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自修复水泥基复合材料 卢静娴 无痛注射针头 来自蚊子吸管的灵感 日本新干线 来自翠鸟喙的灵感 自愈合混凝土 来自人皮肤的灵感 来自鲨鱼皮肤的灵感 抑菌材料 源自自然的灵感 主要内容 研究背景 概述 分类 存在的问题与发展前景 4 1 2 3 有关自修复水泥基复合材料将涉及 一 研究背景 应用 损伤自诊断混凝土自调节智能混凝土温度自控智能混凝土自修复智能混凝土反射 吸收电磁波智能混凝土 复合智能型组分 碳纤维 光导纤维 形状记忆合金 沸石粉 含粘结剂的液芯纤维或胶囊等 功能 预报内部损伤实现自身安全检测防止潜在脆性破坏实现自动修复提高结构安全性 耐久性 自诊断自调节自修复 智能混凝土 智能混凝土 一 研究背景 裂缝修复现状 修复方式 修复的主要形式 修复的主要方法 事后维修 定时维修 表面涂抹砂浆 环氧胶泥 水泥灌浆 化学灌注 钢筋加固 预应力加固 混凝土是目前用量最多的建筑材料 混凝土是一种多孔性的脆性材料 在使用过程和周围环境的影响下不可避免地会产生裂缝和局部损伤 轻者会降低结构的使用寿命 重者则危及结构的安全 对于使用在结构中的混凝土裂缝的修复是一个长期困扰着建筑技术人员的技术难题 混凝土裂缝的修复 一 研究背景 二 概述 自修复混凝土定义 模仿生物组织损伤愈合的机能 在水泥基体中预埋入特殊组分 形成智能型自修复系统 在基体产生损伤裂纹时 埋植于内部的修复体系在力 热或化学破坏下释放修复剂 粘结封堵裂纹 阻止裂纹进一步扩展 从而达到修复目的 特点 与传统的修复技术相比 它具有成本低廉 不依靠外界操作 可再生等优势 要求 在仿生自修复中 需要相对较快的反应 以在一定程度上重建结构的完整 或阻止开裂的进一步发展 二 概述 20世纪90年代初日本东北大学学者三桥博三教授将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中 分别用水玻璃 稀释水玻璃和环氧树脂作为修复剂 将其注入空心胶囊或空心玻璃纤维中 当混凝土在外力作用下发生开裂 部分胶囊或空心纤维发生破裂 胶粘剂流出渗入裂缝可使混凝土裂缝重新愈合 1994年美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry教授 将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到空心玻璃纤维或者空心玻璃短管内 放入到混凝土中 从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统 1996年美国Illinois大学的ATRE实验室在混凝土桥面内预装有低模量的内含修复胶粘剂的修复管当混凝土产生横向收缩时 横向收缩应变使管破修复胶粘剂从管中留出 填充愈合桥面的裂管裂缝 美国加州大学伯克利分校的日本学者J SRyu和东京理工大学的NobuakiOtsuki教授 研究了利用电化学技术对钢筋混凝土裂缝实施愈合 并取得了一定实验性成果 国外研究发展现状 二 概述 国内研究现状 1997年 南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室研究了利用形状记忆合金 SMA丝 和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断 自修复的方法 2001年 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 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 