标志着人类社会的历史进程，材料作为生产力要素之一，直接进入生产 过程，改变着人类社会的生产方式。材料、能源、信息技术被认为是现代文明 的三大支柱，从现代科技发展史可以看出，每一项重大的新技术发现，往往都 依赖于新材料的发展。所谓新材料是指最近发展或正在发展中的具有比传统材 料更为优异的性能的一类材料。目前世界上的传统材料已有几十万种，而新材 料正以每年大约5 的速度增长。现今全世界已有8 0 0 多万种人工合成的化合物， 而且每年还以2 5 万种的速度递增，其中有相当一部分将成为新材料f 。 1 1 建筑结构智能混凝土材料的发展 智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。智能材料 赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有“感觉”和“知觉 2 1 。智能材 料的行为与生命体的智能反应有点类似，它是一种模仿生命系统，同时具有感 知和激励双重功能的材料，即能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时、 灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。 现已成为材料科技领域的一个重要分支和研究热点，并孕育着新的突破和大的 发展。智能材料是一种超功能材料，它是智能结构的基础，可以解决用传统方 法难以解决或不能接解决的技术关键，在一些重要工程和间断技术领域具有巨 大的应用前景【5 - 7 1 。 现代建筑科技飞跃发展，促使材料科学不断发展和创新，目前在国际范围 内高性能建筑材料的研究与开发已成为热点。高性能建筑材料除包括传统的建 筑材料外，还涵盖了赋予混凝土特殊功能的特种建筑材料。特种建筑材料是在 传统建筑材料基础上复合特殊组分，使传统的建筑材料发展为高性能、多功能、 智能化建筑材料。是九十年代建筑材料材料科学的新热点。特种材料按其特性 可分为结构型、功能型和智能型三大类【3 1 。 传统混凝士变革是向高性能、多功能、智能化混凝土发展，其发展的高级 第一章绪论 阶段是结构一功能( 智能) 一体化。发展现代混凝土不可缺少的第六组分，是 现代混凝土技术创新的关键。随着社会物质生活水平的提高，人们对建筑物的 功能需求不断增长，因此要求现代建筑材料要具有多种新的功能，以满足人们 对建筑功能的高级需求。未来社会是智能化的社会一一智能化交通系统、智能 大厦、智能化社区等等。如果建筑材料仍只具有结构承重和保护等传统功能， 通过其他手段提供智能，会使结构复杂昂贵。而使建筑材料结构一功能一体化 是解决上述问题的理想途径。 发展智能型建筑材料是建材业发展战略的重要步骤。它可优化混凝土结构， 使材料性能得到最大程度的发挥和利用：它赋予传统的建筑材料新功能，使经 济的建筑材料有更加广阔的应用领域。因此，智能建筑材料具有广阔的市场前 景。研究和开发智能型建筑材料，需要汇集物理学、声学、电学、生物学等多 学科知识进行攻关，因此，智能型建筑材料属于建筑材料领域高新技术范畴。 传统的建材业通过发展智能型建筑材料将步入科技创新轨道，将使传统工业获 得新的腾飞。智能型建筑材料作为新型建筑材料问世，预示着传统的建筑材料 的变革和发展，它将是2 l 世纪建筑材料的重要组分【3 1 。 混凝土作为最主要的建筑材料，经历了漫长的从普通的结构材料到复合材 料，到功能材料的发展过程，而每一个发展阶段都凝聚了时代科技进步的成果， 并顺应了人们物质和精神生活的需要。目前，随着现代电子信息技术和材料科 学的迅猛发展，促使社会及各个组成部分，如交通系统，办公场所，居住社区 等等向智能化方向发展。混凝土材料作为各项建筑的基础，其智能化的研究和 开发自然成为人们关注的热点。