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1、自愈合混凝土,专业：材料学 姓名：孙志慧 学号：120153104,自愈合混凝土概述 自修复的方法分类 自修复的研究现状 自修复的研究方向,自愈合混凝土 目录,自愈合混凝土概述,背景：混凝土是目前用量最大的建筑材料，具有抗压强度高、耐久性好、易浇注成型、成本低等优点，广泛应用于各类建筑物。然而，混凝土也有着自身致命的缺陷裂缝。当混凝土出现微观裂缝时，若不能及时修复，不仅会影响材料的正常使用，还可能会导致混凝土出现宏观裂缝影响其使用寿命。 1) 混凝土裂缝影响混凝土结构的承载能力: 裂缝会降低其刚度和抗剪强度，使钢筋承受拉力大于设计拉力，从而影响其承载力; 2) 混凝土裂缝引起钢筋锈蚀: 裂缝的
2、存在会使水分或各种腐蚀介质渗入结构体内，导致钢筋锈蚀或降低骨料强度而对整体结构带来危害。在寒冷环境，裂缝会加重冻融对混凝土结构的损害，使保护涂层开裂、脱落而失去保护性能;,自愈合混凝土概述,3) 影响结构的耐久性: 裂缝会使各种有害杂质进入混凝土中，加速了钢筋的锈蚀和混凝土的碳化，使得混凝土结构的耐久性大大降低; 4) 影响结构的封闭性: 核电站、疫苗培养空间等场所要求结构具有良好的封闭性，一旦有裂缝出现将会带来严重的后果; 5) 影响结构的舒适度: 严重时会导致构件，甚至工程全部报废，造成较大的经济损失。 混凝土裂缝自修复：模仿生物组织损伤愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分，在其内部
3、形成智能型自修复系统，当混凝土材料出现裂纹或损伤时，自动触发修复反应，使其愈合。,Part 1,Part 2,结晶沉淀自修复,形状记忆合金自修复,聚合物固化仿生自修复,渗透结晶自修复,电化学沉淀自修复,自修复方法分类,微生物自修复,1.形状记忆合金自修复,形状记忆合金自修复：是指在施工工艺时加入形状记忆合金即SMA的混凝土。由于SMA具有形状记忆效应和超弹性特性，加热后发生马氏体相变，就是在加热温度超过相变温度时，回复到变形前的过程，可以产生较大回复力，从而使裂缝合拢。 试件制作：首先将合金丝预张拉，然后用专用夹头将合金丝两端固定于模板两端, 并使合金丝张紧, 随后浇筑混凝土, 成型拆模后放入
4、养护箱中标准养护, 制得SMA 混凝土梁试件. 试件开裂并卸载后的激励合金丝(激励电流为20 A 低压直流电), 使合金温度升高, 在发生相变的同时产生回复力并作用于混凝土, 通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应.形状记忆合金恢复时对裂缝面施加压应力, 抑制裂缝的开展, 并且迫使裂缝合拢、闭合, 使混凝土结构构件的挠度和变形恢复.,1.形状记忆合金自修复,1.常用的SMA为NiTi合金。 2.优点:实现多种变形形式、具有形状记忆功能、超弹性、可恢复变形大、在受限制恢复时能产生很大的驱动力、抗疲劳性能强，易于同混凝土、钢等结构材料相结合，弹性模量会随相变状态的改变而变化. 3.阎石等研究了S
5、MA 智能混凝土连续梁在通电激励下裂缝的自修复性能及其影响因素，分析了SMA 对连续梁的变形以及裂缝的修复机理。 匡亚川等分析了SMA 智能混凝土梁的变形规律，探讨了改变SMA 丝初始应变和总截面面积对混凝土梁裂缝修复效果的影响。研究表明，SMA 丝对梁裂缝有良好的修复性能。,修复前后对比,SMA 已经广泛应用于军事、航天、机械、医疗等领域, 并取得了很好的效果。,1.形状记忆合金自修复存在的问题,SMA 电阻变化率敏感性和驱动性受SMA丝的影响因素： 混凝土的锚固、粘结； 预张拉的大小； SMA丝的直径。,Part 1,2,聚合物固化自修复,热聚合修复主要利用含有热固性聚 合物的微胶囊在基体