设计出了复合材料诊断与修复系统 同济大学模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能 在混凝土传统组分中复合特殊组分 如仿生传感器 含胶粘剂的液芯纤维等 使混凝土内部形成智能型仿生自诊断 自愈合网络系统 福州大学刘承超等对自修复混凝土进行了初步的理论研究 哈尔滨工业大学欧进萍等 对内置胶囊混凝土的裂缝自愈合行为进行了分析和试验 三 分类 自修复混凝土可分为 形状记忆合金混凝土自修复 利用形状记忆合金的驱动特性修复混凝土 利用形状记忆合金的驱动特性 通过电加热的方法 产生收缩变形 从而达到修复混凝土的目的 当加热温度超过形状记忆合金的相变温度时 混凝土发生明显的恢复变形 裂缝基本闭合 达到良好的修复效果 目的 方法 预期结果 试验设计 混凝土梁试件尺寸为 50mm 70mm 1000mm 混凝土配合比 水泥 砂 石子 水 0 47 1 1 28 2 378 水泥强度等级为42 5MPa 碎石最大粒径为10mm 在混凝土梁中沿梁长度方向埋入Ni Ti形状记忆合金 结果分析 由图中可以看出 混凝土开裂前 荷载大部分由混凝土承受 混凝土开裂以后 受拉区混凝土退出工作 对于L 1试件荷载由钢筋承受 对于L 2试件荷载由钢筋及SMA绞线共同承受 结果分析 采用通电方式激励SMA丝 电流由大功率的直流稳压电源提供 电压强度为5V 裂纹宽度 左跨跨中底部裂缝宽度修复前为1 18mm 修复后为0 48mm右跨跨中底部裂缝宽度修复前为1 33mm 修复后为0 54mm 将胶黏剂注入到中空玻璃纤维并埋到混凝土中 从而形成智能仿生自愈合网络系统 当混凝土结构在外部荷载和环境作用下出现损伤和裂纹时 纤维内胶黏剂流出渗入裂纹 化学作用下胶黏剂发生固化 从而抑制开裂 进一步修复裂纹 自愈合后的混凝土强度和延性都得到了提高 制备原理 水泥浆胶体与玻璃纤维管接触表面的化学粘着力 混凝土硬结 将玻璃纤维紧紧包裹的摩擦力 玻璃线膨胀系数 1 10 5混凝土线膨胀系数 1 0 1 4 1 10 5 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 能长时间储存各种修复胶结剂而不发生化学反应 修复纤维在混凝土中工作的基础 粘结作用 变形协调作用 化学稳定性 材料性能的匹配 玻璃纤维为典型的脆性材料 没有屈服延伸阶段 只要裂缝贯穿玻璃纤维 玻璃纤维马上破裂 试验设计 砂浆为基体材料水灰比为0 44 灰砂比为1 2 5 龄期为28天 试件尺寸 40mm 40mm 160mm 空心玻璃纤维外径2mm 壁厚0 5mm 长160mm 注入聚氨酯 丙烯酸酯作为修复剂 试样在INSTRON8501万能试验机上进行三点弯曲试验 实验过程 实验结果分析 由图可得 修复前材料呈脆性 经修复剂修复后 其脆性有所改善 其中经丙烯酸酯修复的试件其脆性改善效果较大 试件断裂能明显增加 经聚氨酯修复后的试件荷载 挠度曲线 其下降段虽不如丙烯酸酯缓慢 但较之未修复的试件 其韧性已得到了极大的改善 与混凝土力学性能的匹配 化学性质稳定 胶囊的数量要控制好 胶囊的直径 壁厚 长度等几何参数要适宜 M2 M4 M3 修复胶囊的选择 M1 易于运输储藏 环境污染少 试验设计 材料 P O42 5普通硅酸盐水泥 玄武岩短切纤维 自制脲醛 环氧树脂微胶囊固化剂 MC120固化剂粉末 四乙烯五胺固化剂 试样制备 将玄武岩纤维与水泥 脲醛 环氧树脂微胶囊 MC120固化剂粉末混合 在水泥净浆搅拌机上慢速搅拌3min 待各物质均匀混合后 加入水和四乙烯五胺固化剂继续搅拌 搅拌结束后将复合材料浆体装入的三联模 标准养护箱养护1天后拆模 放于标准养护池水中养护至特定龄期后进行相关性能测试 