损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生 自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现为智能混凝土的研究和发展打下 了坚实的基础，作为混凝土材料发展的高级阶段，智能混凝土的研究和开发方 兴未艾。智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能组分，使混凝土材 料具有调温、调湿、自动变色、损伤报警、可绿化、自感知、记忆、自适应、 自修复等特征的多功能材料。智能混凝土是智能材料的一个研究分支，它的起 源可以追溯到本世纪6 0 年代，当时苏联学者首先采用碳纤维为导电组分尝试制 备了水泥基复合导电材料。8 0 年代末，日本土木工程界的研究人员设想并着手 2 第一章绪论 开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能建筑材 料。1 9 9 3 年在国家自然基金资助下，美国开办了与土木建筑有关的智能材料与 智能结构的工厂。然而，正如上面所说，智能混凝土材料是自感知和记忆、自 适应、自修复等多种功能的综合，以目前的科技水平，制备完善的智能混凝土 材料是相当的困难的，但至9 0 年代的中期，国内外在机敏混凝土材料的研究方 面作了一些有益的探讨，并取得了一些有价值的成果1 4 1 。 1 2 仿生自愈合混凝土材料的研究背景与现状 当前，对于现代化的基础设施的建设和发展在规模、性能和财政等方面与 过去相比有了很大的变化，技术要求越来越高。怎样对大量的现有基础设施进 行改造和翻新，最大限度的利用现有的资源，是当今世界研究的一个重要焦点。 因此，当今社会在基础设施的管理和新建等各个方面都存在一个可持续发展的 问题。人们预测，如果没有根本性的技术革新和不能充分重视这些问题，几十 年以后社会将负担不了庞大基础设施的维修和管理费用。修补已建混凝土建筑 物比新建工程更难。修补技术与新建工程有相同之处，也有不同之处。不同之 处主要在于老化病害的检测方法，老化病害的危害性评估方法、修补材料和技 术、修补效果评定方法等。近年来，随着技术的进步，建设复杂形状的混凝土 构筑物已成为可能，修补施工也越来越复杂化、大型化，施工量也大大增加。 因此，可持续发展的新技术的开发和研究是2 l 世纪的一大课题。 日常生活中，飞机失事、桥梁或一些关键结构的灾难性故障，都要求找到 出事之前能警示或能预知失事而自动加固、自动修补裂纹的材料。智能材料的 发展就是应人类这方面的需要而产生的。在人类的现实生活中可以见到，人的 皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后， 只要对接好骨缝，断骨就会自动愈合。这些事实都启迪了科学家们对智能材料 的构思。自愈合是生物的重要特征之一。正是因为这种特征生物体才能在任何 需要的时候及时的治疗伤口，它也是生物适应环境的一种表现。自愈合的核心 是物质和能量补给，其过程由生长活性因子来完成。所谓自愈合首先就要有自 感应，这种感应可以通过多种方式来实现，在生物体中是神经系统，而在混凝 土中就是应该是应力阴。 第一章绪论 骨骼是生物体自愈合功能的典型例子。骨折后断裂处的血管破裂，血液由 血管的撕裂处流出，形成以裂口为中心的血凝块，称为破裂凝块，初步将裂口 连接，接着形成由新生骨组织组成的骨痂于裂口区内和周围，裂口附近的确良 骨内膜和骨外膜开始增生和加厚，成骨细胞大量生长而爬山制造出新的确良骨 组织称为骨痂，然后中间骨痂和内外骨痂合并，在成骨细胞和破骨细胞的共同 作用下将原始骨痂逐渐改造成正常骨【s j 。据此，科学工作者们设想具有自修复行 为的智能材料模型为，在材料在基体中布有许多细小纤维的管道，管中装有可 流动的物质一修复剂。在外界环境作用下，一旦材料基体开裂，则纤维随即裂 开，其内装的修复剂流淌到开裂处，由化学作用自动实现粘合，从而抑制开裂 修复材料。