基于陶粒内置碳源自愈合水泥基材料的实验研究

发布时间：2020-10-27 13:07

　　 混凝土作为目前使用最广的建筑材料,由于其异质性和低抗拉强度在服役期间很容易产生开裂。而裂缝的存在不仅会降低混凝土结构的承载力,更会降低结构抵抗有害物侵蚀的能力。如果裂缝未能被及时修补,可能会发生材料的失效以及结构的破坏,进而可能引发经济损失甚至是人员伤亡等严重后果。为满足建筑可持续性发展的需求,在传统的事后修补和定时维护的方式的基础上,出现了混凝土自愈合的概念,为解决混凝土耐久性难题提供了新的思路。本文在文献总结和前期试验的基础上,尝试通过以添加掺合料的形式提升混凝土的自愈合能力。本文利用陶粒这种多孔骨料作为碳酸钠的容器并组合使用膨胀剂和结晶添加剂等外加剂来实现混凝土裂缝的自愈合;基于评价自愈合效率的需求,设计了内置特型钢丝网的预制可控裂缝方法;提出利用图像处理技术测量裂缝面积并以裂缝面积的变化来评估自愈合效率的评价方法;设计制作气体渗透性测试装置,并通过对优选配比试样的气体渗透性测试验证其修复效率;通过结合X射线衍射仪和环境扫描电镜等材料分析手段对于自愈合机理进行分析讨论。此外,本文还对混凝土的流动度、强度演化、电阻率变化、抗氯离子渗透及钢筋极化电阻进行了测试,评估该自愈合掺合料体系对于混凝土性能的影响;并设计制作封装型陶粒来升级改善该自愈合掺合料体系。根据试验研究得到以下主要结论:(1)针对40*40*160mm棱柱体和φ50*50mm圆饼形两种样品设计了两种裂缝制作方法。其中,对φ50*50mm圆饼形样品利用有限元方法分析不同配筋形式下的损伤过程,并优选出内置缺口钢丝网作为制作裂纹可控水泥基样品的方案。两种方法所得裂缝宽度均在0-200μm之间,良好地解决了损伤引入及重复性制作的问题。(2)提出了组合利用掺合料(硫铝酸钙膨胀剂、结晶添加剂、磷酸氢钙)和吸附碳酸钠陶粒的自修复体系。通过静水养护后表面裂缝的愈合行为初步验证了该体系的可行性。利用正交实验设计(L9_3~4)对提出的自修复体系进行配合比优化,以裂缝面积愈合率作为自愈合效率评估指标,优选出具有较高自愈合潜力的配合比(II-5和II-7)。II-7和II-5的预开裂样品在静水养护28天后平均裂缝面积闭合率分别达到0.7678和0.6854。通过气体渗透性测试再次验证了优选配比的自愈合能力,静水中养护28天后实验II-7组最大恢复效率达到了0.6528。(3)X射线衍射仪和环境扫描电镜等结果表明裂缝自愈合产物主要是方解石。对比无自愈合掺合料的样品,在含有自愈合掺合料体系的样品中修复产物不仅生成量更多并且能在裂缝更深处形成。最后提出内置碳源概念解释该体系自修复的机理。(4)针对优选配比(II-5和II-7)对混凝土工作性能的影响,分别测试了含有自愈合掺合料体系混凝土和空白组混凝土的流动度、强度演化、电阻率变化、抗氯离子渗透及钢筋极化电阻。试验结果表明,该自愈合掺合料体系对于混凝土和易性和强度均有提升。掺合料体系的加入会推迟电阻率最低点的出现时间,并显著增大基体7天龄期电阻率。在渗透性方面,实验组II-5和II-7的氯离子扩散系数D分别为8.08和8.50低于空白组氯离子扩散系数10.18。但同时发现,该自愈合掺合料体系加入后会提高钢筋活性状态。(5)利用环氧树脂包覆陶粒和硅粉分离样品的封装方法实现了对陶粒的封装。通过热稳定性测试和离子扩散测试评价和验证该方法的封装效果:封装样品60℃下3h平均质量损失为2.73%;在去离子水中浸泡336h(14d)后,氯离子扩散量为吸附氯离子总含量的1.07%。此外在表面愈合测试中,封装后陶粒自愈合掺合料体系均表现出一定的自愈合能力。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

Fig.1-3 Different causes that can lead to autogenic self-healing[5].图 1-3 几种导致自生修复的机理[5]自主修复的实现则是由于添加修复媒介，如中空玻璃管、形状记忆合实现。十年来各地研究者对于水泥基材料自修复进行了大量的实验研究和探创新。下面的几节中，分别简要介绍了几种目前水泥基材料中研究热式。于微胶囊自修复技术微胶囊来实现自修复的概念最开始是由 S. R. White 等人[6]在《自然聚合法将烯烃聚合和高分子体系等合成整体，并成膜用于作为修补材用微胶囊实现自修复只需要通过添加适当的修复剂作为囊芯即可，并可以根据需求来设计。因此微胶囊作为修复载体被认为是一种优秀的

ig. 1-4 Self-healing based on microcapsule[图 1-4 微胶囊自修复[8]cal healing mechanism of microcapsules bas1-5 基于物理触发微胶囊自修复的四种机囊技术实现自修复已经得到了很大的研究者们提出了很多可以用于生成囊实现微胶囊的智能化。国内深圳大学体系通过 pH 值的变化来精确触发胶时间的函数并且该体系对钢筋腐蚀有

Fig. 1-5 Physical healing mechanism of microcapsules based materials[7].图 1-5 基于物理触发微胶囊自修复的四种机制[7]这些年来利用微胶囊技术实现自修复已经得到了很大的发展，并且有了很多破。除了聚合材料外，研究者们提出了很多可以用于生成囊壁的材料。如化学触的囊壁材料也被开发来实现微胶囊的智能化。国内深圳大学王延帅[9]提出了一种发型的微胶囊体系，该体系通过 pH 值的变化来精确触发胶囊破裂释放修复物，明微胶囊的释放过程是时间的函数并且该体系对钢筋腐蚀有保护作用。此外，很的囊芯材料被开发用作修复剂，如环戊二烯聚体、氢氧化钠、环氧树脂、单氟硅酸蒙大纳州立大学的 Yang[10]则是以石油和硅胶分别作为囊芯与囊壁的胶囊体系。系中甲基丙烯酸甲酯单体和三乙基硼烷分别作为愈合剂和催化剂，并利用气体渗疲劳加载证实了该体系的可行性。深圳大学王险峰团队则是使用由脲醛树脂为囊氧树脂为囊芯的微胶囊并将催化剂分散在水泥中的自修复体系，并且在修复效果相容性和胶囊破裂准则等方面做出了许多研究[11-13]。在该团队实验研究[14,15]中孔
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本文编号：2858561