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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学、河北工大、北京交大硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、混凝土耐久性专业委员会委员,全国混凝土标准化技术委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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混凝土裂缝自愈合性能的研究及进展  

2017-02-20 07:48:46|  分类: 行业发展 |  标签: |举报 |字号 订阅

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任志琴 混凝土与水泥制品网

 

混凝土在受力或其它因素的作用下,会出现裂缝,影响了混凝土的使用寿命,裂缝自愈合混凝土可以在不影响结构尺寸和美观的情况下,在混凝土出现裂缝后,自动分泌出的粘结液流出深入裂缝,粘结液可使混凝土裂缝重新愈合,恢复并提高混凝土的性能。

 

 1.裂缝的危害以及形成的原因

 

土木工程结构中,钢筋和混凝土是最常使用的两种材料。但是,由于受到自身材料性能的限制,钢筋混凝土结构中总是存在着程度不同的裂缝,裂缝对结构的使用性能及使用寿命都会产生非常大的影响:一方面,在外荷载的作用下,结构的破坏都是由混凝土中裂缝的逐渐发展所导致;另一方面,裂缝的存在会导致裂缝处钢筋发生锈蚀,从而影响整个建筑物的安全性及耐久性能。裂缝产生的原因可描述如下:钢筋混凝土结构物在使用过程中承受两大类荷载:第一类荷载包括静、动荷载和其他荷载;第二类荷载即变形荷载。结构的裂缝就是由这两大类荷载引起的,概括起来裂缝的主要成因如下:1)由于外荷载(动、静荷载)的直接作用引起的裂缝;2)由外荷载作用引起的结构次内力,由此产生裂缝;3)由变形引起的裂缝,即结构由温度变化引起自身的收缩膨胀从而引起变形,当变形得不到满足,则在结构内部引起应力,应力超过某一限值后产生裂缝。根据大量的调查资料,工程实际中的裂缝产生的原因,属于变形变化(温度、收缩、不均匀沉降)引起的约占80%以上;属于由荷载引起的约占20%左右。

 

2.混凝土本身的愈合能力

 

在混凝土裂缝自愈合研究的初期阶段,主要是基于混凝土本身潜在的愈合能力的研究,实际体现在对于其机理和愈合效果的研究。J.Stefan(1995)将混凝土试件冻融破坏后,放置水中23个月后混凝土几乎能全部恢复损失的共振频率,并且裂缝中有钙矾石晶体和氢氧化钙晶体。此实验是在有水环境中且产生了水泥水化产物,这说明混凝土自愈合可能的形成原因是混凝土中未水化完全的水泥再次水化。国内也有学者做了这方面的实验和研究,并更进一步得到确切结论。

 

程东辉、潘洪涛对混凝土的这种自愈合现象的机理进行了研究,得出了其愈合的四方面原因,其中水泥浆体水化就是主要原因。且对于3mm左右的裂缝,当其暴露于水环境大于600小时,裂缝可以完全愈合。但是可愈合的裂缝宽度在不同的情况下是否会改变该研究并未进行探索。于是又有学者在这方面展开了研究。姚武、钟慧的研究发现混凝土的自愈合能力存在一个损伤阈值,损伤小于损伤阈值时随损伤的增大,自愈合率也增大;损伤大于损伤阈值则随损伤的增大,自愈合率减小。李厚祥、唐春安等通过试验分析得到了在一定水压梯度下,一周后可能自愈合的混凝土裂缝宽度。结果表明,水压梯度越大,裂缝自愈合所容许的宽度越小。刘小艳等对混凝土自愈合的性能做了试验研究,试验结果表明低等级水泥比高等级水泥同条件下的自愈合能力强,掺入粉煤灰和碳纤维对混凝土的愈合能力都有提高。这表明混凝土的成分会影响其愈合能力。

 

通过他们的研究可以看出,混凝土本身的愈合能力非常有限,不仅需要合适的湿度等条件,而且愈合较缓慢,即使改变混凝土的成分,对其愈合能力的提高也满足不了预期修复水平。通过激发混凝土本身的愈合能力来修复结构可行性不大。

 

3.仿生学引起的方法

 

生物有机体的显著特点之一是具有再生机能,受到破坏以后机体能自行修补创伤。骨是具有自修复和自适应特性的一个范例,图1所示为骨的自修复过程。骨折后断裂处的血管破裂,血液由血管的撕裂处流出,形成以裂口为中心的血肿,继而成为血凝块,称为破裂凝块,并初步将裂口连接(1(a))。接着形成由新生骨组织组成的骨痂,位于裂口区内和周围(1(b))。与此同时,裂口内的纤维骨痂变成软骨,进一步增生而形成中间骨痂,然后中间骨痂和内外骨痂合并,在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下将原始骨痂改造成正常骨(l(c))。在修复过程中新骨在变形处凹面形成,而老骨从变形处凸面去除。自修复是生物体在长期进化过程中形成的一种自我保护、自我恢复的方式,是对外界损伤的敏感响应。

 