自愈合仿生混凝土则是根据这一模型模仿生物组织对受创伤部位自 动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特 殊组分( 如含粘结剂的液芯纤维或胶囊) 在混凝土内部形成智能型仿生自愈合 神经网络系统，当混凝土材料出现裂纹时，部分液芯纤维或胶囊破裂，粘结液 流出深入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。自愈合仿生混凝土属于智能 型仿生材料范畴f 1 2 】( 1 3 】【1 引。 自九十年代中期，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成果。如相继出现的水泥基导电复合材料、水泥基磁性 复合材料、具有屏蔽磁场和电磁波的水泥基复合材料、损伤自诊断水泥基复合 材料、自动调节环境温、湿度的水泥基复合材料等。英国伊利斯诺大学的建筑 研究中心开发出的“自诊断 纤维，这种纤维能感知混凝土中的裂纹和钢筋的 腐蚀。加拿大多伦多大学的专家们成功研制成一种“聪明混凝土 ，可通过电脑 遥控和监视桥梁的情况，大大减少桥梁的维修工作【1 7 】【1 8 1c z 3 l 。但是如何实时快速 地愈合混凝土材料内部的损伤，以及对自愈合混凝土的机理研究，目前只有美 国、日本等少数国家处于实验室探索阶段，尚未取得实质性的进展。如美国的 c d r y 和n 。r s o t t o s ，对自愈合混凝土的强度损失、渗透等性能进行了研究【4 7 5 1 1 。 日本东北大学的三桥博三教授主要应用稀释水玻璃、环氧树脂等粘接剂对自愈 合混凝土的强度损失进行了研究，并在1 9 9 5 年起陆续有文章发表【3 1 4 2 】。我国有 关仿生智能型混凝土材料的研究迄今未见报导。 4 第一章绪论 在实际工程中，对于那些由地震、沉降或冲击等外部荷载所导致的宏观破 坏能够通过肉眼发现并且通过灌浆等外部手段进行手工修复。此外在工程检测 中，我们也常用超声波和放射线照相术等无损检测技术对混凝土的内部损伤进 行探测。但是由于这些技术的局限性，有些诸如基体的微开裂等微观范围的损 伤有可能不能被探测。对于那些不能探测到的损伤，想用外部修复手段进行修 复是非常困难的。自愈合混凝土的研制对这类裂缝的修复将会产生意想不到的 效果。 目前仿生自愈合混凝土的研制是在混凝土传统组分中复合特殊组分( 如含 粘结剂的空心纤维) ，当混凝土材料出现裂纹时，部分空心纤维破裂，粘结液流 出深入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。如图1 一l 所示。甜。 图l l 仿生自愈合混凝土示意图 a ：内含修补剂的玻璃管被事先埋藏于混凝土内。 b ：裂缝的发生使玻璃管破裂，修补剂流出。 c ：流出的修补剂修复了裂缝。 。仿生自愈合混凝土的研究主要集中在空心修复纤维如何在基体中的分布和 随后的化学制品的释放，通过这些化学制品密封基体的微裂缝以及使损伤界面 重新愈合，通过这些达到控制开裂的目的。具有的机敏性自愈合能力的材料有 以下几部分组成：嘧1 1 一种内部损坏的因素，诸如一个导致开裂的动力荷载。 2 一种用于修复的纤维。 3 一种修复用化学制品。 4 使基体中的化学制品固化的一种方法 在这些初期的工作中，通过实验分析研究了被埋入基体中的修复纤维中的 第一章绪论 化学制品的释放机理。研究发现采用修复纤维和随后的修复化学制品的释放的 方法来控制开裂的行为可以通过在空心修复纤维中加入合适粘结剂的方法来完 成。 在修复过程中一些因素对混凝土材料的修复过程及效果非常重要，影响自 修复的主要因素有：a ：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。b ：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。c ：修复后的强度与原始强度的比值是评 价修复的重要依据，它特别与修复剂的粘结强度有很大关系。d ：此外粘结质 量、粘结剂的渗透效果、管内压力也对自修复作用产生很大的影响“司n 蚰。 