自愈合與自修復混凝土

關于自愈合與自修復混凝土第1頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六1.自愈合（自修復）混凝土研究背景

水泥混凝土路面具有強度高，穩(wěn)定性好、耐久性好、使用壽命長、養(yǎng)護費用少等優(yōu)點。但是目前硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥混凝土在使用過程中容易出現(xiàn)發(fā)生：堿骨料反應產(chǎn)生膨脹應力使混凝土自身脹裂、水化熱過高結構混凝土產(chǎn)生內應力造成裂縫以及在使用期間超高載荷下產(chǎn)生裂縫等病害。第2頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六水泥混凝土常見病害實例圖第3頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六截至2014年底，中國公路總里程達到446.39萬公里，較2013年末增加10.77萬公里，養(yǎng)護經(jīng)費支出469.2億元，增長了20.31%[1]。表1：2013-2014年中國收費公路支出構成(單位：億元)[1]第4頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六2.仿生自愈合（自修復）混凝土概述自愈合混凝土是模仿動物的組織結構受創(chuàng)傷后的再生，恢復機理，采用修復膠粘劑和混凝土材料相復合的方法，對材料損傷破壞具有自修復和再生的功能，恢復甚至提高材料性能的一種新型復合材料。第5頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六3.自愈合混凝土分類根據(jù)修復原理，自愈合混凝土可分為:自然自愈合微生物自愈合纖維膠液管自愈合

微膠囊自愈合[2]第6頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六3.1自然自愈合自然自愈合是指混凝土損傷部位中未水化或水化不充分的膠凝材料加速水化或進一步反應生成新的反應產(chǎn)物彌合裂縫的過程[3]。第7頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六3.2微生物自愈合微生物自愈合指：用硅膠、聚氨酯或者多孔的黏土顆粒來封裝活性微生物細菌和其生長所需原料，在攪拌初期加入混凝土中，裂紋出現(xiàn)時，在適宜的環(huán)境條件下，載體破裂，活性微生物在水泥基材料環(huán)境下進行新陳代謝產(chǎn)生方解石（CaCO3）沉淀，達到愈合裂紋的目的。細菌礦化機理[4]第8頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六水泥基材料活性微生物細菌自主愈合體[5-7]第9頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六圖為微生物礦化產(chǎn)物SEM圖[4]第10頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六微生物自愈合微生物自愈合混凝土修復實例第11頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六微生物自修復技術要求：（1）微生物必須是耐堿細菌。（2）微生物分解營養(yǎng)物質必須是在有氧條件下（需氧型細菌）。（3）微生物除代謝CaCO3外無其他代謝產(chǎn)物或者其余代謝產(chǎn)物對混凝土本身性能無影響。（4）微生物營養(yǎng)物質不影響水泥水化及混凝土其它性能。第12頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六3.3纖維膠液管自愈合內置纖維膠液管裂縫自愈合混凝土,是根據(jù)人體傷口由"破裂—流血—凝結—愈合"的過程,在混凝土中沿受拉方向分層布置一些注有高分子修復膠粘劑的纖維管,作為愈合管道,使膠粘劑在混凝土中長期保持性能穩(wěn)定[8]。圖為內置纖維膠液管自愈合混凝土[8]玻璃纖維管載體[9]第13頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六(a)試件裝置示意圖(b)單組分修復劑混凝土橫切面圖(c)雙組分修復劑混凝土橫切面第14頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六表2修復前后裂縫的開展[8]第15頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六纖維管破裂釋放修復劑雙組分環(huán)氧樹脂修復實例圖[8]第16頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六纖維管自修復技術要求：（1）修復纖維與混凝土基體的性能匹配，特別是力學性能的匹配。（2）修復纖維和混凝土材料的溫度膨脹系數(shù)應接近。（3）修復纖維應具有化學性質穩(wěn)定、能在混凝土中長期保存,且強度不變,也不影響混凝土的性能等特性。（4）修復劑固化條件簡單、化學性質穩(wěn)定耐久性好、良好的流動性第17頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六3.4微膠囊自愈合微膠囊自愈合是將修復劑封裝到微膠囊中，在拌合時均勻地分散到混凝土中，當混凝土發(fā)生裂紋時，微膠囊破裂釋放出修復劑，當修復劑遇到催化劑，發(fā)生聚合反應進而膠結裂紋面。[10]第18頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六聚合物材料膠囊法自愈合原理[11]微膠囊外觀SEM圖[12]微膠囊切面SEM圖[12]第19頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六三分點彎曲預加載示意[12]不同壓力預載處理的混凝土試件的抗折強度[12]第20頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六自愈合混凝土性能評價指標1.抗折強度修復率：Rf——摻加修復微膠囊的混凝土抗折強度恢復率，%ff——經(jīng)預壓的基準混凝土試件48h后抗折強度，MPaff0——未預壓的基準混凝土試件的抗折強度，MPaff1——經(jīng)預壓的摻加修復微膠囊混凝土試件48h后抗折強度，MPa第21頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六自愈合混凝土性能評價指標

2.動彈性模量的恢復率：Rp——自修復試件的動彈性模量恢復率，%P0——基準混凝土試件的相對動彈性模量，%P1——摻加修復微膠囊混凝土試件的相對動彈性模量，%第22頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六（1）聚合物修復劑：主要包括環(huán)氧樹脂、氰基丙烯酸鹽黏合劑、氯丁橡膠膠黏劑、聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、聚氨酯(PU)、雙環(huán)戊二烯(DCPD)、桐油等。（2）無機類修復劑：主要包括硅酸鈉溶液、水分、氫氧化鈣、堿硅酸溶液等（3）活性微生物細菌修復劑[10]4.自愈合混凝土常用材料第23頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六5.自愈合混凝土的展望混凝土自主愈合系統(tǒng)為基體微裂縫的修復和有效地延緩潛在的危害提供了一種新的方法，該系統(tǒng)將免去人工的監(jiān)測和外部修補所需的高額費用，節(jié)省建筑結構運行費用，混凝土材料的使用壽命也將延長。自愈合混凝土作為一種智能混凝土材料，是混凝土材料結構－智能一體化的重要組成部分，在重大土木基礎設施的及時修復等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全性和提高耐久性都極具重要性。第24頁，共26頁，2022年，5月20日，7點8分，星期六參考文獻：[1]交通運輸部發(fā)布《2014年全國收費公路統(tǒng)計公報》[J];交通企業(yè)管理，2015.（323）[2]孫道勝，陳遠遠，王愛國，孫鵬,肖力.自愈合和自修復混凝土的研究進展[J].材料導報Ａ:綜述篇.2014,28(6);135[3]姚武，鐘文慧．混凝土損傷自愈合的機理[J]．材料研究學報,2006,20(1);24[4]錢春香，羅勉，潘慶峰，李瑞陽.自修復混凝土中微生物礦化方解石的形成機理[J].硅酸鹽學報,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[8]匡亞川,歐進萍.內置纖維膠液管鋼筋混凝土梁裂縫自愈合行為試驗和分析[J].土木工程學報.2005.38(4),53-59,[9]THAOTDP.Quasi-brittleSelf-HealingMaterials;NumericalModellingandApplicationinCivilEngineering[D].Singapore;NationalUniversityofSingapore,2011.[10]呂忠，陳惠蘇.水泥基材料裂縫自主愈合研究進展[J].硅酸鹽學報.2014,42(2):156-168[11]WHITESR,SOTTOSNR,GEUBELLEPH,etal.Auton