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人们从生物体系统中得到启示,希望在混凝土结构中得到与生物体中相类似的修复系统,当混凝土中出现裂缝或损伤时,能够触发一种自动的修复反应,自动愈合。现已经发展好几种裂缝仿生自复技术,图2为混凝土自修复技术流程图及相关的问题,其一为封闭裂缝自修复,其二为填充裂缝自修复。

 

3.1 封闭裂缝自修复混凝土

 

封闭裂缝自修复混凝土形状记忆合金性能稳定,电阻率大,对应变敏感,可恢复应变大;当恢复受到约束时能产生较大的恢复力。利用形状记忆合金的这些特性,将形状记忆合金或聚合物预埋在混凝土结构中易产生裂缝的部位或构件,可制成裂缝白监测、自修复机敏混凝土。在外力作用下混凝土产生变形,形状记忆合金将随之产生应变。当混凝土结构构件出现裂缝时,裂缝处的形状记忆合金丝的应变增大,从而导致其内部电阻值发生变化。根据事先测定的形状记忆合金丝应变与电阻值的关系,由测定电阻变化值的单片机就可自动确定实际裂缝的宽度,由形状记忆合金丝的埋置位置,单片机就可确定是那根结构件或何处发生裂缝,从而可实现混凝土结构裂缝的自诊断、自监测。一旦裂缝的宽度超过允许的限值时,单片机启动接通电流的装置,通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应。形状记忆合金恢复时对裂缝面施加压应力,抑制裂缝的开展,并且迫使裂缝合拢、闭合,使混凝土结构构件的挠度和变形恢复。形状记忆合金使两裂缝面重新结合到一起,减少了裂缝末端的应力集中,没有应力集中裂缝将不再扩展,因此混凝土裂缝实际上被修复。

 

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3.2 填充裂缝自修复混凝土

 

填充裂缝自修复混凝土是在混凝土中布置许多细小纤维(或多孔的形状记忆合金)管道,管中装有修复剂(交联聚合物或溶剂),或在混凝土中掺入内含修复剂的空心胶囊,在外界环境作用下,一旦混凝土开裂或出现损伤,内装的修复剂流出渗入损伤处,填充裂缝,并在两裂缝面之间形成黏结,使其愈合。其中的修复反应是通过裂缝末端压力场来引发的,增加的压力将使空心胶囊和纤维破裂或使多孔的形状记忆合金变形,修复剂由裂缝所创造的通道表面的毛细作用从胶囊和纤维中传送到裂缝面,或由形状记忆合金的收缩产生的压力传送到裂缝区;然后通过射线、附加化学物质(对于多成分的修复剂),或温度的改变来触发修复剂发生聚合反应,修复裂缝及损伤。在传统的人工修复混凝土结构裂缝方法中,修复剂贮存在结构的外部容器中,修复时将修复剂的各组份混合在一起并调匀,通过压力使其传送到损伤区,形成黏结、修复裂缝。因此,要使混凝土具有白行修复性且相当地快速,必须解决好3个关键的问题:a、修复剂的贮存;b、修复剂至损伤处的传送;c、修复功能的触发。

 

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,是解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径。但是如何适时地快速地修复混凝土材料的损伤,以及对混凝土的自修复机理的研究,直到近年来,随着机敏混凝土和仿生混凝土研究热的兴起,才引起人们的重视。所有的研究大致集中在3个方面:内置纤维管自修复混凝土、内置胶囊自修复混凝土、形状记忆合金智能自修复混凝土。

 

3.2.1 内置纤维管自修复混凝土

 

在仿生自愈合混凝土的初期研究中,一般的思路是模仿动物受伤后流出血液进行愈合,于是主要的模型是在纤维管中注入高强度的胶粘剂。美国CarolynDry旧在1990年发表的文章中提出了一种混凝土裂缝自愈合的方法,即通过预埋含有胶粘剂的纤维,用加热的方式启动修复。可以说这是仿生自愈合混凝土研究的开始。DryCarolyn还尝试了其他方法。他将多孔的纤维网预埋在磷酸钙水泥(含单聚物)中,多孔纤维会释放出引发剂,引发水泥中的单聚物反应形成高聚物,反应生成的水又进一步与水泥中未水化的粒子发生水化反应。另外,他试验了一种由甲基丙烯酸甲酯(MMA),过氧化氢和钻组成的修复系统,将MMA与后两种试剂中的一种混合注入纤维管,与注入了余下的另一试剂的纤维管同时预埋到混凝土中,纤维管随混凝土开裂而破裂后三种试剂混合会形成强度极大的物质从而修复裂缝。

 

3.2.2 内置胶囊自修复混凝土

 

胶囊对胶粘剂容器进行改革,产生了一种新的仿生自愈合方法,即以胶囊包裹胶粘剂,分散在混凝土中。这种方法比用纤维管更能将修复剂分布均匀,能使修复液覆盖区域更广,从而更迅速地到达破损位置。日本三桥博三等将注有胶粘剂(分别是水玻璃,环氧树脂等)的空心胶囊掺入混凝土中,当混凝土开裂,胶囊随之破裂,胶粘剂流出对裂缝进行修复。

 

3.2.3 形状记忆合金

 

