自修复混凝土

自修复混凝土土木工程材料学读书报告12010302费蓉概念研究现状原理与技术存在问题•事后维修•定时维修主要形式•表面涂抹砂浆、表面涂抹环氧胶泥•水泥灌浆、化学灌注•钢筋加固和预应力加固等主要方法研究和开发新型自修复混凝土，使其能够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性能已成为结构－智能一体化混凝土的发展趋势。目标新的思路构想源自于仿生在受到损伤破坏时，植物或动物体内的分泌系统均会自动分泌出一定物质，进行填充、修复或者局部再生。生物体的再生机能将材料设置成开放体系，在其使用过程中对微小缺陷防微杜渐，参照生命过程有关概念输入能量或物质，就有可能以较低代价使材料性能显著改善，大大的延长使用寿命，从而为复合材料研究找到一条更具有生命力的新途径获得具有类似生物材料的结构及功能的“活”材料系统专家们预言，将来的材料将具有类似生物系统的功能，能够根据外部条件的变化相应地改变其自身特性，具有修复和再生的机能自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生，恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。自修复混凝土，从严格意义上来说，应该是一种机敏混凝土。机敏混凝土感知修复智能混凝土的初级阶段混凝土材料发展的高级阶段自修复混凝土多种完善的仿生功能•骨骼系统（基材）提供的承载能力•神经系统（传感网络）提供的检测和感知能力•肌肉系统（驱动元件）提供的康复能力，结构——智能一体化解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径：混凝土及其结构能够自动适应环境，在受到损伤后自行修复智能仿生混凝土的研究水泥基导电复合材料水泥基磁性复合材料具有屏蔽磁场和电磁波的水泥基复合材料损伤自诊断水泥基复合材料自动调节环境温度、湿度的水泥基复合材料没有比较完善的理论和成熟的工艺技术目前只有美国、日本等少数国家处于实验室探索阶段，尚未取得实质性的进展。国外最早：Abram发现混凝上试件在抗拉强度测试开裂后，将其放在户外8年，裂纹竟然愈合了，而且强度比先前提高了两倍。美国伊利诺斯大学的CarolynDry研究了一种混凝土裂缝主动修复技术192519901994199619982001美国Illinois大学的CarolynDry教授将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。Carolyn研究了一种由钴、过氧化氢和甲基丙烯酸甲酯胶结剂三部分组成的内部修复系统日本学者H.Hilalshi和英国学者S.M.Bleay分别在1998、2001年采用类似的方法研究了混凝上裂纹的自防护问题。美国伊利诺伊斯大学的ATRE实验室在混凝土桥面里预埋装有低模量的修复胶结剂的惰性管，用来修复桥面的横向收缩引起的裂缝。国内起步阶段南京航空航天大学——智能材料与结构航空科技重点实验室•1997年，他们研究了利用形状记忆合金（SMA丝）和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。•2001年，南京航空航天大学的杨红提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。同济大学——混凝土材料研究国家重点实验室•研究仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分即所谓的第六组分，如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。混凝土自修复技术裂缝形成原因不同，修复的方法、过程和效果也不同结晶沉淀自修复渗透结晶自修复电解沉积自修复仿生自修复微生物沉积自修复智能自修复3232CaCoCOCa(85.7waterpH)HCaCoHCOCa332(85.7waterpH)在水流或水介质作用下，利用物理、热学、力学、化学过程实现混凝土微裂缝的自修复碳酸钙化学结晶沉淀是其主要的自修复机理形成的碳酸钙晶体，在裂缝中不断聚集、生长，结晶体与相邻的结晶体之间键合以及结晶体与水泥浆体和骨料表面的化学粘结，逐渐将裂缝密封、修复修复原理影响效果与因素•结晶沉淀自修复是一个自然修复过程•修复后混凝土的回复强度较弱•依赖于混凝土和水中的Ca2+、HCO-或CO32-浓度•提高水温，提高水PH值，降低水中的二氧化碳分压等，有利于裂缝中碳酸钙的形成和修复•碳酸钙晶体的形成•修复反应只发生在混凝土中有潮气或水，但没有拉力存在的情况下•晶体生长速度取决于裂缝宽度、水压力和混凝土组成在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料修复原理影响效果与因素在潮湿或水中养护条件下，以水为载体，通过渗透作用，使渗透结晶材料中的特殊活性化学物质在混凝土形成不溶性的枝蔓状结晶体混凝土干燥时，该活性化学物质处于休眠状态；一旦混凝土开裂，有水浸入时，活性化学物质再次激活，催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续水化，生成新的结晶物，对裂缝进行自动填充,实现自修复•渗透结晶自修复是一种主动激发修复过程•渗透结晶反应在整个使用过程是持续进行的•活性化学物质反应生成的硅酸盐结晶体，与混凝土结为一体，从而增加混凝土的密实度，提高混凝土的性能•修复的效果主要受裂缝的大小、渗透结晶材料中的活性成分、混凝土的孔隙率及孔结构等影响.