骨仿生自修复水泥基材料的设计制备与研究
发布时间：2021-12-12 11:38
水泥基材料到目前为止仍是世界上使用最广泛的建筑材料,但是受到其固有的低抗拉强度和多变的外界环境的影响,水泥基材料容易开裂。裂缝是影响基体耐久性和力学性能的重要原因。因此水泥基材料的裂缝修复方法受到了广泛的关注。羟基磷灰石（HA）作为骨组织的重要成分,在骨组织的自愈合过程中起了极大的作用。本文利用骨仿生的原理,采用水凝胶为载体负载磷酸盐制备成修复剂,并将水凝胶加入水泥净浆中制备成自修复水泥基材料。利用磷酸盐和裂缝中钙离子原位生成羟基磷灰石修复裂缝,并探究其修复效率和修复机理。具体结论如下:（1）成功制备了三种水凝胶AN1、AN2、AK2并研究了水凝胶作为自修复载体的基本性质及其对水泥基材料的力学性能、耐久性能、工作性能和水化的影响。AN1水凝胶在基体中保存磷酸盐的能力最强,而AN2水凝胶最弱;水凝胶的掺入会降低样品力学性能和耐久性能,水凝胶掺入越多,降低幅度越大。水凝胶的掺入会降低浆体的流动度并缩短其凝结时间。（2）为验证骨仿生自修复水泥基材料的可行性,本文探究了HA的物相形貌随常温溶液合成环境变化的规律及HA在合成条件下的化学稳定性,探究了水凝胶在模拟裂缝中形成HA的物相形貌及生长机理...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)化学包封自修复方法；(b)细菌添加剂自愈合方法；(c)矿物掺和料自愈合方法；(d)玻璃管添加剂自愈合方法；(e)控制裂缝宽度自愈合方法[5]
3图1-2水泥基材料自体修复方法示意图自体修复现象在水泥基材料中是非常常见的，但是它的产生需要三个必要条件：(1)特定化学成分的存在，例如空气中CO2和胶凝材料中未水化的水泥颗粒；(2)暴露于多变的环境中，例如干湿循环。(3)裂缝宽度较小，裂缝宽度小于150μm能被完全修复。如果裂缝宽度大于150μm就很难实现自体修复[10-12]，据报道自体自修复愈合的最大裂缝宽度在200-300μm之间[13]。通常小于60μm的小裂纹是由于残余熟料的连续水化或溶解的氢氧化钙Ca(OH)2的碳化而产生自愈合效果的。其它的机械现象，如水泥水化产物的膨胀和裂缝造成的水性碎屑或松散的混凝土颗粒堵塞，可能部分地促进自体愈合，但很少受到关注。自体愈合是一个自然发生的过程，且仅限于狭窄的裂缝，因此自体愈合很难被人为控制[14-16]。一般自体愈合的产物都会出现碳酸钙，这是由于裂缝中的溶液为碱性而空气中二氧化碳持续不断的融入，造成在裂缝边缘的地方碳酸根不断积累从而形成碳酸钙沉淀修复裂缝，这可以用B-Bary的模型来解释[17]。1.2.2自主修复自主修复是在人为因素影响下的一种自愈合现象，是可控的。根据愈合机制的不同，一般使用三种材料来实现天然的自主愈合：(1)矿物掺合料，(2)细菌，(3)聚合物粘合剂[18,19]。黄浩良等利用高掺量矿粉的混凝土在外界辅以Ca(OH)2溶液，并且在3d内形成了可观的自修复速度，修复的产物为C-S-H、钙矾石、水榴石、OH-水滑石等[13,20]。目前主流的自主修复方式大多是利用微生物实现的，大多用巴斯德菌，枯草芽孢杆菌，巴氏杆菌等可以在碱性条件下存活的细菌，然后将细菌放入不同化学物质的培养基中，放在特定的温度下保存培养一段时间。最后将培养基和细菌放