形状记忆合金(简称SMA)具有形状记忆效应和超弹性性能。根据需要,SMA元件可以在100℃以下的某个设定温度产生动作,实现对设备或装置的自动控制或保护:也可以按作用力的大小设计SMA驱动元件,驱动元件的动作反应时间可以根据需要在一定范围内调节。因为SMA的这种性能,它被应用到了自愈合混凝土的研究中,以期通过温度或者应力控制来达到混凝土感知,并进行反应的目的。

 

4 现阶段存在的问题

 

裂缝仿生自修复混凝土是一种智能材料,埋入在混凝土材料中的功能元件,使其变得有“感觉”和“知觉”,能够对外界环境变化自动做出恰当的响应,并具有自我修复功能,研究难度较大。虽然国内外研究人员已对混凝土裂缝仿生自修复开展了许多重要的工作,取得了一定的修复效果,但是如何适时地快速地修复混凝土材料的损伤,尚处于起步阶段,没有形成系统的理论和应用方法。要加快自修复混凝土的实用化进程,应继续进行以下几方面的研究:(1)修复纤维和修复胶囊的选择。在掺入含有修复剂的空心纤维或空心胶囊的修复方法中,存在玻璃纤维或胶囊的制备工艺复杂,与混凝土原材料共同搅拌破裂等一系列问题。因此,进一步研制和开发一种强度较低、性能与混凝土材料性能相匹配的智能材料来取代现有的玻璃修复胶囊和玻璃修复纤维是必须解决的问题。(2)修复材料的数量。修复胶囊(或纤维)太少不能形成完全修复,多了对混凝土材料的宏观性能有一定的影响。因此,应进一步研究由于修复胶囊(或纤维)的掺入给混凝土性能带来的不利影响,同时结合修复后混凝土的强度回复率、裂缝封闭率、混凝土的耐久性以及断裂能等,确定其数量的最佳取值范围。(3)修复材料的时效。所有的修复方法都牵涉到时间落后的问题,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黏剂的性能进行深一步的研究,提高形状记忆合金的响应速度,研制和开发低黏度、快速硬化的修复胶黏剂。(4)修复剂的补给。在裂缝修复时,当一条裂缝愈合,必然在修复纤维中出现一个“空位”,尽管此时新缺陷的危险性小于原裂缝,但显然会影响材料性能。因此,对修复过程中的修复剂的补给应进一步的研究,建立快速的补给体系,以保证损伤处有足够多的修复剂。对于多次修复的可行性也有待于进一步深入地研究和讨论。(5)修复剂的传输。生物体内的物质传输是通过体内纵横交错的网络来实现。比如动物体内血液传输是由许多动、静脉血管及无数毛细血管完成。同时,心脏的跳动为血液的流动提供了必要的能量。在自修复过程中修复剂的传输仅靠其自身的渗透是一个很缓慢甚至较难进行的过程,因此应向修复管道内施加适当的压力,以促进修复剂的流动。管内压力与修复质量关系,管内压力与修复范围的关系,以及修复剂的释放速度等这些问题有待于进一步研究。(6)裂缝宽度的控制。裂缝宽度必须控制,否则的话,将需要大量的修复管,这将影响混凝土的性能。就是不考虑修复剂的量,最大的裂缝允许宽度也受驱动机理有效性的限制,驱动修复剂到基体裂缝中是依靠裂缝所创造的狭窄通道表面的毛细管作用,而修复管内的毛细管作用力抑制修复剂流出,因此裂缝宽度应该被限制在小于修复管的内直径范围内。此外,裂缝过宽,修复剂将顺着裂缝面在重力作用往下流,而不会在裂缝面上渗透,修复效果差,而且纤维管上方的裂缝也无法修复。因此,要想达到理想的修复效果,实现裂缝的快速地在线修复,对控制裂缝宽度的方法进行深一层的研究具有现实意义。(7)主动和被动修复。在主动加热熔化纤维表面的石蜡,从纤维管壁的孔隙中释放修复剂修复混凝土裂缝的技术中,修复剂的释放时间可由人工控制,但需要主动传感器和外界能源,加热对混凝土的性能有一定的影响。而在从纤维管(或胶囊)的破裂释放修复剂的被动修复中,纤维管(或胶囊)的破裂就是驱动修复剂释放的传感器,释放位置是预定的,但胶黏剂的释放时间不易控制。因此,应结合两种修复技术的优点,进一步研究既能控制修复时间又能控制修复位置,且能够根据混凝土损伤程度、裂缝的宽度大小自动调整修复剂的流出量,而且比较经济的智能修复技术。

 

结语

 

本文主要介绍了混凝土裂缝仿生自修复技术和国内外混凝土裂缝仿生自修复的研究现状。虽然自修复混凝土的理论还有待进一步的完善,它在结构中的应用仍处于尝试阶段,但是随着人们对自修复混凝土研究工作的深入开展,利用其自行修复性,为混凝土材料的安全使用和维护保障提供可靠的技术保证是现实可行的,裂缝自修复混凝土在结构中的应用前景是十分广阔的。在这方面继续深入研究,对实现以较低成本获得材料可靠性提高的目标非常有意义,同时对进一步开发结构一智能一体化的混凝土也具有重要的意义。

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