自愈合混凝土簡(jiǎn)介

自愈合混凝土簡(jiǎn)介姓名：賈策能班級(jí)：材料0902學(xué)號(hào)：1101090214摘要所謂自愈合是指混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂與其本身會(huì)自動(dòng)修復(fù)裂紋。本文介紹了混凝土裂縫自愈合的相關(guān)研究，包括自愈合技術(shù)路線和自愈合機(jī)理，然后進(jìn)行了總結(jié)分析，并對(duì)這一領(lǐng)域的研究進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞裂縫自愈合混凝土Self-healingconcreteLntroductionAbstractSelf-healingofconcretemeansconcretewillrepairitselfoncetheconcretestructurecracking.Thispaperwillshowyoustudiesrelatedtocrackself-healingofconcrete,includingthetechnicalrouteandmechanismoftheself-healingconcrete.Thensummarizedandanalyzedthemresearchinthisfieldwereprospected.KEYWORDcrackself-healingconcrete1引言混凝土結(jié)構(gòu)失效的主要原因是微裂縫的擴(kuò)展，所以及時(shí)對(duì)擴(kuò)展裂縫進(jìn)行修復(fù)就可以很好地減緩失效。但若采用人工修復(fù)技術(shù)不僅延誤了最佳修復(fù)時(shí)間，并且耗費(fèi)人力財(cái)力。如果混凝土能在產(chǎn)生裂縫后立刻做出反應(yīng)自行愈合，那么結(jié)構(gòu)修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性和有效性就會(huì)大大提高。1925年學(xué)者Abrams[1]第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了混凝土的自行愈合現(xiàn)象，開(kāi)裂試件在戶外放置8a后愈合了裂縫，并提高了抗壓強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)使通過(guò)混凝土自愈合而修復(fù)結(jié)構(gòu)變得可行。因此，一些學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行混凝土裂縫自愈合的研究。2自愈合技術(shù)路線目前，實(shí)現(xiàn)裂縫自愈合的技術(shù)路線有三種。2.1內(nèi)置液芯肢囊法在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或空心纖維破裂，粘結(jié)液流出深入裂縫，粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。如圖1⑵所示。

匡1內(nèi)皆膠囊仿生白虺合混凝十自愈合機(jī)■理示意圖日:內(nèi)含愜補(bǔ)利的膠類(lèi)被事先坪藏「混凝土內(nèi)土:裂繾的發(fā)生研究集中在空心修復(fù)纖維如何在基體中的分布和隨后的化學(xué)制品的釋放，通過(guò)這些化學(xué)制品密封基體的微裂縫以及使損傷界面重新愈合，通過(guò)這些達(dá)到控制開(kāi)裂的目的。具有的機(jī)敏性自愈合能力的材料有以下幾部分組成：1） 一種內(nèi)部損壞的因素+諸如一個(gè)導(dǎo)致開(kāi)裂的動(dòng)力荷載。2） 一種釋放修復(fù)化學(xué)制品的刺激物。3） 一種用于修復(fù)的纖維。4） 一種修復(fù)用化學(xué)制品，它能對(duì)刺激物產(chǎn)生反應(yīng)，發(fā)生移動(dòng)或是變化；5） 在纖維內(nèi)部的推動(dòng)化學(xué)制品的因素。6） 在交叉連接聚合體的情況下，使基體中的化學(xué)制品固化的一種方法或在單體的情況下干燥基體的一種方法。2.2多孔纖維網(wǎng)修復(fù)法在含有單聚物的磷酸鈣水泥基材中加人多孔的編制纖維網(wǎng)。一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分纖維網(wǎng)破裂，粘結(jié)液流出深入裂縫，粘結(jié)液可使混凝水氾基體和量-聚掄*11：多禮纖雄網(wǎng)圖2仿自愈合水泥基材料的租成及其作用機(jī)理（1）聚合反應(yīng)引發(fā)劑群放.勺基體中的單聚物反應(yīng)以）形成高聚物并釋放出水分〔3）聚合反應(yīng)釋放出水分與水泥反應(yīng)（4）醪社液以纖維中流出可以修補(bǔ)材料內(nèi)部的微裂縫

