1、 自修复混凝土自修复混凝土 第第1 1章章 绪论绪论 l 混凝土当今世界上用途最广、最大的材料之一混凝土当今世界上用途最广、最大的材料之一 混凝土已有混凝土已有100100多年的历史，多年的历史， 抗压强度高、耐久性好、成本低等特点抗压强度高、耐久性好、成本低等特点 广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、道路、港口和海洋工程等。广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、道路、港口和海洋工程等。 2000 2000年混凝土用量约为年混凝土用量约为1010亿立方米，亿立方米，20032003年为年为1515亿立方米，在逐年增加亿立方米，在逐年增加l 混凝土是一种多孔性的脆性材料混凝土是一种多孔性的脆性材料 在使用
2、过程和周围环境的影响下在使用过程和周围环境的影响下 产生裂纹和局部损伤，重者则危及结构的安全，产生裂纹和局部损伤，重者则危及结构的安全， 轻者会影响结构的使用性能，减少其使用寿命轻者会影响结构的使用性能，减少其使用寿命1.1 1.1 研究背景研究背景l 在可预见的将来，仍然是一种现代建设不可缺少的建筑材料在可预见的将来，仍然是一种现代建设不可缺少的建筑材料 混凝土已逐渐向高强、高性能多功能和智能化方向发展混凝土已逐渐向高强、高性能多功能和智能化方向发展 混凝土结构也趋于大型化和复杂化混凝土结构也趋于大型化和复杂化 l 但是这些方法并未从根本上改变混凝土的性能弱点，但是这些方法并未从根本上改变混
3、凝土的性能弱点，这影响了混凝土材料在新型结构和复杂环境的应用这影响了混凝土材料在新型结构和复杂环境的应用因此，对于使用在结构中的混凝土修复一个长期因此，对于使用在结构中的混凝土修复一个长期困扰着建筑技术人员的技术难题困扰着建筑技术人员的技术难题l 多年来，人们对原材料、外加剂、浇捣方法和养护多年来，人们对原材料、外加剂、浇捣方法和养护工艺等方面加以研究和改进，取得了很大的成果工艺等方面加以研究和改进，取得了很大的成果 l混凝土混凝土修复修复的主要方法的主要方法表面涂抹砂浆、表面涂抹环氧胶泥表面涂抹砂浆、表面涂抹环氧胶泥水泥灌浆、化学灌注水泥灌浆、化学灌注钢筋加固和预应力加固等钢筋加固和预应力加
4、固等 l但是但是, ,这些停留在被动和计划模式下的修复方式已不能适应现这些停留在被动和计划模式下的修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求l混凝土混凝土修复修复的主要形式的主要形式事后维修或定时维修事后维修或定时维修研究和开发新型研究和开发新型自修复混凝土自修复混凝土，使其能够主动、自动地对，使其能够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性能已成为损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性能已成为结构智能一体化混凝土的发展趋势。结构智能一体化混凝土的发展趋势。 l 自修复复合材料的构想源自于仿生自修复复合材料的构想源自
5、于仿生 在受到损伤破坏时，在受到损伤破坏时，植物或动物体内的分泌系统植物或动物体内的分泌系统 均会自动分泌出一定物质，进行填充、修复或者局部再生。均会自动分泌出一定物质，进行填充、修复或者局部再生。1.21.2自修复复合材料自修复复合材料l 生物体的再生机能为材料科学者提供了新的思路生物体的再生机能为材料科学者提供了新的思路 将材料设置成开放体系，在其使用过程中对微小缺陷防微杜渐，将材料设置成开放体系，在其使用过程中对微小缺陷防微杜渐， 参照生命过程有关概念输入能量或物质，参照生命过程有关概念输入能量或物质， 就有可能以较低代价使材料性能显著改善，大大的延长使用寿命，就有可能以较低代价使材料性
6、能显著改善，大大的延长使用寿命， 从而为复合材料研究找到一条更具有生命力的新途径从而为复合材料研究找到一条更具有生命力的新途径l 目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的“活活”材料系材料系统统 专家们预言，将来的材料将具有类似生物系统的功能，专家们预言，将来的材料将具有类似生物系统的功能， 能够根据外部条件的变化相应地改变其自身特性，具有修复和再生的机能能够根据外部条件的变化相应地改变其自身特性，具有修复和再生的机能 自修复复合材料的应用自修复复合材料的应用l起初设计应用于航天航空起初设计应用于航天航空工业，目前自修复技术已经工业，目前自修复技术已