9Cl-，CO32-取代；磷酸根也容易被CO32-离子取代形成碳化羟基磷灰石。这些离子取代会引起羟基磷灰石晶格参数和结晶度微小的改变，也会影响其溶解度，但是取代不会对HA的六方晶系结构产生明显影响[53]。羟基磷灰石是骨组织的重要组成成分之一，它与骨骼里面的其他的生物成分构成了坚固的骨结构。骨组织中的羟基磷灰石容易被一些元素(Cl-，F-，K+)和基团(HPO42-，CO32-)取代，但其结构不会改变，它的其主要成分是碳化缺钙的羟基磷灰石(CCDHA)。CCDHA中的主要取代基是CO32-，在人体骨骼中CO32-占据5-8wt％[55]。当CO32-取代PO43-的位置时，其机械性能得到改善[56]。CCDHA可分为两种类型，当CO32-取代羟基(-OH)时，其为A型取代，其结晶度较高。A型CCDHA通常通过HA与CO2气体在高温下反应形成[31]。当CO32-取代PO43-时，该产物被命名为B型。B型取代通常形成于溶液中，具有较低的结晶度，室温下B型产物的形态通常是球状的。碳酸根离子的浓度会影响CCDHA的类型：当CO32-的浓度低时，CO32-可以取代-OH和PO43-。在CO32-浓度较高时，B型取代更常见[53]。骨矿物质中的CCDHA既含有A型又包含B型，但B型CCDHA在骨骼中是主要种类[57]。羟基磷灰石的形成与很多因素有关例如反应物浓度、pH值、过饱和浓度和温度等[58]，由于pH在4-12时其溶度积在所有的磷酸盐沉淀中是最低的(如图1-4所示)[59]，所以在碱性环境中基本上是生成HA。但由于Ca/P和HA结晶程度的不同，羟基磷灰石的形貌会发生变化[60,61]。图1-3碳酸氢盐浓度和沉淀温度对碳化羟基磷灰石物相及形貌的影响[53]
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷酸盐缓凝剂对水泥基速凝类浆液影响机制的研究与应用[J]. 赵鹏,张庆松,郑东柱,朱明听,李鹏. 硅酸盐通报. 2016(04)
[2]高机械性能的聚（丙烯酸-co-甲基丙烯酸十八酯）疏水缔合凝胶的溶胀行为研究[J]. 陈清瑞,刘畅,姜国庆,刘晓丽,杨猛,张丹,刘凤岐. 高分子学报. 2010(06)
博士论文
[1]无定形磷酸钙为前驱体的羟基磷灰石成核动力学[D]. 蒋淑琴.浙江大学 2015
硕士论文
[1]用于自修复混凝土Cl-/CO32-触发微胶囊的制备与表征[D]. 管毓杰.深圳大学 2015
本文编号：3536608
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)化学包封自修复方法；(b)细菌添加剂自愈合方法；(c)矿物掺和料自愈合方法；(d)玻璃管添加剂自愈合方法；(e)控制裂缝宽度自愈合方法[5]
3图1-2水泥基材料自体修复方法示意图自体修复现象在水泥基材料中是非常常见的，但是它的产生需要三个必要条件：(1)特定化学成分的存在，例如空气中CO2和胶凝材料中未水化的水泥颗粒；(2)暴露于多变的环境中，例如干湿循环。(3)裂缝宽度较小，裂缝宽度小于150μm能被完全修复。如果裂缝宽度大于150μm就很难实现自体修复[10-12]，据报道自体自修复愈合的最大裂缝宽度在200-300μm之间[13]。通常小于60μm的小裂纹是由于残余熟料的连续水化或溶解的氢氧化钙Ca(OH)2的碳化而产生自愈合效果的。其它的机械现象，如水泥水化产物的膨胀和裂缝造成的水性碎屑或松散的混凝土颗粒堵塞，可能部分地促进自体愈合，但很少受到关注。自体愈合是一个自然发生的过程，且仅限于狭窄的裂缝，因此自体愈合很难被人为控制[14-16]。