土裂縫重新愈合。2.3內(nèi)摻有機(jī)化合物法在硅酸鹽水泥中摻人特殊有機(jī)化合物，并攪拌均勻.生成所謂“生物水泥”。其中一種有機(jī)化合物按要求使用時(shí)會(huì)形成?種含鹽度比普通地下水大得多的溶液，該液體攜帶材料中，即開(kāi)始可以順?biāo)畨阂部赡娴挠袡C(jī)化合物樹(shù)脂，在堿性和含OH液，該液體攜帶材料中，即開(kāi)始可以順?biāo)畨阂部赡娴挠袡C(jī)化合物樹(shù)脂，在堿性和含OH有緩慢硬化的脂被己硬化的包囊，一旦有裂圖3水泥基材料的損傷自愈合小意圖水壓發(fā)生。另一種常用是不含固化劑的環(huán)氧的環(huán)境下，環(huán)氧樹(shù)脂具特征，未硬化的環(huán)氧樹(shù)住，而形成自封的微膠紋，微膠囊易破裂，流出，從而將開(kāi)裂的混凝土粘結(jié)在一起。其機(jī)理如圖3：2：o3自愈合混凝土機(jī)理的探究1實(shí)驗(yàn)方法主要實(shí)驗(yàn)用材料有:ISO?32.5普硅水泥，I級(jí)粉煤灰，中砂（石子最大粒徑31.5mm），蔡系減水劑和聚丙烯臘微細(xì)纖維（表1）"- 表1聚丙烯睛纖維性能Table1Frcrpert.icHofpolypropyleneLengthDipti口已DcinsityTensilestrEingihFUi^ticluoduli^/mrj]/mm/(g/cm3)/ME6□.[121[.183：汨?4冗）表2H驗(yàn)配合比Tfihlt?2t\-Jiicrete:nixlures/tk^/rn-1i3。，CementflyaijnSandGrivelWiitCTSuperplaaticiserF>erC#280717-171320f.】手的。71沖1涌詢?yōu)榱耸箤?shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，配制了纖維混凝土和素混凝土，其配合比列于表2[3].新拌混凝土的坍落度為（200士20）mm.成型立方體試件的尺寸為100mmx1O0mmX100mm為了區(qū)分在不同齡期受損對(duì)混凝土愈合的影響，加載實(shí)驗(yàn)中分別選擇養(yǎng)護(hù)7d,14d,28d齡期的混凝土.將加載開(kāi)裂的試件放入溫度20°C、相對(duì)濕度95%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)30d.進(jìn)行超聲實(shí)驗(yàn)前將試件從養(yǎng)護(hù)室后在通風(fēng)良好處放置2h,以使其含水率基本一致.實(shí)驗(yàn)中用穿透法對(duì)試件進(jìn)行探傷分析.一個(gè)方向的損傷不僅與本方向的波速降低線性相關(guān)[4,5],還與另外兩個(gè)方向的波速降低線性相關(guān).因此采用對(duì)測(cè)法用CTS一25型非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)量側(cè)向超聲波速在加載前后的變化，加載方向和測(cè)量超聲波速方向垂直.2結(jié)果與討論從表3[3]可以看出，隨著未損傷混凝土強(qiáng)度的提高，穿過(guò)混凝土的超聲波速度也隨之提高.但是在強(qiáng)度較低（例如10?15MPa）時(shí)，穿過(guò)混凝土的超聲波聲速變化的規(guī)律性比較差（圖1）.因?yàn)槌暡曀俚淖兓芊从吵鑫矬w的基本物理性質(zhì)，素3試驗(yàn)結(jié)染-覽表Tublc3^LiiuiLLiryvestingresultsNr.g?:atd；Lrn<kg)Dd扒Properti^atdamagedFropertie?aft^r占虹廿healingf<;r；i(ldVelocitybefore成如Strength/MPaVelocityVSlocityafters^]fhalingStrength/MPa洋114.3611.7S2.2D心42B.99r4◎11.11s.招5促WLQK呻-374J?LL781.G33.WZ邱加17?1.25Id.-1-12.10■1.2：?iJ.OO:#27?3仆N：君4.-S!)30.301#：17，技]!J.002.72叫）艇"?】44.?用12.091.973.510#-5:I4朋LW13.22aan->Q#fi144.64n87[曲:源JG.fil1#1144.Mlllrll'J：倔.I.”葫231#51?:-1.731.2127.MIT144.花IBT1"宿4.3433.16WT2&■5.10JE3.山l.h-lMW1啡戲4.典WG2724.1-80.5&[哄H2&5151!)(Ki3454.7!?1#?385.1928.573.<M1.4635.U心2Sj.153270————1供92&3.614.7239.32如物體孔洞、裂縫、密度等，可用于檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度、孔洞、裂縫等.但是，由于聲速與混凝土密度、彈性模量等有密切關(guān)系，與強(qiáng)度只有相關(guān)關(guān)系，不能單獨(dú)使用超聲波波速的絕對(duì)量來(lái)檢驗(yàn)[6,7].