7、经应用到各项领域应用到各项领域l交通，如汽车和航天飞机交通，如汽车和航天飞机组件或结构中，在损伤发展组件或结构中，在损伤发展到危险水平之前将其修复到危险水平之前将其修复l运动商品，如网球拍，头运动商品，如网球拍，头盔等，改善这些产品的质量盔等，改善这些产品的质量l油漆，涂层等修复损伤，油漆，涂层等修复损伤，保护其不受外界环境的破坏保护其不受外界环境的破坏l医药，心脏起搏器；电子医药，心脏起搏器；电子工业，电路板；阻止其失效工业，电路板；阻止其失效 l 19601960年在美国召开第一次仿生学讨论会以来，年在美国召开第一次仿生学讨论会以来， 开始了复合材料的自修复研究开始了复合材料的自修复研究自
8、修复复合材料研究现状自修复复合材料研究现状l 美国伊利诺大学的斯科特美国伊利诺大学的斯科特. .怀特等人利用液态二环戊二烯和催化剂怀特等人利用液态二环戊二烯和催化剂 成功的研制了一种可以用在飞机和卫星上的自修复增强塑料成功的研制了一种可以用在飞机和卫星上的自修复增强塑料l 美军坦克及机动车辆司令部军备研究开发工程中心研制了美军坦克及机动车辆司令部军备研究开发工程中心研制了 新一代具有故障自愈调控功能的、免维修、少维修的军用装备新一代具有故障自愈调控功能的、免维修、少维修的军用装备l S. R. White等人研究了一种自修复环氧树脂等人研究了一种自修复环氧树脂 l 在在我国我国，以中国科学院及
9、西北工业大学为主，以中国科学院及西北工业大学为主 中科院金属所已在铝合金、碳纤维增强铝复合材料等中科院金属所已在铝合金、碳纤维增强铝复合材料等 材料和器件上进行了自修复的研究，其效果令人振奋材料和器件上进行了自修复的研究，其效果令人振奋 张伟刚等研究了了陶瓷张伟刚等研究了了陶瓷/ /碳复合材料的自修复抗氧化碳复合材料的自修复抗氧化l 全军装备维修表面工程研究中心全军装备维修表面工程研究中心研究的纳米减摩自修复技术研究的纳米减摩自修复技术l 南京航空航天大学南京航空航天大学的的杨红、陶宝祺等进行了杨红、陶宝祺等进行了空心光纤自诊断、自修空心光纤自诊断、自修复网络系统的探索复网络系统的探索 图 1
10、-4 自诊断、自修复空心光纤智能结构 显示 LD发光管 接受光敏管 定向耦合器 端面镀银 数据处理 数据采集 光纤传感器网络 发射接受电路 控制系统 注胶系统 电源 复合材料 光纤端头密封 光纤端 头密封 l 一种导致材料内部损坏的因素一种导致材料内部损坏的因素，诸如动力荷载，诸如动力荷载自修复复合材料的组成自修复复合材料的组成l 在交叉连接聚合体的情况下，在交叉连接聚合体的情况下， 使基体中的化学制品固化的一种方法使基体中的化学制品固化的一种方法 或在单体的情况下干燥基体的一种方法或在单体的情况下干燥基体的一种方法l 一种释放修复用化学制品的驱动力一种释放修复用化学制品的驱动力，如纤维的破裂
11、，如纤维的破裂l 一种用于储存修复化学制品的容器一种用于储存修复化学制品的容器，如纤维、微胶囊等，如纤维、微胶囊等l 一种修复用化学制品一种修复用化学制品， 包括单体或聚合物，它对驱动力产生反应，发生移动或是变化包括单体或聚合物，它对驱动力产生反应，发生移动或是变化l 在纤维内部的推动化学制品的因素在纤维内部的推动化学制品的因素 混凝土及其结构能够自动适应环境，在受到损伤后自行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修复，是解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径自修复混凝土的研究现状自修复混凝土的研究现状l 1990 1990，美国伊利诺斯大学
12、的，美国伊利诺斯大学的Carolyn DryCarolyn Dry 研究了一种混凝土裂缝主动修复技术研究了一种混凝土裂缝主动修复技术l 但对于自修复混凝土的研究，但对于自修复混凝土的研究， 直到近年来，随着机敏混凝土和仿生混凝土研究热的兴起，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，国内外研究都处于起步阶段才引起人们的重视，国内外研究都处于起步阶段 l 日本的三桥博三教授，分别用水玻璃，稀释水玻璃和环氧树脂等材料作日本的三桥博三教授，分别用水玻璃，稀释水玻璃和环氧树脂等材料作 为修复剂，将其注入空心玻璃纤维中并掺入混凝土材料中，测试经不同为修复剂，将其注入空心玻璃
