环氧树脂微胶囊对水泥自修复复合材料微观结构的影响,建筑材料论文.docx

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1、环氧树脂微胶囊对水泥自修复复合材料微观结构的影响,建筑材料论文混凝土材料是全世界用量最大的建筑材料，广泛应用于工业与民用建筑、桥梁道路、地下共同沟、水利水电及港口海洋等工程构造1 混凝土材料的抗折强度低，在外界环境的作用下，其内部不可避免会产生裂纹，并有可能引发宏观裂缝，由此带来一系列耐久性问题 微胶囊技术是通过成膜材料包覆分散性的固体、液体或气体而构成具有核-壳构造微小容器的技术，广泛应用于医药、食品和印刷等工业领域，并获得了显着发展2-3 近年来，随着复合材料技术的发展，微胶囊技术在复合材料裂纹自修复方面的应用得到了重视，成为新材料领域研究的热门之一 水泥自修复复合材料的工作机理是在水泥材

2、料内部预埋含有固化黏结剂的微胶囊，当水泥材料在外力作用下产生裂纹时，裂纹的前端应力使微胶囊破裂，流出的高分子黏结剂与空气或水泥基体中的固化剂发生反响，生成具有黏结能力的物质，进而抑制裂纹的扩展并修复裂纹，到达恢复甚至提高材料强度的效果4-7 水泥石构造硬化后，内部大量自由水的蒸发引起孔隙的产生不同尺寸的孔隙是硬化水泥浆体的一个重要组成部分，也是影响水泥浆体性能的重要因素 按孔径对强度的不同影响，将水泥材料中的孔分为无害孔、少害孔、有害孔和多害孔 各种孔径尺寸的孔对材料性能的影响不同，大孔对材料性能的影响较大，而小于某一尺寸的孔对材料性能的负面影响较小8-11 由于掺入的微胶囊是球型物质，在水泥

3、浆体中能自由滚动，减小组分间的摩擦阻力，提高了浆体的流动性，使得硬化后的水泥材料内部孔隙更细小均匀，一定程度上改善了水泥材料的耐久性和抗渗性 因而，研究微胶囊对水泥自修复复合材料微观构造的影响是研究材料的宏观性能，揭示其在内外环境作用下构造性能变化规律的重要内容 本研究在环氧树脂微胶囊的制备实验基础上，制备水泥自修复复合材料，研究养护龄期和微胶囊的质量分数对复合材料的微观构造、抗电腐蚀性能、抗浸透性能及水化放热经过的影响，为水泥自修复复合材料的设计和应用提供科学根据 1 材料及方式方法 1. 1 实验材料 双酚 A 型环氧树脂 ( E-51) ，工业品，江苏三木集团生产; 质量分数为 37%

4、的甲醛，分析纯，广东汕头市西陇化工厂生产; 尿素，分析纯，天津市百世化工有限公司生产; 水泥为 P. O. 42. 5 普通硅酸盐水泥，深圳海星小野田水泥有限公司生产; 水为普通自来水; 脲醛/环氧树脂微胶囊，自制;MC120D 固化剂，广州市穗桦精细化工有限公司生产; 四乙烯五胺，化学纯，上海邦成化工有限公司生产 1. 2 实验方式方法 1. 2. 1 微胶囊的制备将甲醛和尿素推拿尔比 1 2 参加到三口烧瓶中，搅拌溶解后，调节 pH 值至 8 9，升温至 70 ，搅拌下回流反响 1 h，得到黏稠透明的脲醛树脂预聚体 按不同的囊芯与囊壁的比例参加环氧树脂 E-51，搅拌乳化 20 30 mi

5、n 后，调节体系 pH 值为 2. 0 4. 0，待微胶囊完全构成后，固化 1 3 h，经过滤、洗涤、枯燥后得到不同粒径微胶囊产品12 1. 2. 2 水泥自修复复合材料的制备将水泥、环氧树脂微胶囊和 MC120D 固化剂粉末按一定质量比混合，华而不实，水灰质量比为 0. 25，微胶囊与固化剂质量比为 2 1 微胶囊粒径为 223 m 在水泥净浆搅拌机上慢速搅拌 3 min，待各物质混合均匀后，参加水和四乙烯五胺固化剂继续搅拌，搅拌结束后将复合材料浆体装入三联模，标准养护箱养护 1 d 后拆模，放于标准养护箱中养护至特定龄期后进行测试 1. 2. 3 试样制备1) 孔构造实验试样 将一定质量分