对较宽的裂缝修复效果不佳自修复能力的评价主要考虑混凝土自身潜在的修复能力以及外部激发的修复能力,一般主要考虑抗拉、抗压强度的回复率、混凝土抗渗试验中的第二次抗渗压力等适合于海洋混凝土工程结构或长期处于潮湿环境中的工程结构，如大坝、海洋石油钻井平台等修复原理影响效果与因素以水或海水中各类矿物化合物作为电解质溶液，利用电化学技术，使溶液中的阳离子得到电子，生成难溶性的化合物，沉积在混凝土结构裂缝内和混凝土表面，从而填充、密实混凝土裂缝。修复前裂缝尖端有电流集中现象，因此最先沉积沉淀物，其曲率半径增大，从而抑制了裂缝的进一步扩展修复后•修复后混凝土表面形成一层物理上的保护层，有效地降低了混凝土内部的气液介质的流动，从而降低混凝土的渗透性•沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响•混凝土抗氯离子侵蚀和抗碳化等性能明显提高•修复效果主要从裂缝的封闭率、渗水率、表面涂覆率和重量变化等方面来评价修复原理影响效果与因素生物的损伤自修复断骨血肿外骨痂内骨痂裂口血肿的形成内外骨痂的形成骨痂的改造自修复是生物的重要特征之一骨骼是生物体自修复功能的典型例子骨折——血管破裂——血液流出——凝结——伤口修复模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某些物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土基体中预埋内含高分子修复胶粘剂的修复胶囊或修复纤维管，形成智能型自修复网络系统。内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图图2-2内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图Figure2-2Sketchmapofself-repairmechanismofconcreteusingembeddedexotericfibersfilledwithadhesive愈合管道修复剂容器夹子橡皮管•可以提高开裂部分的强度，增强其延性弯曲的能力，从而提高整个结构的性能•较硬的胶粘剂可以使受损结构重新获得横向刚度•不同凝固时间的胶粘剂可以对结构的弯曲进行控制•低模量胶粘剂可以改善结构阻尼特性;问题必须解决好三个关键的问题修复胶粘剂的贮存修复剂胶粘剂至损伤处的传送修复功能的触发利用成岩微生物，为其提供充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其酶化作用，沉积制备出碳酸钙晶体，将石质材料胶结起来，以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复修复原理影响效果与因素•菌株的酶化作用，使底物不断分解CO32-,并使浓度不断增加-23CO菌体酶化底物(2-3)22Ca-CellCaCell(2-4)3-232CaCO-CellCOCa-Cell(2-5)•在溶液中引入Ca2+，菌体细胞带负电的水可溶有机质不断螯合Ca2+•驱物浓度不断增到有利于核心化，沉积出碳酸钙晶体•利用微生物沉积碳酸钙进行自修复资源丰富，环境友好，应用广泛•外界条件如环境PH值、温度、压力、反应物浓度，溶液过饱和度，反应物种类等因素,都会直接影响沉积出的碳酸钙晶型和形貌•寻找选择适宜的菌株乃是整个技术关键•在混凝土中其缺陷周围含有的水化产物氢氧化钙可以为碳酸钙的沉积直接提供钙离子源将形状记忆合金等功能元件和含有修复胶粘剂的纤维管预埋在混凝土中，从而在混凝土内部形成密集分布的自适应、自诊断、自修复网络，使其具有感知和激励功能，即能够对外界环境变化因素产生感知，自动做出适时、灵敏和恰当的响应。修复原理影响效果与因素•同时通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应，或利用形状记忆合金弹性丝恢复时，对裂缝面施加压应力，并且迫使裂缝合拢闭合，使混凝土挠度和变形恢复•一旦裂缝宽度超过允许的限值时，纤维管破裂，修复剂流出修复裂缝•智能自修复利用修复胶粘剂对裂缝面的粘结功能和形状记忆合金等功能元件的驱动功能，实现了混凝土自修复•形状记忆合金恢复时产生的压力，可提高修复胶粘剂的粘结强度，从而提高修复质量。•形状记忆合金的配置量、合金的粗细、合金初始预应变值、合金与混凝土的连结方式等因素决定了梁的变形性能及自修复能力•形状记忆合金或聚合物都需要时间来转化，修复剂在裂缝面上的扩散以及修复剂固化等都需要一定的时间，因此应对形状记忆合金和修复胶粘剂的性能进行深一步的研究虽然国外一些专家对自修复混凝上作了一些工作，但是从自修复混凝上的发展来看，目前尚有许多问题需要解决。例如，结构耐久性、短管及短管空穴对强度的影响、多次可愈合性、胶液的时效、以及愈合的可靠性和可行性等一系列问题，另外有关修复胶粘剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机理的研究、纤维或短管的选择、分布特性、其与混凝土的断裂匹配的相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等问题，研究尚不完全，还有大量的工作需要做。特别是对自修复混凝土在实际生产中的制备和应用上所存在的问题，解决好这些问题无疑将对自修复混凝土今后的发展产生深远的影响。