化学固化海洋侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复研究
发布时间：2021-04-01 12:59
混凝土是一种脆性材料,在施工与服役过程中容易产生裂缝。服役在海洋环境下的混凝土一旦开裂,裂缝将加快外部侵蚀性离子进入混凝土内部,大幅缩短海工混凝土结构的服役寿命。裂缝自修复技术对解决上述问题有重要的意义。然而,在高盐的海水环境中要使自修复技术能有效提高开裂混凝土的耐久性,就必须使裂缝在短时间内实现完全愈合,同时尽可能减弱已进入裂缝内部的侵蚀性离子的危害。为此,本课题首次提出了固化裂缝中侵蚀性离子并促进裂缝自修复从而构建“阻隔”和“固化”双重防御机制的自修复技术,并阐明了此自修复技术的作用机理。具体研究内容和结果包括:（1）基于反应热力学设计并优化了固化侵蚀离子的新型自修复剂:根据化学热力学理论,从固化侵蚀性离子的难溶沉积物Friedel盐、钙矾石和水镁石、水滑石出发,逆向设计具有化学固化侵蚀性离子的自修复剂。通过热力学模拟分析得出,只需向裂缝溶液体系中提供适当量的Al（OH）4-、Ca2+、OH-离子,则具有固化Cl-、Mg2+、SO4
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混凝土裂缝自愈合[11]
华南理工大学硕士学位论文2图1-1混凝土裂缝自愈合[11]Fig.1-1Autogenousself-healingincrackedconcrete[11]因此为进一步提高混凝土裂缝自愈合能力，科学家们开发出各种通过向混凝土基体掺入自修复剂的裂缝自修复技术，如基于粘结剂、矿物添加剂，微生物等的裂缝自修复技术。1.2.2基于粘结剂的裂缝自修复自White[14]等人提出利用内含粘结剂的微胶囊实现聚合物复合材料的自修复后，大批学者将这种技术运用到混凝土的裂缝自修复中。基于粘结剂的裂缝自修复技术是将高流动性的有机粘结剂灌入胶囊或玻璃管中，并将胶囊或玻璃管预埋在混凝土内（图1-2）。当混凝土构件出现裂缝时，胶囊或玻璃管被裂缝贯穿，其中的粘结剂流出并硬化以封堵裂缝。常用的粘结剂有甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚苯乙烯、碱硅溶液等[15-17]。理想情况下，胶囊应有合适的大小尺寸、壁厚度，并能抵抗混凝土拌和过程中的搅拌应力，与混凝土基体有良好的相容性，以及当基体开裂时，胶囊能被裂缝贯穿。同时，胶囊在基(a)(b)图1-2基于粘结剂的裂缝自修复技术：(a)内含粘结剂的胶囊[18]；(b)内含粘结剂的玻璃管[19]Fig.1.2Self-healingofcracksbasedonadhessiveagentsencapsulatedin(a)microcapsule[18];(b)hollowglasstube[19].
华南理工大学硕士学位论文4图1-3基于微生物的矿化作用的水泥基材料裂缝自修复[13,26]Fig.1-3Self-healingofcementitiousmaterialsbasedonbacteriamineralization[13,26]CO(NH2)2+2H2O→2NH4++CO32-(1-1)CO32-+Ca2+→CaCO3(1-2)CaC6H10O6+6O2→CaCO3+5CO2+5H2O(1-3)5CO2+Ca(OH)2→5CaCO3+5H2O(1-4)Ca(HCOO)2+0.4Ca(NO3)2→1.4CaCO3+0.4N2+0.6CO2+H2O(1-5)2HCOO-+2NO3-+2H+→2CO2+2H2O+2NO2-(1-6)1.2.4基于矿物添加剂的裂缝自修复基于矿物添加剂的裂缝自修复技术是将矿物添加剂在混凝土成型时加入新拌浆体中。当混凝土基体开裂，外界环境中的水进入裂缝并与暴露在裂缝处的矿物添加剂接触，矿物添加剂便会开始溶出并与水或混凝土基体发生反应，反应产物沉淀在裂缝处以封堵裂缝。矿物添加可分为膨胀型添加剂（如CaO、MgO[35-37]等）以及结晶型添加剂（如活性二氧化硅、碳酸盐[38,39]等）。膨胀型添加剂可通过物理吸水溶胀或化学反应后体积迅速增长来封堵裂缝，而结晶型添加剂则是与基体溶出的Ca(OH)2反应形成如C-S-H凝胶、CaCO3等产物以封堵裂缝[40]，所需时间比膨胀型添加剂的较长[41]。有研究表明，使用如NaHCO3、Na2CO3和Li2CO3的碳酸盐添加剂有利于混凝土中CaCO3矿物的重结晶与沉淀。因此，适量地使用碳酸盐添加剂可以增加水泥基材料裂缝的自修复能力[39,42,43]。此外，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微生物诱导矿化的混凝土表面缺陷及裂缝修复技术研究进展[J]. 钱春香,任立夫,罗勉. 硅酸盐学报. 2015(05)
[2]水泥基化学自修复微胶囊系统[J]. 董必钦,王琰帅,丁蔚健,李淑婷,房国豪,邢锋. 北京工业大学学报. 2014(08)