6、数的微胶囊水泥浆体制成3 cm 3 cm 3 cm 的试样，在标准养护箱中养护一定龄期后，去除试件外表可能碳化的皮层，取内部样品敲成 2. 5 5. 0 mm 小块，用酒精中止水化，进行孔构造测试2) 阻抗谱实验试样 将一定质量分数的微胶囊的水泥浆体制成 4 cm 4 cm 16 cm 的试样，置于水泥砂浆标准养护箱中养护，1 d 后脱模 将脱模后的试样置于养护箱中 ( 养护条件为 ( 20 2) ，相对湿度 90% ) ，养护至一定龄期后将试样取出进行沟通阻抗测试3) 吸水性实验试样 将掺入一定质量分数的微胶囊的水泥浆体制成 10 cm 10 cm 10 cm 的试样，在标准养护箱中养护一定

7、龄期，试样取出后在空气中放置 3 h，待外表吹干后进行外表吸水性测试4) 水化热实验试样 将 10 g 掺入一定质量分数微胶囊的水泥浆体搅匀后倒入试管，再将 2. 5 g纯净水吸入注射器，保证针头枯燥，把注射器插入试管样品中，对试样水化经过的水化放热速率和水化热进行测试 1. 2. 4 测试方式方法采用美国麦克公司生产的 Tristar3000 型全自动比外表和孔隙度吸附仪，测试复合材料的孔径分布、累积孔体积及吸附曲线，测试的相对压力范围为 0. 001 0. 995，液氮温度为 77. 63 K; 采用 Prin-ceton 电化学工作站测试复合材料的沟通阻抗谱，测试的扫描频率设置为 0.

8、1 Hz 1. 0 MHz ; 采用英国 Belfast 女王大学研发的 Autoclam 自动浸透性测试仪测试复合材料的吸水量与吸水性系数，测试经过中每隔 1 min 记录 1 次试件的吸水量 ( 单位: L) ，分别测定 15 min 数据，鉴于前 4 min 透气量的数据不稳定，数据处理时将前 4 min 数据删除;采用 ToniCAL 量热仪测试复合材料的水化放热速率和总放热量，测试的初始温度为 25 2 结果与讨论 2. 1 水泥自修复复合材料孔构造特性 养护龄期对水泥自修复复合材料累积孔体积的影响如此图 1 由图 1 可见，随着养护龄期的增长，复合材料内部的累积孔体积不断减少; 随

9、着养护龄期的增长，水泥不断水化，使材料内部微观构造及成分不断发生变化，水泥水化产物不断填补材料内部孔隙，使构造愈加致密 养护龄期对水泥自修复复合材料孔径分布的影响如此图 2 华而不实，峰值所对应的孔径为最可几孔径，即出现几率最大的孔径由图 2 可见，随着养护龄期的增长，曲线峰值逐步减小，讲明出现几率最大的孔径体积不断减少 随着水化反响的进行，不断生成的水化产物起到填充微孔隙和细化孔径的作用，最终结果是使材料微观构造致密化和孔趋于规则的球体或其他形体，即水化使孔形趋于单一化而非复杂化13-17掺入不同质量分数的微胶囊对水泥自修复复合材料累积孔体积的影响如此图 3 由图 3 可见，随着微胶囊质量分

10、数的增加，复合材料的累积孔体积不断减小 这是由于掺入的微胶囊是球型物质，在水泥浆体中能自由滚动，减小组分间的摩擦阻力，提高了浆体的流动性，使硬化后的水泥材料内部孔隙更细小均匀 同时微胶囊能够阻断孔隙间的联通，减少内孔的含量，复合材料的抗渗性提高 掺入不同质量分数的微胶囊对水泥自修复复合材料吸附与脱附性质的影响如此图 4 由图 4 可见，吸附量与脱附量均随着掺入微胶囊质量分数的增加而减少 讲明微胶囊能减少材料内部的空隙，切断孔间渗水的通路，使复合材料的微观构造愈加密实，孔隙分布趋于优化，透气性降低，一定程度上提高了水泥复合材料的耐久性和抗渗性 2. 2 水泥自修复复合材料电性能 阻抗谱能反映材料

