自愈合與自修復混凝土

1、自修復和自愈合混凝土Self-healing and Self-repairingConcrete 1.自愈合混凝土的研究背景2.自愈合混凝土的概述3.自愈合混凝土的分類 3.1自然自愈合 3.2微生物自愈合 3.3纖維增強自愈合 3.4微膠囊自修復 4.自愈合混凝土常用材料5.自愈合混凝土展望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(nèi)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。水泥混凝

2、土常見病害實例圖截至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)12.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。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23.1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

3、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。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水泥基材料活性微生物細菌自主愈合體5-7圖為微生物礦化產(chǎn)物SEM圖4微生物自愈合微生物自愈合混凝土修復實例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(zhì)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

4、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(zhì)不影響水泥水化及混凝土其它性能。3.3纖維膠液管自愈合內(nèi)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(nèi)置纖維膠液管自愈合混凝土8玻璃纖維管載體9(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表2 修復前后裂縫的開展8纖維管破裂釋放修復劑雙組分環(huán)氧樹脂修復實例圖8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）

5、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(zhì)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(zhì)穩(wěn)定耐久性好、良好 的流動性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

6、度恢復率，%ff經(jīng)預壓的基準混凝土試件48 h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 48 h 后抗折強度，MPafffffffffR01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，%0011PPPRP（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

7、、氫氧 化鈣、堿硅酸溶液等（3）活性微生物細菌修復劑104.自愈合混凝土常用材料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。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

8、復混凝土的研究進展J.材料導報:綜述篇.2014,28(6);1353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);244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),621-6265JONKERS H M.Becteria-based self-healing concretJ.Heron,2011,56(1/2):1-206WIKTOR V,JONKERS H M,Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing

9、concretJ.CemConer Compos,2011,339(7):763-7707RINCON P.KEY test for rehealable concret OB/L. http:/www.bbc.co.uk/news/science-environment-201213038匡亞川,歐進萍.內(nèi)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),53-59,9THAO T D P.Quasi-brittle Self-Healing Materials;Numerical Modelling and Application in Civil EngineeringD.Singapore;National University of Singapore,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):156-16811WHITE S R,SOTTOS N