[3]混凝土裂缝的微生物自修复效果[J]. 钱春香,李瑞阳,潘庆峰,罗勉,荣辉. 东南大学学报(自然科学版). 2013(02)
[4]干湿交替环境下混凝土受硫酸盐侵蚀劣化机理[J]. 王海龙,董宜森,孙晓燕,金伟良. 浙江大学学报(工学版). 2012(07)
硕士论文
[1]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[D]. 刘昊.华南理工大学 2019
本文编号：3113375
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混凝土裂缝自愈合[11]
华南理工大学硕士学位论文2图1-1混凝土裂缝自愈合[11]Fig.1-1Autogenousself-healingincrackedconcrete[11]因此为进一步提高混凝土裂缝自愈合能力，科学家们开发出各种通过向混凝土基体掺入自修复剂的裂缝自修复技术，如基于粘结剂、矿物添加剂，微生物等的裂缝自修复技术。1.2.2基于粘结剂的裂缝自修复自White[14]等人提出利用内含粘结剂的微胶囊实现聚合物复合材料的自修复后，大批学者将这种技术运用到混凝土的裂缝自修复中。基于粘结剂的裂缝自修复技术是将高流动性的有机粘结剂灌入胶囊或玻璃管中，并将胶囊或玻璃管预埋在混凝土内（图1-2）。当混凝土构件出现裂缝时，胶囊或玻璃管被裂缝贯穿，其中的粘结剂流出并硬化以封堵裂缝。常用的粘结剂有甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚苯乙烯、碱硅溶液等[15-17]。理想情况下，胶囊应有合适的大小尺寸、壁厚度，并能抵抗混凝土拌和过程中的搅拌应力，与混凝土基体有良好的相容性，以及当基体开裂时，胶囊能被裂缝贯穿。同时，胶囊在基(a)(b)图1-2基于粘结剂的裂缝自修复技术：(a)内含粘结剂的胶囊[18]；(b)内含粘结剂的玻璃管[19]Fig.1.2Self-healingofcracksbasedonadhessiveagentsencapsulatedin(a)microcapsule[18];(b)hollowglasstube[19].
华南理工大学硕士学位论文4图1-3基于微生物的矿化作用的水泥基材料裂缝自修复[13,26]Fig.1-3Self-healingofcementitiousmaterialsbasedonbacteriamineralization[13,26]CO(NH2)2+2H2O→2NH4++CO32-(1-1)CO32-+Ca2+→CaCO3(1-2)CaC6H10O6+6O2→CaCO3+5CO2+5H2O(1-3)5CO2+Ca(OH)2→5CaCO3+5H2O(1-4)Ca(HCOO)2+0.4Ca(NO3)2→1.4CaCO3+0.4N2+0.6CO2+H2O(1-5)2HCOO-+2NO3-+2H+→2CO2+2H2O+2NO2-(1-6)1.2.4基于矿物添加剂的裂缝自修复基于矿物添加剂的裂缝自修复技术是将矿物添加剂在混凝土成型时加入新拌浆体中。当混凝土基体开裂，外界环境中的水进入裂缝并与暴露在裂缝处的矿物添加剂接触，矿物添加剂便会开始溶出并与水或混凝土基体发生反应，反应产物沉淀在裂缝处以封堵裂缝。矿物添加可分为膨胀型添加剂（如CaO、MgO[35-37]等）以及结晶型添加剂（如活性二氧化硅、碳酸盐[38,39]等）。膨胀型添加剂可通过物理吸水溶胀或化学反应后体积迅速增长来封堵裂缝，而结晶型添加剂则是与基体溶出的Ca(OH)2反应形成如C-S-H凝胶、CaCO3等产物以封堵裂缝[40]，所需时间比膨胀型添加剂的较长[41]。有研究表明，使用如NaHCO3、Na2CO3和Li2CO3的碳酸盐添加剂有利于混凝土中CaCO3矿物的重结晶与沉淀。因此，适量地使用碳酸盐添加剂可以增加水泥基材料裂缝的自修复能力[39,42,43]。此外，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微生物诱导矿化的混凝土表面缺陷及裂缝修复技术研究进展[J]. 钱春香,任立夫,罗勉. 硅酸盐学报. 2015(05)
[2]水泥基化学自修复微胶囊系统[J]. 董必钦,王琰帅,丁蔚健,李淑婷,房国豪,邢锋. 北京工业大学学报. 2014(08)
[3]混凝土裂缝的微生物自修复效果[J]. 钱春香,李瑞阳,潘庆峰,罗勉,荣辉. 东南大学学报(自然科学版). 2013(02)
[4]干湿交替环境下混凝土受硫酸盐侵蚀劣化机理[J]. 王海龙,董宜森,孙晓燕,金伟良. 浙江大学学报(工学版). 2012(07)
硕士论文
[1]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[D]. 刘昊.华南理工大学 2019
本文编号：3113375
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