一般自体愈合的产物都会出现碳酸钙，这是由于裂缝中的溶液为碱性而空气中二氧化碳持续不断的融入，造成在裂缝边缘的地方碳酸根不断积累从而形成碳酸钙沉淀修复裂缝，这可以用B-Bary的模型来解释[17]。1.2.2自主修复自主修复是在人为因素影响下的一种自愈合现象，是可控的。根据愈合机制的不同，一般使用三种材料来实现天然的自主愈合：(1)矿物掺合料，(2)细菌，(3)聚合物粘合剂[18,19]。黄浩良等利用高掺量矿粉的混凝土在外界辅以Ca(OH)2溶液，并且在3d内形成了可观的自修复速度，修复的产物为C-S-H、钙矾石、水榴石、OH-水滑石等[13,20]。目前主流的自主修复方式大多是利用微生物实现的，大多用巴斯德菌，枯草芽孢杆菌，巴氏杆菌等可以在碱性条件下存活的细菌，然后将细菌放入不同化学物质的培养基中，放在特定的温度下保存培养一段时间。最后将培养基和细菌放
9Cl-，CO32-取代；磷酸根也容易被CO32-离子取代形成碳化羟基磷灰石。这些离子取代会引起羟基磷灰石晶格参数和结晶度微小的改变，也会影响其溶解度，但是取代不会对HA的六方晶系结构产生明显影响[53]。羟基磷灰石是骨组织的重要组成成分之一，它与骨骼里面的其他的生物成分构成了坚固的骨结构。骨组织中的羟基磷灰石容易被一些元素(Cl-，F-，K+)和基团(HPO42-，CO32-)取代，但其结构不会改变，它的其主要成分是碳化缺钙的羟基磷灰石(CCDHA)。CCDHA中的主要取代基是CO32-，在人体骨骼中CO32-占据5-8wt％[55]。当CO32-取代PO43-的位置时，其机械性能得到改善[56]。CCDHA可分为两种类型，当CO32-取代羟基(-OH)时，其为A型取代，其结晶度较高。A型CCDHA通常通过HA与CO2气体在高温下反应形成[31]。当CO32-取代PO43-时，该产物被命名为B型。B型取代通常形成于溶液中，具有较低的结晶度，室温下B型产物的形态通常是球状的。碳酸根离子的浓度会影响CCDHA的类型：当CO32-的浓度低时，CO32-可以取代-OH和PO43-。在CO32-浓度较高时，B型取代更常见[53]。骨矿物质中的CCDHA既含有A型又包含B型，但B型CCDHA在骨骼中是主要种类[57]。羟基磷灰石的形成与很多因素有关例如反应物浓度、pH值、过饱和浓度和温度等[58]，由于pH在4-12时其溶度积在所有的磷酸盐沉淀中是最低的(如图1-4所示)[59]，所以在碱性环境中基本上是生成HA。但由于Ca/P和HA结晶程度的不同，羟基磷灰石的形貌会发生变化[60,61]。图1-3碳酸氢盐浓度和沉淀温度对碳化羟基磷灰石物相及形貌的影响[53]
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷酸盐缓凝剂对水泥基速凝类浆液影响机制的研究与应用[J]. 赵鹏,张庆松,郑东柱,朱明听,李鹏. 硅酸盐通报. 2016(04)
[2]高机械性能的聚（丙烯酸-co-甲基丙烯酸十八酯）疏水缔合凝胶的溶胀行为研究[J]. 陈清瑞,刘畅,姜国庆,刘晓丽,杨猛,张丹,刘凤岐. 高分子学报. 2010(06)
博士论文
[1]无定形磷酸钙为前驱体的羟基磷灰石成核动力学[D]. 蒋淑琴.浙江大学 2015
硕士论文
[1]用于自修复混凝土Cl-/CO32-触发微胶囊的制备与表征[D]. 管毓杰.深圳大学 2015
本文编号：3536608
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