6、开裂时产生破 裂，释放聚合物，在基体中催化剂 的作用下，在裂缝中发生开环置换 聚合反应，经固化而修复混凝土。,聚合物空气固化自修复原理 主要在于，当基体产生微裂 缝时释放出修补裂缝的化学 物质，然后该化学物质在裂 缝中空气硬化，修复裂缝。,空气固化,热聚合,1.聚合物固化自修复：在混凝土中加入空心玻璃纤维或胶囊，在其里面加入胶固化粘接或者活性物质与集体物质反应产生不容物质，堵塞裂缝，进而使裂缝修复。 2.常用的修复剂有：氰凝胶黏剂、TY-6638型聚氨酯胶黏剂、环氧树脂、聚氯乙烯,2.聚合物固化仿生自修复,2.聚合物固化仿生自修复,日本三桥博三教授，用水玻璃和环氧树酯等材料作为修复剂，将其注人
7、空心玻璃纤维中并掺人混凝土材料中，测试不同龄期下，经不同修补液在开裂修复后混凝土材料的强度回复率。 美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry 在1994 年采用类似的方法，在空心玻璃纤维中注人缩醛胶粘剂高分子溶液作为黏结剂，埋入混凝土中。实验试件采用三点弯曲法。 赵晓鹏等在以钢丝短纤维增强的水泥基复合材料中，嵌入注有缩醛高分子溶液的液芯玻璃纤维，分层浇。,2.聚合物固化仿生自修复,哈尔滨工业大学的欧进萍等, 建立了描述修复胶囊在混凝土中的分布和取向函数, 用以统计分布在混凝土基体中各个方向的胶囊数。,2.聚合物固化仿生自修复,1.修复容器与所处环境的适应性及与机体材料的相容性； 2.修复容器
8、大小及掺量对基体力学性能的影响规律； 3.修复容器不同对基体不同破坏力的感知能力和破裂机理； 4.不同的破坏形式下修复体系的修复机理和修复效果； 5.修复体系修复范围较小。,3.结晶沉淀自修复,结晶沉淀自修复：为水化的粒子进一步水化，形成CaCO3。混凝土中的Ca2+ 和水中的HCO3-或CO32-。 依赖于：1）水泥浆体的水化；2）CaCO3 晶体的形成；3）渗透水中的沉积物； 形成CaCO3很大程度上取决于： 温度、pH 值、CO2气压 、裂缝宽度、溶液中离子集中程度等。,4.渗透结晶自修复,渗透结晶技术是利用在混凝土中掺入活性外加剂或在外部涂敷一层含有活性外加剂涂层，在一定的养护条件下，
9、以水为载体，通过渗透作用，使其特殊的活性化学物质在混凝土微孔及毛细孔中传输，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续水化作用，形成不溶性的晶体。 水泥基渗透结晶型防水材料的独特性是其渗透功 能，即高盐分的溶液，通过混凝土的毛细管，向低盐分的溶液渗流。,4.渗透结晶自修复,4.渗透结晶自修复,1942 年德国化学家劳伦兹杰逊(Lauritz Jensen)发明了水泥基渗透结晶型防水涂层材料。60 年代欧洲、北美、日本得到了进一步发展。由于其抗渗性能与自愈性能好、粘结力强、防止钢筋锈蚀，以及对人体无害、易于施工等特点，被广泛应用于地下工程、水利工程、蓄水池、污水处理等结构防水中，获得了良好的防水
10、效果。 我国于上世纪80 年代起引进水泥基渗透结晶型防水材料，开始应用于上海地铁工程。,4.渗透结晶自修复,渗透结晶自修复必须有： 水、足够湿度、裂缝的大小、涂层中活性成分、混凝土的孔隙率及孔结构。,5.电沉积自修复,电沉积自修复：以混凝土中的钢筋为阴极，外加辅助难溶性阳极，在外电场的作用下，由于两极间存在电位差，使得电解液及孔隙液中的正负离子发生定向移动，并在两极处发生一系列化学反应，最终产生的电积物沉积在混凝土表面和裂缝里。 这些沉积物不仅为混凝土提供了物理保护层，也在一定程度上阻止流动的气体和液体等外界有害物质对混凝土的侵蚀。,5.电化学沉积自修复,沉积作用主要受： 溶液所含的电解质种类