1 3 目前存在的问题 虽然国外一些学者们对自愈合混凝土的研究做了不少工作，但这些研究的 对象和内容往往局限于其中的某一方面，未能将混凝土材料作为结构材料而体 现出来：同时在理论研究方面，也很少有从微观角度，按工程需要的性能来设 计材料。对于自愈合混凝土的研制，在内部损坏的因素，诸如导致开裂的动力 荷载：有关修复粘结剂的选择：封入的方法：流出量的调整：释放机理的研究； 纤维内部化学制品的运送方式：不同纤维的选择：纤维的埋入方式和体积大小； 分布特性；其与混凝土的断裂匹配的相容性：基体中化学制品的硬化方法；愈 合后混凝土耐久性能的改善等问题，研究尚不完全，还有大量的工作需要做。 特别是对自愈合混凝土在实际生产中的制备和应用上所存在的问题，以上这些 方法目前尚不能很好的解决。解决好这一问题将对自愈合混凝土今后的发展产 生深远的影响。 1 4 文本的研究工作 如上所述，自愈合混凝土的研究在国外尚属于实验室探索阶段，而国内在 这方面的研究还是一个空白。本文课题来源于教育部科学技术研究重点项目“自 愈合仿生混凝土的研究 。 1 4 1 课题研究的目的和意义 6 第一章绪论 随着现代材料科学的不断进步，作为最主要建筑结构材料之一的混凝土己 逐渐向高强、高性能、多功能和智能化方向发展，用它建造的混凝土结构也趋 于大型化和复杂化。然而混凝土材料的固有缺陷是脆性大，在使用过程和周围 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 时进行修复，不但会影响结构的正常使用性能和缩短使用寿命，而且可能由此 引发宏观裂缝并出现脆性断裂，产生严重的灾难性事故，给社会造成难以挽回 的经济损失。 过去对混凝土材料的修复形式主要是事后维修和定时维修，随着现代社会 向智能化发展，这种停留在被动和计划模式下的修复方式已不能适应现代多功 能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此研究和开发新型自愈合仿生混凝 土、使其能够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性 能已成为智能混凝土的发展趋势并将成为新型建筑材料科研和实际应用的热 点。 自愈合仿生混凝土属于智能型仿生材料范畴，其研究工作具有三个显著的 特点：其一、结构安全先导性研究。随着现代社会文明程度的提高，人们对大 型构筑物和重要建筑物结构完整性及安全性的要求愈来愈高，促使工程技术研 究人员重视材料损伤和自愈合的研究，以超前意识确保结构材料的安全性，延 长构筑物使用寿命。其二、多学科交叉性研究。自愈合仿生混凝土材料的研究 需要涉及到有机、力学、优化理论等多学科领域的应用。其三、瞄准材料学科 前沿热点。研究内容涉及仿生智能型第六组分的研制、自愈合混凝土的设计及 自愈合的激励响应机制等，都是国内外处于前沿的研究课题。在现代建筑向智 能化发展的背景下，自愈合仿生混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术也愈 加引起人们的重视，通过对其基础理论及其应用技术深入研究将使传统的混凝 土材料发展步入科技创新轨道，使传统混凝土学科获得新的、突破性的飞跃。 1 4 2 本文的研究思路 本文研究的自愈合仿生混凝土是模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种 物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分( 含 粘结剂的液芯纤维) 在混凝内部形成智能型仿生自愈合系统，当混凝土材料 7 第一章绪 论 出现裂纹时，部分液芯纤维破裂，粘结液流出深入裂缝，粘结液可使混凝土裂 缝重新愈合。 在研制过程中，首先，胶粘剂的选取对材料的修复作用将产生很大的影响， 不同的胶粘剂，由于其愈合速度、愈合强度、愈合条件和粘度等性能的不同， 愈合后也将产生不同的修复效果。