性能测试 微胶囊质量分数影响实验 试样中微胶囊质量分数分别为0 3 6 9 水灰比为0 3 微胶囊粒径影响实验 试样中微胶囊平均粒径分别为60 135 223 313 486 m 微胶囊质量分数为3 水灰质量比为0 3 自修复性能实验 制备如下图4种水泥试样 分别对4种材料进行抗折强度和抗压强度测试 计算4种复合材料的抗折强度和抗压强度的修复率和恢复率 微胶囊对微胶囊 水泥复合材料力学性能影响 抗折强度随着微胶囊质量分数增加呈现出先增加后减小的趋势 抗压强度则呈现下降趋势 当微胶囊平均粒径在200 m左右的条件下 微胶囊自修复效果较好 微胶囊 玄武岩纤维 水泥复合材料自修复实验 复合材料经损伤后修复 抗折强度修复率为117 恢复率为103 抗压强度修复率为71 恢复率为97 脲醛 环氧树脂微胶囊破裂后修复剂流出粘合水泥基体中的裂缝 实现了水泥复合材料的自修复 尿素酶 嗜碱微生物巴氏芽孢杆菌 氨 CO2 CaCO3 制造 水解 沉积 氨增加了环境PH值 造成CaCO3的沉积 裂纹修复的过程即CaCO3沉积的过程 包括一系列的生化反应 角色 微生物修复是微生物新陈代谢引起的 具有纯天然无污染的特点 裂纹自修复的机制应能在混凝土的服役寿命期间不断地发挥作用 而水泥基裂纹微生物修复技术在此方面具有很大的潜力 因为假如条件合适微生物就可以持续繁衍微生物修复技术因不仅可以实现对己建结构的裂纹进行修复 而且还具备对新建结构的智能自修复的潜力 因此越来越受到关注 四 存在的问题与发展前景 亟需解决的问题 修复纤维和修复胶囊的选择 修复材料的数量 修复材料的时效 修复剂的补给 裂缝宽度的控制 修复剂的传输 四 存在的问题与发展前景 修复纤维 胶囊的选择 修复材料的数量 修复材料太少不能形成完全修复 多了对混凝土材料的宏观性能有一定的影响 应进一步研究由于修复材料的掺入给混凝土性能带来的不利影响 同时结合修复后混凝土的强度回复率 裂缝封闭率 混凝土的耐久性以及断裂能等 确定其数量的最佳取值范围 制备工艺复杂 与混凝土原材料共同搅拌易破裂 进一步研制和开发一种强度较低 性能与混凝土材料性能相匹配的智能材料来取代现有的玻璃修复胶囊和玻璃修复纤维是必须解决的问题 四 存在的问题与发展前景 修复材料的时效 修复剂的补给 在裂缝修复时 当一条裂缝愈合 必然在修复纤维中出现一个 空位 尽管此时新缺陷的危险性小于原裂缝 但显然会影响材料性能 对修复过程中的修复剂的补给应进一步的研究 建立快速的补给体系 以保证损伤处有足够多的修复剂 对于多次修复的可行性也有待于进一步深入地研究和讨论 所有的修复方法都牵涉到时间落后的问题 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 应对形状记忆合金和修复胶勃剂的性能进行深一步的研究 提高形状记忆合金的响应速度 研制和开发低豁度 快速硬化的修复胶黏剂 四 存在的问题与发展前景 修复剂的传输 裂缝宽度的控制 裂缝宽度必须控制 否则的话 将需要大量的修复管 这将影响混凝土的性能 裂缝过宽 修复剂将顺着裂缝面在重力作用往下流 而不会在裂缝面上渗透 修复效果差 而且纤维管上方的裂缝也无法修复 裂缝宽度应该被限制在小于修复管的内直径范围内 要想达到理想的修复效果 实现裂缝的快速地在线修复 对控制裂缝宽度的方法进行深一层的研究具有现实意义 在自修复过程中修复剂的传输仅靠其自身的渗透是一个很缓慢甚至较难进行的过程 应向修复管道内施加适当的压力 以促进修复剂的流动 管内压力与修复质量关系 管内压力与修复范围的关系 以及修复剂的释放速度等这些问题有待于进一步研究 四 存在问题与发展前景 采用学科交叉的思路 建立相关自愈合技术的理论模型 多学科领域之间的合作交流 协作分工 采