水泥混凝土自修复建筑土木工程科技专业资料.pptx

目的及意义第1页/共26页 近些年来，由于裂缝发展而导致的工程事故已颇为常见，可以说微观裂缝的无限制发展正是导致工程事故的根本原因之一。因此，混凝土裂缝的修复一直是学术界和工程界所关注和研究的热点。对于表面宏观裂缝，人们常采用被动的事后修复方式如灌浆、嵌缝封堵以及混凝土置换等方法进行修复。一些无损检测技术如超声反射法、射线照相法、红外成像法等常被用于检测混凝土内部损伤，但都有一定的局限性，并不能进行实时监测，其修复更是难上加难。第2页/共26页概述第3页/共26页 水泥微裂缝自修复(自愈合)是指水泥在外部或内部条件的作用下,释放或生成新的物质自行封闭、愈合其微裂缝的过程。最早发现混凝土裂纹自修复现象的是Abram。1925年,Abram发现混凝土试件在抗拉强度测试开裂后,将其放在户外8d,裂缝竟然愈合了,而且强度比先前提高了2倍。可见,研究与利用水泥裂缝自修复的机制,研制各种具有自诊断、自修复性能的智能水泥材料,对提高水泥基材料的耐久性和可靠性意义重大,能够给建筑行业带来一系列新技术和新工艺。因此,国内外对水泥基材料微细裂缝的自修复机理进行了大量研究。第4页/共26页 自修复混凝土是一种智能型仿生混凝土，在结构上拥有自愈合能力，能修复由于长期的机械作用所造成的损伤。目前研究比较多的是基于液芯纤维和微胶囊方式的自修复混凝土，这是一种外援型修复方法外援型修复方法，例如使用空芯纤维和微胶囊装载修复剂而进行自修复。另外还有一种本征型修复方法本征型修复方法，即利用体系中存在的可逆化学反应而进行自修复，常见于高分子材料的自修复。第5页/共26页水泥混凝土自修复技术第6页/共26页 水泥混凝土是目前建筑结构材料中最大宗的材水泥混凝土是目前建筑结构材料中最大宗的材水泥混凝土是目前建筑结构材料中最大宗的材水泥混凝土是目前建筑结构材料中最大宗的材料之一，是一种脆性材料，其内部会无法避免地出料之一，是一种脆性材料，其内部会无法避免地出料之一，是一种脆性材料，其内部会无法避免地出料之一，是一种脆性材料，其内部会无法避免地出现局部损伤和微裂纹，这个事实启迪着人们致力于现局部损伤和微裂纹，这个事实启迪着人们致力于现局部损伤和微裂纹，这个事实启迪着人们致力于现局部损伤和微裂纹，这个事实启迪着人们致力于研究混凝土的各种自修复方法。通过查阅大量国内研究混凝土的各种自修复方法。通过查阅大量国内研究混凝土的各种自修复方法。通过查阅大量国内研究混凝土的各种自修复方法。通过查阅大量国内外相关文献的介绍，目前水泥混凝土自修复方法主外相关文献的介绍，目前水泥混凝土自修复方法主外相关文献的介绍，目前水泥混凝土自修复方法主外相关文献的介绍，目前水泥混凝土自修复方法主要有六种：要有六种：要有六种：要有六种：（1 1 1 1）结晶沉淀法；（）结晶沉淀法；（）结晶沉淀法；（）结晶沉淀法；（2 2 2 2）渗透结晶法；）渗透结晶法；）渗透结晶法；）渗透结晶法；（3 3 3 3）微胶囊法；（）微胶囊法；（）微胶囊法；（）微胶囊法；（4 4 4 4）液芯光纤）液芯光纤）液芯光纤）液芯光纤/纤维法；（纤维法；（纤维法；（纤维法；（5 5 5 5）微）微）微）微生物法；（生物法；（生物法；（生物法；（6 6 6 6）SMA SMA SMA SMA 法。法。法。法。第7页/共26页1.结晶沉淀法大气中的 CO2，与混凝土硬化体中的微溶于水的水化产物 Ca(OH)2发生如下反应 Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O，在混凝土裂缝处生成碳酸钙结晶沉淀，并随着碳酸钙结晶沉淀的增加，裂缝逐渐愈合。第8页/共26页 结晶沉淀法修复裂缝是一个自然现象，包含了一系列复杂的物理、化学及力学过程。这种方法与其他的自修复方法不同，它是一种持续的、不依赖外部手段支持的自修复方法。当混凝土结构直接暴露于水环境中时，由未水化水泥颗粒（如 C3S、C2S 等）继续水化所生成的水化产物修复裂缝，此修复作用影响甚微，并不是混凝土基体自修复的主要原因。第9页/共26页2.渗透结晶法渗透结晶型材料中所含活性化学物质S遇水成为一种催化剂，与混凝土中的游离 Ca2+发生化学反应生成不溶于水的结晶沉淀，由于水的作用，结晶沉淀在混凝土孔隙中扩散，S 就会被更稳定的 SiO32-、AlO33-等取代，发生络合、结晶沉淀反应，形成更稳定的化合物，填充混凝土中裂缝和毛细孔隙，该过程是一个不断循环的过程，使得出现裂缝的混凝土材料可实现多次自愈合。