因此，为了在不同的场合选用合适的胶粘剂， 以及为了比较不同特色的胶粘剂愈合效果，我们选用愈合速度快的丙烯酸酯、 单组分的聚氨酯和强度较高的通用型的环氧树脂等胶粘剂进行实验，选择适合 对材料进行愈合的胶粘剂。 其次，由于所选用的纤维材料与基体材料的性能匹配在愈合过程中是很重要 的，纤维的断裂直接影响材料的修复功能。因此，本文针对玻璃材料和水泥基 材料的脆性性能非常接近这一特征，选用空心玻璃纤维进行性能匹配实验，另 外，为避开和基材脆性相匹配这一障碍，首次选用塑料空心纤维材料，并对塑 料纤维进行愈合的可能性进行了实验研究，提出了新的纤维愈合工艺。 再次，目前对材料修复后效果的评价依据主要是材料修复后的强度与原始强 度的比值，在其他方面研究甚少，而材料愈合后的声发射特征和材料的断面形 貌都携带了大量的材料修复信息，因此，为了多面验证愈合效果，实验从不同 的方面，采用i n s t r o n 电液司服万能实验机、声发射仪和图像分析仪等不同的 研究手段和方法对自愈合混凝土的愈合原因和效果进行分析。 最后，由于目前对自愈合材料的断裂韧性和界面状况的研究还少有人进行， 本文针对材料愈合后的断裂韧性得以改善这一特征，对材料的界面脱粘状况进 行了研究分析，提出应用演化计算的方法对自愈合材料的断裂界面进行优化， 从而使材料达到最大宏观断裂韧性。 1 4 3 本文研究内容 1 讨论了丙烯酸酯、聚氨酯和环氧树脂等不同修复剂的性能，通过对修复 剂的粘结强度、流动度和愈合速度等方面的测试，选择符合混凝土愈合条件和 性能的修复剂。此外，对不同类型的修复纤维与基体材料的性能匹配；匹配纤 维的掺量、型号、分布特性和随之带来的强度损失等对混凝土材料的修复性能 的影响进行了研究，实现了自愈合材料组分优化配伍。 8 第一章绪论 2 为了评价仿生自愈合混凝土材料修复前后的效果，通过使用i n s t r o n 电液 司服万能实验机对愈合前后的材料进行断裂试验，测试了材料愈合前后的强度 恢复率。其次，利用声发射仪对材料内部损伤的监测，分析了混凝土愈合后的 愈合性能。 3 利用图像分析系统研究了自愈合混凝土材料的界面特征，定量分析了使 用不同的修复方案，其修复剂在界面上的流出面积和渗透效果，研究了愈合强 度和流出面积的关系，并且确立了最佳的纤维分布。 4 通过实验观察和对材料各种测试数据的分析，找出了自愈合混凝土断裂 韧性得到改善的原因，讨论了材料界面脱粘破坏的机理。利用i n s t r o n 电液司服 万能实验机测试分析了材料的断裂韧性；同时还借助图像分析系统测量了材料 界面的脱粘面积；最后运用演化计算的建模和优化设计的方法对自愈合混凝土 的界面进行优化设计，并且编制了相应的程序，从而得出材料的最佳断裂韧性。 9 第二章自愈合混凝土组分材料的研究 第二章自愈合混凝土组分材料的研究 2 1 引言 在诸多建筑加固修复工程中，建筑胶粘剂扮演着一个非常重要的角色，在建 筑工程中得到越来越广泛的应用。在自愈合混凝土中使用的修复剂，由于不同 的修复剂其愈合速度、愈合强度、愈合条件和粘度等性能的不同，对材料的愈 合作用也将产生不同的影响【7 引。 环氧树脂修复剂作为作建筑工程中使用最为广泛的修复剂之一，它具有很多 优异的性能【7 1 1 7 2 1 8 0 l ：1 粘合力强。其化学结构中含有脂肪族羟基、丙醚基和极 为活泼的环氧基，能与介质表面反应，形成化学键。2 收缩率小。环氧树脂固化 时无副产物生成，是热固性树脂中收缩率较小的一种，只有l 2 。3 工艺 性能好。环氧树脂可以配制不同粘度和形式的建筑用胶粘剂。4 稳定性高。环氧 树脂固化前可长期保存，固化后的产物化学性质很稳定，耐介质，耐老化性优 良，机械强度高。5 耐介质性能优良，电绝缘性能良好。基于以上原因，环氧树 脂修复剂在建筑上的应用主要体现在：1 补强加固：建筑物的钢筋混凝土结构由 于设计或施工的失误，以及使用中遭受破坏等原因，导致结构承载力下降，在 梁柱处出现裂纹，这时