11、及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响。 电化学沉积法在金属材料行业应用十分广泛，近年来主要用于对传统修复技术难以奏效或修复价格太大的水下混凝土裂缝，主要修复对象是海洋环境中的混凝土结构。,6.微生物自修复,微生物自修复是预先在新拌混凝土中添加特殊微 生物和合适的底物，一旦混凝土表面出现裂缝，混凝土中的微生物便与底物在裂缝处发生反应形成碳酸钙沉淀，所生成的碳酸钙沉淀可以填充或者修复裂。这些化学物质在微生物死亡后也会保持相当长一段时间的粘结功。 微生物有：巴氏芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌、希瓦氏菌、绿脓杆菌、大肠杆菌、科氏芽孢杆菌。,6.微生物自修复,钱春香研究表明，修复40d 后，混
12、凝土裂缝就可以被微生物矿化形成的碳酸钙所填充，修复效果明显，最大填充宽度超过1mm。微生物矿化形成的碳酸钙在裂缝开口处最多，且随着裂缝深度的增加碳酸钙逐渐减少。距离裂缝断裂面表层1.5mm 内，微生物可矿化形成较多碳酸钙。由于该微生物矿化需要氧气，因此，随着距离裂缝断裂面表层越远、距离水泥基体越近，微生物矿化形成的碳酸钙含量越来越少。 细菌先被固载于硅藻土或微胶囊内，然后加入到混凝土中。结果显示：加有硅藻土固载的细菌砂浆试块上0.150.17mm宽的裂缝可在40内被细菌诱导产生的碳酸钙完全修复；而加有微胶囊固载的细菌的试块上mm宽的裂缝可以在周内自修复完毕。,6.微生物自修复,优点：沉积在表面
13、的生物碳酸钙可有效降低混凝土吸水率、碳化和氯离子侵蚀；还能提高混凝土抗冻融性能。多孔石灰石表面固化深度达到30mm甚至更多，固结区的强度可增加300。 目前已经取得了较大的进展，并且进一步地在实际建筑建造的过程中开始普及微生物自修复。,6.微生物自修复,微生物自修复技术主要取决于：氧气、水、PH值。 在使用微生物自修复来进行混凝土裂缝的修补过程中，会使用到缓冲液。缓冲液是一种能够加入一定量的酸碱来进行中和PH改变的溶液。在使用微生物自修复来进行混凝土裂缝的修补过程中，会使用到缓冲液。缓冲液是一种能够加入一定量的酸碱来进行中和PH改变的溶液。微生物在进行无机盐沉积的过程中会消耗一定量的混凝土中的
14、氢氧化钙，因此，混凝土中的碱性环境会遭到破坏，碱性程度会降低，因此混凝土中的钢筋会因为碱性环境破坏而受到一些负面的影响。,研究方向,形状记忆合金自修复需要温度控制来修复裂缝； 沉淀结晶自修复、渗透结晶自修复、电沉积法自修复、微生物自修复都是在有水的条件下才能进行； 聚合物仿生自修复则需要往混凝土内置空心纤维或空心胶囊，在混凝土搅拌过程中也容易破碎，对材料性能要求也较高。 可将两种自修复方法组合使用，则在一种自修复方式条件不满足的情况下，另一种方式同样可以进行修复，如聚合物仿生自修复与渗透结晶自修复组合使用。,参考文献,1黄微波,李晶,高金岗. 混凝土结构裂缝修复技术研究进展J. 工业建筑,20
15、14,S1:934-937. 2成新元,韦灼彬. 仿生自修复混凝土梁的弯曲试验研究J. 水泥工程,2009,06:78-82. 3陈雯,王周锋. 基于形状记忆合金的结构裂缝自修复研究J. 中国工程咨询,2015,08:58-60. 4狄生奎,李慧,杜永峰,Steve Zou,韩全治. SMA混凝土梁的裂缝监测及自修复J. 建筑材料学报,2009,01:27-31. 5李双蓓,梁庆国,蒋林洁,莫杜毅. SMA混凝土梁裂缝自修复性能分析的双样条QR法J. 广西大学学报(自然科学版),2014,01:180-186.,参考文献,6万健,韩超. 微胶囊自修复混凝土的实验研究及性能评价J. 新型建筑材料
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