混凝土試件經(jīng)過(guò)30d的自愈合之后，不僅其力學(xué)性能有所恢復(fù)，超聲波速也有不同程度的恢復(fù)（圖2[3）.在初始損傷之后超聲波速較大的混凝土試件在愈合30d之后超聲波速仍然較大，損傷后和愈合后的超聲波速具有比較好的一致性.這表明，用超聲波聲速比值的變化可以比較好的表示混凝土材料的受損狀況.混凝土的超聲波速主要決定于其彈性參數(shù).將混凝土視為宏觀裂縫、分散微裂區(qū)和具有穩(wěn)定缺陷的基體組成的復(fù)合材料.在混凝土承受荷載前后，具有穩(wěn)定缺陷的基體的變形是線彈性的，其彈性常數(shù)保持不變，因而對(duì)混凝土的聲學(xué)特性Strength/Strength/NPQ匪1超聲波聲速與強(qiáng)度關(guān)系圖匪1超聲波聲速與強(qiáng)度關(guān)系圖KtltLtioiibetwy^iiLilLrasoiiicvelocityandstrengthofmidiniirigedconcreteffi2損傷后和愈合后混媛上屈聲波理變化Fig.aCJoiLcrctciiltrri>it>iiLCvelocitych亂口玨心between已clandst?lf—lictili11^沒(méi)有影響;而微裂隙在單軸受荷后的變形（閉合、張開(kāi)、擴(kuò)展等）會(huì)引起混凝土的彈性常數(shù)改變，因而是改變混凝土聲學(xué)特性的主要因素;宏觀裂縫是在承受荷載之后出現(xiàn)的，也是影響混凝土材料超聲波速的一個(gè)重要因素.混凝土的整體超聲波速是三個(gè)因素的藕合作用的結(jié)果.對(duì)于在受載條件下的脆性固體材料，聲學(xué)特性研究結(jié)果表明:若假定其母質(zhì)具有線彈性，在其內(nèi)部隨機(jī)分布了大量微裂紋，則聲速隨單軸應(yīng)力呈非線性變化關(guān)系［870］.這種關(guān)系可以簡(jiǎn)略的表示為I"利血,勺\其中Vp為超聲波傳播速度；帛=（81,".曰，其中e0，v，分別為母體的彈性模量和泊松比，及"，中分別為材料的斷裂韌度和內(nèi)摩擦角頃，以《，任分別為微裂紋半長(zhǎng)度、形狀比和裂紋密度；。1為單軸應(yīng)力.本文所研究的混凝土的超聲波速僅限于受載前后和自愈合之后，可以不考慮受載時(shí)應(yīng)力對(duì)波速的影響.這樣，超聲波速的變化與材料母體的彈性模量、泊松比、斷裂韌度、內(nèi)摩擦角、微裂紋半長(zhǎng)度、形狀比和裂紋密度等細(xì)觀參數(shù)有關(guān).混凝土超聲波速應(yīng)為超聲在基體，微裂區(qū)，宏觀裂縫三相中傳播速度的組合效應(yīng)，可表示為' 訪1比：過(guò)，其中Vc為超聲波在混凝土中的傳播速度，壇i1，i2,i3和V］，v2,v3分別為基體、微裂區(qū)和宏觀裂縫在混凝土中的體積分?jǐn)?shù)以及超聲波在三者中的傳播速度.其中V3即為超聲波在空氣中的速度340m/s，柵=折，］I.E）,Mhie序）?，＞」=冷M.S曰?。L其中E0、KIC的增大將導(dǎo)致V］的增大，tm.住、E的增大則導(dǎo)致巧的減小.在混凝土加載之前，超聲波在混凝土中的傳播速度主要取決于V］，基體的彈性參數(shù)影響超聲波在混凝土中的傳播速度，混凝土的強(qiáng)度越高，其彈性模量較大，超聲波速也越大.但是聲速還與V2有關(guān)（完好混凝土試件i3=0），并非完全隨強(qiáng)度線性變化（圖1）.當(dāng)混凝土受載損傷后，內(nèi)部的一些初始微裂紋發(fā)展成宏觀裂紋，同時(shí)又產(chǎn)生大量的微裂紋，完好基體所占比例i］急劇減少，i2,i3則相應(yīng)增加;同時(shí)微裂區(qū)內(nèi)的LM、也E增大，導(dǎo)致超聲波在微裂區(qū)傳播速度減小.因此，受損后材料的超聲波速急劇下降.受損后的混凝土自然養(yǎng)護(hù)30d后，由于未水化和未完全水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化，重新生成的水化產(chǎn)物將填充在裂縫處.J.Stefan［ii］看到在微裂縫邊緣有明顯的生成產(chǎn)物，并且新的水化產(chǎn)物在裂縫的邊緣最為密實(shí)，在裂縫中央部分則稀疏.