11、的稳定性 通过 Nyquist 谱图研究其电阻的变化，表征水泥自修复复合材料在电腐蚀方面的稳定性 Nyquist 谱图横坐标表示电阻( Zre) ，纵坐标表示阻抗 ( Zim) ，电阻越大讲明离子迁移越困难，能够阻止氯离子迁移等导致的腐蚀18-21 养护龄期对水泥自修复复合材料 Nyquist谱图的影响如此图 5 由图 5 可见: 养护龄期为 3和7 d 的复合材料阻抗谱的 Nyquist 圆并不明显，随着养护龄期的增加，Nyquist 圆逐步明显，这表示清楚水化初期材料内部构造较为疏松，存在较多的联通孔隙，其特性类似于溶液; 电阻值随着养护龄期增长有明显的增加，电阻值越大，体系的总孔隙率越小

12、，微观构造越致密; 掺入一定质量分数微胶囊的复合材料由于水化初期存在大量的大孔，并且孔隙中均充满了液体，所以电阻率增加幅度并不大 随着水化的进行，孔隙中的水分逐步减少，孔构造大小逐步稳定，且微胶囊囊壁是非导电材料，所以复合材料的电阻值开场增大，电阻率的增加幅度也开场稳定微胶囊的质量分数对水泥自修复复合材料Nyquist 谱图的影响如此图 6 从复合材料电阻值的变化可见，微胶囊质量分数越大，电阻值越高，材料对电腐蚀的防护效果越好 这是由于随着微胶囊质量分数的增加，微球作用愈加显着，材料微观构造越致密 微胶囊囊壁是非导电材料，对电腐蚀和电磁场等环境有较好的阻击作用，因而水泥自修复复合材料能够更好地

13、保卫其内部的钢筋，避免遭到电腐蚀22 2. 3 水泥自修复复合材料抗浸透性 水泥材料表层吸水经过主要是通过毛细管的吸附作用，吸收液体来填充材料内部的空隙 因而，表层的吸水性能在很大程度上取决于材料本身的微观构造 Autoclam 自动浸透性测试仪测得的吸水性系数能够表征材料抗浸透能力的强弱，吸水性能直接反映建筑材料通过毛细管作用吸收的盐水和其它有害液体的量23 水泥自修复复合材料的养护龄期与吸水量、吸水性系数的关系如表 1 和图 7 所示图 7 中直线的斜率即为吸水性系数，它反映了材料吸水性的强弱 系数越大，吸水性越强，抗渗性越弱 由图 7 可知，养护龄期为 1 d 的吸水性系数为0. 332

14、 3，经过 2 d 的快速养护后，其吸水性系数降至 0. 059 0，而当试样再置于空气中 25 d 后，吸水性系数进一步降低至0. 053 3 水泥材料在空气中水化时由于材料的自缩会产生空隙，降低了材料的抗渗性能，吸水性系数会增大 然而实验测得复合材料的吸水性系数并没有随着养护龄期的增加而增大，这是由于微胶囊在水泥基体中起到了增韧的作用，能够补偿部分基体的自缩，所以随着养护龄期的增加，复合材料的构造密实性加强，吸水性系数进一步降低.水泥自修复复合材料吸水性系数与微胶囊质量分数的关系如此图 8 所示 由图 8 可知，复合材料的吸水性系数随着微胶囊质量分数的升高而降低，吸水性系数分别为 0. 3

15、58 2、0. 274 7、0. 110 5 和0. 053 3 随着微胶囊质量分数的增加，复合材料内部的孔体积减小，所以吸水性系数会降低 2. 4 水泥自修复复合材料水化热 水泥在水化经过中伴随着放热现象，水化热是水泥的基本性质之一 水泥的水化热及水化放热速率在一定程度上能够更细微地描绘叙述水泥材料的水化经过 微胶囊的掺入对水泥材料水化经过有一定影响 水泥自修复复合材料在不同水化时间下的水化放热速率与微胶囊质量分数的关系如此图 9 华而不实，图 9 ( a) 为复合材料水化 72 h 的放热速率曲线; 图9 ( b) 为复合材料水化 2 h 的放热速率曲线，能够更清楚明晰地描绘叙述不同质量分