第10页/共26页 混凝土干燥时，由于缺少水作为扩散介质，活性物质 S 处于休眠状态；当混凝土开裂有水渗入时，该活性物质就被激活，催化发生络合、结晶沉淀反应，实现混凝土裂缝的自愈合。此修复技术的突出之处在于，它可以显著提高混凝土结构的强度和密实度，但是该方法对宽度大于 0.4mm 的裂缝的自修复效果不甚理想。第11页/共26页3.微胶囊法该方法以胶粘剂作为修复单体，将修复单体微胶囊化之后，再将其植入混凝土基体中，同时在基体中分散催化剂，其中催化剂能使修复单体聚合，当基体材料被损伤，产生微裂纹时，裂纹尖端的微胶囊由于应力集中作用被撕裂，修复单体在毛细管的虹吸作用下渗入裂纹内部，与分散于基体中的催化剂相接触，修复胶粘剂单体被引发聚合反应，从而封堵裂纹，使基体材料在一程度上得以自修复，性能也得以较大改善。第12页/共26页微胶囊自修复混凝土目前还只是一个概念化的设想，还处于研究阶段，要想把这种设想真正应用于工业生产的实践中，还有很多亟待解决的问题：微胶囊壁厚控制及机械强度微胶囊与基体的界面结合程度对材料力学性能的影响催化剂活性受基体材料的影响修复剂与催化剂在基体中的分布情况及接触率问题裂纹修复所需动力大小修复剂时效性以及是否具有多次修复的能力第13页/共26页4.液芯光纤法两者的修复机理是类似的，利用空芯光纤或者中空纤维装载修复胶粘剂，再将其埋入混凝土中，形成智能型仿生自愈合混凝土。当混凝土结构在服役、使用过程中出现损伤和微裂纹时，光纤/纤维破裂，其内部所含修复胶粘剂流出，并渗入裂纹，修复裂纹。第14页/共26页 光纤更智能化，它具有自诊断的能力，当光的强度、波长、偏振、及相位等发生变化时，监测系统可及时监测，并准确判断基体损伤及损伤位置。不但能进行实时监测，而且混凝土的损伤、裂缝也能得到及时修复，实现了损伤自诊断、自修复的一体化。光纤/纤维与混凝土结构存在相容性问题，如果相容性不好，相当于在混凝土中引入了界面缺陷，这会影响混凝土基体的力学性能和耐久性。第15页/共26页5.微生物法将特定的细菌事先加入到混凝土材料中。混凝土中的高碱缺氧环境使这种无害细菌处于休眠状态。当混凝土结构遭受破坏出现裂纹，氧气和水分开始渗入，休眠状态的细菌孢子被激活，其新陈代谢功能得以恢复。好氧微生物新陈代谢过程中产生 CO2，这些 CO2与混凝土材料中的 Ca2+反应生成碳酸钙沉淀，填补裂缝，防止水和其他化学物质进一步侵入。第16页/共26页第17页/共26页第18页/共26页该技术是由微生物新陈代谢引起的，比现有常规修复方法更天然、无污染，具有很大的应用潜景。有研究表明，这些细菌普遍寿命较短，大概只能存活一年左右的时间，而该技术只有在细菌存活的状态下才能达到自修复的目的，如果细菌死亡，将毫无意义可言。因此，要想该技术能真正运用于混凝土裂缝的自修复，必须创造出合适的微生物生存条件，使其能在混凝土的服役寿命期间不断地发挥作用。第19页/共26页第20页/共26页6、SMA法 基于 SMA 的自修复混凝土，首先将 SMA 预拉伸，然后再在混凝土结构的受拉区埋入经预拉伸的 SMA，混凝土结构在工作过程中，当它出现不允许的裂缝或裂缝宽度超过限制时，对裂缝处或裂缝附近的 SMA 通电，通过加热来激励使其收缩变形，从而使裂缝闭合，限制裂缝的进一步发展，这样就实现了结构的监测和修复一体化，即结构就具有了自诊断、自修复的功能。SMA，即形状记忆合金（Shape memory alloy），如果将在高温下定形的 SMA 在常温下拉伸至一定的塑性变形，再把它重新加热到一定温度，它就会恢复变形前的形状，这就是形状记忆效应。第21页/共26页 只有加热才能利用 SMA 的形状记忆效应，温度过高会影响 SMA 的记忆性能，且较长时间使用之后，SMA 本身会产生蠕变，工作稳定性也变差，这些都限制了它的工作和应用范围。另一方面，由于 SMA 材料本身的电阻不大，采用电加热方式激励 SMA 时需要较大的电流，所以需要较粗的导线。此外，SMA 价格昂贵，是普通钢材价格的 700 倍。这些缺点都限制了 SMA 材料在混凝土基材自修复中的应用。第22页/共26页展望第23页/共26页 由于水泥混凝土是一种脆性材料脆性材料，在最初受施工和在使用过程中受荷载、材料老化以及外界环境因素的影响，会不可避免地出现微裂缝和局部损伤。将新型材料、技术与水泥混凝土相结合，对混凝土内部微裂纹实现自诊断、自修复已成为一种新的研究趋势，具有极广阔的发展前景，但是现在，微胶囊、微生物等技术在自修复领域的应用还处于研究阶段，还需要大家的不断改进与创新。第24页/共26页Thankyou第25页/共26页感谢您的观看！第26页/共26页