新水化物的填充減小了宏觀裂縫的寬度，i3減小.同時(shí)水化產(chǎn)物在微裂紋中生成一方面減小了i2,另一方面改善了混凝土裂縫的結(jié)構(gòu)，使g%E均減小，從而導(dǎo)致在微裂紋區(qū)中超聲波的速度增大.因此，自愈合后的混凝土超聲波速上升很快，有些試件愈合后的超聲波速甚至超過(guò)了受載之前的超聲波速，如0#—2，1#一3.由于超聲波速與材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，超聲波速的變化能反映材料內(nèi)部微損傷區(qū)的變化.為了建立損傷程度與混凝土自愈合程度之間的定量關(guān)系，

定義材料受載前后超聲波速衰減的相對(duì)值為混凝土的損傷”頊—法和材料愈合后抗壓強(qiáng)度的增量與未損傷時(shí)抗壓強(qiáng)度的比值為混凝土的自愈合定義材料受載前后超聲波速衰減的相對(duì)值為混凝土的損傷”頊—法和材料愈合后抗壓強(qiáng)度的增量與未損傷時(shí)抗壓強(qiáng)度的比值為混凝土的自愈合圖37d破耳時(shí)D?H關(guān)系圖Relationbetweenda.iuagcdegret?andincreaseratioofstrengthwhendamagedat7d￡gs?右0￡gs?右0一o』打仁一Q45 0.55 065 075Damage圈4Md破壞時(shí)。?丑關(guān)系圖Fig.4Relationbetweenclamagedegreeandincrease

ratioofstrengthwhendamagedat.14d率〃—%業(yè)，其中D為材料的損傷，u為受載后材料的超聲波速,。。為受載前材料的超聲波速，H為材料的愈合率，孔為愈合后材料的抗壓強(qiáng)度，S為不同齡期受損時(shí)的抗壓強(qiáng)度.混凝土材料損傷程度較低時(shí)其愈合率也較低，如D=0.16時(shí)（圖3".隨著損傷程度的增大，混凝土相應(yīng)的強(qiáng)度增長(zhǎng)率提高，但是當(dāng)D>0.6之后材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)率稍有下降.當(dāng)D>0.7時(shí)混凝土的愈合率大幅度下降，而損傷為0.45?0.55時(shí)材料的愈合率基本持平（圖4[3]）.損傷0.2?0.5時(shí)，D?H關(guān)系比較一致，愈合率基本上隨著損傷的增大而增大（圖5）.這些結(jié)果說(shuō)明，混凝土材料在愈合時(shí)存在著損傷的閩值:超過(guò)了損傷閉值材料的愈合率會(huì)大大降低，而損傷小于損傷闡值時(shí)，材料的愈合率隨著損傷的增大而增大，而不是隨著損傷的增大而減小.其原因可能是:混凝土自愈合的一個(gè)最主要原因是混凝土中未水化的水泥顆粒的進(jìn)一步水化[12?14].在受損過(guò)程中混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生大量的微細(xì)裂紋，可能導(dǎo)致大量被水化產(chǎn)物包裹的未水化水泥顆粒暴露出來(lái).在潮濕環(huán)境中，這些未水化水m5 28H破壞n?H美莘圖Fijj-5BclKLtionbetween tr midin-cncidLberFLtitDrzifstrengthwhpn.（iftmagt*at2H<i泥顆粒進(jìn)一步水化，填補(bǔ)了因受損而產(chǎn)生的微細(xì)裂縫.若損傷過(guò)小，能夠暴露的未水化水泥顆粒數(shù)量較少，不利于混凝土的自愈合;但是若損傷超過(guò)一定限度，新的水化產(chǎn)物不能完全填充受損裂縫，導(dǎo)致愈合率大幅度下降.圖3?5表明，混凝土的受載齡期對(duì)自愈合效果有顯著的影響.在損傷程度相同的情況下，早齡期受損的混凝土自愈合能力更好.