16、数的微胶囊复合材料水化放热速率的差异 由图 9 ( a) 可见，微胶囊的参加使复合材料的水化放热速率减小，当水化时间小于0. 4 h 时，未掺入微胶囊的水泥材料水化速率比掺入微胶囊的水泥复合材料的水化速率大，并且微胶囊质量分数为 4% 的复合材料水化速率比微胶囊质量分数为 6%的复合材料水化速率大; 当水化时间大于 0. 4 h 时，微胶囊质量分数为 4% 的复合材料水化速率大于未掺入微胶囊的水泥材料的水化速率; 当水化时间大于 0. 5 h 时，微胶囊质量分数为6% 的复合材料水化速率大于未掺入微胶囊的水泥材料的水化速率 这是由于未掺入微胶囊的水泥材料水化反响剧烈，所以水化放热速率的峰值最大

17、，且放热速率呈现升得快也降得快的趋势 而当复合材料掺入一定质量分数的微胶囊后，水化反响变得相对缓和，水化放热速率的峰值降低，并且放热速率的变化呈现升高慢降低慢的趋势 由此可见，微胶囊的参加对水泥复合材料的水化经过起到热平衡作用，能让复合材料水化反响的放热相对均匀，进而避免了由于剧烈的放热所引起的急剧升温，使材料内部出现过大的温度应力而产生温度裂缝24水泥自修复复合材料在不同水化时间下的水化放热量与微胶囊质量分数的关系如此图 10 图 10 ( a)为复合材料水化 72 h 的放热总量曲线，从图 10( a) 可见，未掺入微胶囊的水泥材料放热量最大，随着微胶囊质量分数的增加，放热量逐步减少，这是

18、由于掺入的微胶囊吸收了一部分水泥复合材料水化反响热; 图 10 ( b) 为复合材料水化 2 h 的放热总量曲线，由图 10 ( b) 可见，在水化反响的最初 2 h内，水泥复合材料水化放热量随着微胶囊质量分数的增加而减小，这与水化反响速率曲线基本一致 由此可见，微胶囊的参加使水泥材料的水化放热愈加均匀，避免在水化经过中水泥材料内部出现温度的急剧升高，材料内外温差过大所导致的温度应力使材料产生裂缝，进而降低材料的强度和其他性能 因而，微胶囊的参加有可能改善水泥材料水化放热不均匀的问题，这对于大体积混凝土材料尤为重要25，关于微胶囊对水泥材料水化经过中材料内部温度的控制，值得进行更深切进入的研究

19、结 语随着养护龄期的增长，水泥自修复复合材料内部的累积孔体积与出现几率最大的孔径体积不断减少，电阻值明显增大，吸水量与吸水性系数降低随着微胶囊质量分数的增加，复合材料的累积孔体积减少，吸附量与脱附量也相应地减少，电阻值明显增加，吸水量与吸水性系数降低，水化放热总量与放热速率的峰值降低 因而，微胶囊的掺入一定程度上能够提高水泥基复合材料的耐久性、抗电腐蚀性和抗浸透性，并有可能改善水泥材料水化放热不均匀的问题 以下为参考文献 / References: 1Wu Zhongwei，Lian Huizhen High performance concreteM Beijing: China Railw

20、ay Press，1999: 532-550 ( inChinese)吴中伟，廉慧珍 高性能混凝土 M 北京: 中国铁道出版社，1999: 532-550 2Brown E N，Kesslers M R，Sottos N R，et al In situ poly( urea-formaldehyde) micro-encapsulation of dicyclopenta-diene J Journal of Microencapsulation， 2003， 20( 6) : 719-730 3 Song Jian，Chen Lei，Li Xiaojun Microencapsulationtechnologies and applications M Beijing: ChemicalIndustry Press，2001: 27-39 ( in Chinese)宋 健，陈 磊，李效军 微胶囊化技术及应用M 北京: 化学工业出版社，2001: 27-39