基于离子络合剂的裂缝自修复技术在海工混凝土中的作用及其机理研究

发布时间：2020-06-14 10:27

【摘要】：混凝土结构在施工和服役过程中,极易产生不同尺寸的裂缝。裂缝加速海洋环境中侵蚀性离子向混凝土内部扩散的速度,严重影响钢筋混凝土的耐久性。混凝土裂缝自修复技术是解决开裂海洋工程混凝土耐久性问题的途径之一。然而,目前大部分针对裂缝自修复的研究都在淡水条件下开展,未考虑海水中多离子对自修复过程的影响。要使裂缝自修复能最大程度地提高开裂海工混凝土的耐久性,就必须使混凝土具备快速且完全的自修复能力。本课题提出了基于离子络合剂“捕捉”海水离子以促进沉淀物在裂缝中形成从而提高自修复效果的思路,对比分析不同离子络合剂及掺量对混凝土裂缝自修复的提升效果,阐明了海水离子和离子络合剂对裂缝自修复的共同作用机理。具体研究内容和结果包括:(1)探究了海水离子在没有离子络合剂存在的条件下对裂缝自愈合的影响。实验结果表明海水中的Mg~(2+)离子对水泥净浆裂缝自愈合有明显的促进作用,在海水浸泡条件下裂缝内部形成大量以Mg(OH)_2为主的自愈合产物,而海水中的SO_4~(2-)和Cl~-对裂缝自愈合过程几乎没有影响。在12小时浸泡和12小时干燥的干湿循环条件下,裂缝吸收海水及海水从裂缝中蒸发的过程促进了自愈合产物中Mg(OH)_2和CaCO_3形成,促使裂缝愈合率提高,而干燥时间较长的干湿循环制度(1小时浸泡和23小时干燥)不利于裂缝自愈合。相比于初始宽度为150μm的裂缝,在初始宽度为400和600μm的裂缝中,海水离子和干湿循环条件对自愈合过程的促进作用更加显著。较大的裂缝宽度在浸泡过程中有利于海水离子进入裂缝,且在干燥过程中有利于海水的蒸发,从而进一步促进自愈合产物的形成。(2)深入研究了基于离子络合剂的裂缝自修复技术在海水中对裂缝自修复的提升作用及机理。在海水浸泡条件下,三乙醇胺对水泥净浆的裂缝自修复效果有显著的促进作用。实验证明,对于含1.5%三乙醇胺的水泥净浆,初始宽度为400μm的裂缝在海水中浸泡2天即可完全自修复。通过对自修复1天后的产物进行表征发现,Mg(OH)_2相对含量高达66%。通过模拟试验证实了三乙醇胺可迅速提高溶液的碱度,OH~-离子增多,与海水中高浓度Mg~(2+)离子共同作用,从而使得Mg(OH)_2在裂缝口局部位置首先达到饱和状态并快速析出沉淀,实现裂缝快速且完全愈合;随着自修复时间的延长,由于空气中的CO_2不断地溶于海水,并扩散迁移至裂缝中与基体中溶出的Ca~(2+)反应形成CaCO_3沉淀,以至CaCO_3在自修复产物中的含量由最初的14%增加至自修复28天的33%。此外,根据文献报道三乙醇胺可使净浆基体中Ca(OH)_2的晶粒尺寸减小且使其结晶度降低,使得直接暴露在裂缝表面的Ca(OH)_2增多且更容易溶解,进而促进Mg(OH)_2等修复产物的形成。(3)探究了离子络合剂对水泥基材料基本性能的影响。目前三乙醇胺的掺量通常在0.2%以内,鉴于其对海水中水泥净浆裂缝自修复的促进作用,本研究探索了三乙醇胺更大掺量的可能性。因此,研究了掺量为1.5%的三乙醇胺对水泥基材料基本性能的影响,发现掺入1.5%的三乙醇胺使浆体的屈服应力增大,对浆体工作性能产生极大的负面影响;水泥净浆的终凝时间延长;增大硬化浆体的最可几孔径,且会增加一定量的大孔;各龄期的水泥胶砂强度降低。但通过掺入0.05-0.1%缓释型聚羧酸减水剂后可有效改善三乙醇胺引起的负面作用,基本满足国家标准规定的技术指标。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75
【图文】：

裂缝自愈,机理,自修复技术

氧化钙的溶解迁移和重结晶、碳化作用下碳酸钙的形成[23]（如图1-1）。然而，通常认为依靠自身愈合所能完全修复的裂缝最大宽度为60 μm[12]，且需要很长的修复时间[24]，自愈合的效果和效率都难以达到大幅提高混凝土结构耐久性的要求。图1-1 裂缝自愈合的机理[22, 25]Fig. 1-1 The mechanism of crack self healing[22]为此，研究人员提出了多种方法来提升混凝土裂缝自修复的能力，即在混凝土中有目的性地添加自修复组分[16]，主要包括基于粘结剂的自修复技术、基于微生物的自修复技术、基于矿物添加剂的自修复技术和基于离子络合剂的自修复技术等。1.2.2 基于粘结剂的裂缝自修复基于粘结剂的裂缝自修复技术是利用液体粘结剂的固化作用来实现裂缝的填补和修复裂缝。通常是将液体粘结剂[26]封装进中空玻璃管[27, 28]、微胶囊[29, 30]等载体内（图1-2）并预埋到混凝土中，当混凝土出现裂缝时，会触发部分玻璃管或微胶囊破裂，液体粘结剂流入到裂缝中，从而填充裂缝并将裂缝断面粘接起来，达到自修复的效果[31]。

自修复技术,粘结剂,裂缝

（b）装有粘结剂的微胶囊[32]图1-2 基于粘结剂的裂缝自修复技术Fig. 1-2 Healing-agent-containing based approach研究表明基于液体粘结剂的裂缝自修复技术具有修复速度快、粘结力强等优点。然而，当裂缝中存在水时，液体粘结剂难以在裂缝中硬化，因此，基于粘结剂的自修复技术不适用于海洋混凝土结构。1.2.3 基于微生物的裂缝自修复基于微生物的裂缝自修复技术是利用微生物的代谢作用促进碳酸钙[33-37]沉积来实现裂缝自修复。在1990年，Gollapudi等[38]首次提出可以利用微生物的代谢作用，诱导生成碳酸钙沉淀，进而修复裂缝，并且不同的微生物可以通过不同的代谢过程诱导生成碳酸钙沉淀。根据微生物的代谢方式，可以分为四类微生物[39]：硫循环型[40]、光合作用型[40]、厌氧型[40]和好氧型[15]。与其他产生碳酸钙的代谢方式相比，厌氧菌酶化作用分解尿素的方式更容易控制，而且这种代谢方式可以在短时间之内诱导生成大量的碳酸钙，效率很高[41, 42]。通过微生物体内脲酶的催化作用

【参考文献】