在早齡期，混凝土內(nèi)部還存在大量未水化的水泥顆粒，能夠修復(fù)損傷和繼續(xù)提高強(qiáng)度.3結(jié)論受損傷的混凝土存在自愈合能力，自愈合有一個(gè)損傷閡值.當(dāng)混凝土損傷小于損傷閩值時(shí)，材料的自愈合率隨著損傷的增大而增大；當(dāng)損傷超過(guò)損傷闡值，材料的自愈合率隨著損傷的增大而減小.以承受荷載前后超聲波速的變化來(lái)表征混凝土的損傷程度，本文研究的混凝土損傷闡值為0.6?0.7.4前景與展望雖然國(guó)外一些專(zhuān)家對(duì)自愈合混凝土作了一些工作，但是從自愈合混凝土的發(fā)展來(lái)看，目前尚有許多問(wèn)題需要解決。例如，有關(guān)修復(fù)粘結(jié)劑的選擇、封人的方法、流出量的調(diào)整、釋放機(jī)理的研究、纖維或膠囊的選擇、分布特性、其與混凝土的斷裂匹配的相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等問(wèn)題，研究尚不完全，還有大量的工作需要做。特別是對(duì)自愈合混疑土在實(shí)際生產(chǎn)中的制備和應(yīng)用上所存在的問(wèn)題，以上這些方法目前尚不能很好的解決。解決好這一問(wèn)題將對(duì)自愈合混凝土今后的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。仿生自愈合混凝土的發(fā)展，無(wú)論從理論上還是實(shí)際應(yīng)用上都還需進(jìn)一步的完善。技術(shù)上應(yīng)當(dāng)探尋使用不同的方法。如在實(shí)際應(yīng)用中可對(duì)混疑土局部易開(kāi)裂處采用自愈合處理，而無(wú)須整體實(shí)施自愈合方案，在理論上也可以考慮研究梯度型的自愈合混疑土。此外，自愈合混凝土作為一種智能混凝土材料，其未來(lái)發(fā)展應(yīng)既是高性能的建筑結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)又具有優(yōu)異的智能性能，真正達(dá)到混凝土材料結(jié)構(gòu)一智能一體化的境界。這就需要在自愈合混凝土的基礎(chǔ)上.進(jìn)一步融人信息科學(xué)的內(nèi)容，如感知、識(shí)別、和控制驅(qū)動(dòng)等。從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)健康狀況的自診斷和自修復(fù)等目的。使其具有多種完善的仿生功能，包括骨骼系統(tǒng)(基材)提供的承載能力、神經(jīng)系統(tǒng)(傳感網(wǎng)絡(luò))提供的監(jiān)測(cè)和感知能力、肌肉系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)元件)提供的調(diào)整響應(yīng)能力和免疫系統(tǒng)(修復(fù)元件)提供的康復(fù)能力。發(fā)展智能混凝土是智能化時(shí)代的產(chǎn)物.通過(guò)對(duì)其基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用技術(shù)深入研究將使傳統(tǒng)的混凝土材料發(fā)展步人科技創(chuàng)新軌道，使傳統(tǒng)混凝土工業(yè)獲得新的、突破性的飛躍。參考文獻(xiàn)1、 Abram.A,Concrete,V.10.P50,August,(1925)2、 侯子義，第四屆全國(guó)公路路面材料科技研討會(huì)科技論文(裂縫自愈合混凝土研究)3、 姚武，鐘文慧，材料研究學(xué)報(bào)，1，20(2006)4、 LUJingzhou，LINGao,XIAOShiyun，WANGZhe，Chi-nesJournalofHydraulicEngineering，1，68(2001)(逮靜洲，林皋，肖詩(shī)云，王哲，水利學(xué)報(bào)，1，68(2001))5、 LUJingzhou，LINGao，VANGZhe，XIAOShiy