13、纤维中并掺入混凝土材料中，测试经不同 修复剂在开裂修复后，混凝土材料的强度回复率。修复剂在开裂修复后，混凝土材料的强度回复率。l 1996,Carolyn1996,Carolyn研究了一种由钴、过氧化氢和甲基丙烯酸甲酯胶结剂研究了一种由钴、过氧化氢和甲基丙烯酸甲酯胶结剂 三部分组成的内部修复系统三部分组成的内部修复系统l 美国伊利诺伊斯大学的美国伊利诺伊斯大学的ATREATRE实验室在混凝土桥面里预埋装有低模量的实验室在混凝土桥面里预埋装有低模量的 修复胶结剂的惰性管，用来修复桥面的横向收缩引起的裂缝。修复胶结剂的惰性管，用来修复桥面的横向收缩引起的裂缝。 l 同济大学在混凝土中复合特殊组分，
14、如仿生传感器、含胶粘剂的同济大学在混凝土中复合特殊组分，如仿生传感器、含胶粘剂的 液芯纤维等，实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复液芯纤维等，实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复l 1998,Carolyn1998,Carolyn研究了自动阻止钢筋腐蚀的新方法研究了自动阻止钢筋腐蚀的新方法l 哈尔滨工业大学的李惠等的研究结果表明：哈尔滨工业大学的李惠等的研究结果表明：SMASMA筋可以有效减小裂缝处筋可以有效减小裂缝处 钢筋混凝土梁的拉应力，甚至使拉应力变为压应力。钢筋混凝土梁的拉应力，甚至使拉应力变为压应力。l 美国的美国的Arup KArup K等研究了将形状记忆合金绞
15、线对砂浆小梁的驱动作用等研究了将形状记忆合金绞线对砂浆小梁的驱动作用l 日本的沼尾达弥等对自修复混凝土中的不同纤维尺寸日本的沼尾达弥等对自修复混凝土中的不同纤维尺寸 和不同水灰比等对混凝土修复后产生的影响作了一些研究和不同水灰比等对混凝土修复后产生的影响作了一些研究l 何思龙，陶宝祺，清华大学的邓宗才等何思龙，陶宝祺，清华大学的邓宗才等 对形状记忆合金自修复混凝土对了一些初步的探讨。对形状记忆合金自修复混凝土对了一些初步的探讨。 本本文文主主要要研研究究内内容容混凝土自修复混凝土自修复原理原理与技术与技术研究研究内置胶囊自修复混凝土研究内置胶囊自修复混凝土研究内置纤维胶液管裂缝自修复混凝土研究
16、内置纤维胶液管裂缝自修复混凝土研究形状记忆合金智能自修复混凝土的研究形状记忆合金智能自修复混凝土的研究混凝土渗透结晶自修复研究混凝土渗透结晶自修复研究自修复混凝土是一种智能材料，复合在混凝土中的功能元件，使自修复混凝土是一种智能材料，复合在混凝土中的功能元件，使其变得有其变得有“感觉感觉”和和“知觉知觉”，能够对外界环境变化自动做出恰，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，没有形成系统当的响应，并具有自我修复功能，研究难度较大，没有形成系统的理论和应用方法，目前尚有许多问题需要解决的理论和应用方法，目前尚有许多问题需要解决混凝土自修复技术混凝土自修复技术1 1
17、 结晶沉淀自修复结晶沉淀自修复2 2 渗透结晶自修复渗透结晶自修复3 3 电解沉积自修复电解沉积自修复4 4 仿生自修复仿生自修复6 6 智能自修复智能自修复第第2 2章章 混凝土自修复原理与技术混凝土自修复原理与技术5 5 微生物沉积积自修复微生物沉积积自修复l 混凝土自修复技术指混凝土依靠自身或外部环境的作用，混凝土自修复技术指混凝土依靠自身或外部环境的作用， 在一定的条件下内部的损伤和裂缝在一定的条件下内部的损伤和裂缝 能够自行修复，恢复、甚至提高混凝土性能的方法能够自行修复，恢复、甚至提高混凝土性能的方法l 裂缝形成原因不同，修复的方法、过程和效果也不同裂缝形成原因不同，修复的方法、过
18、程和效果也不同3232CaCoCOCa (85.7waterpH) HCaCoHCOCa332 (85.7waterpH) 方程方程2.1 2.1 结晶沉淀自修复结晶沉淀自修复修复原理修复原理 l 在水流或水介质作用下，利用物理、热学、力在水流或水介质作用下，利用物理、热学、力学、化学过程实现混凝土微裂缝的自修复学、化学过程实现混凝土微裂缝的自修复l 碳酸钙化学结晶沉淀是其主要的自修复机理碳酸钙化学结晶沉淀是其主要的自修复机理形成的碳酸钙晶体，在裂缝中不断聚集、生长，结晶体形成的碳酸钙晶体，在裂缝中不断聚集、生长，结晶体与相邻的结晶体之间键合以及结晶体与水泥浆体与相邻的结晶体之间键合以及结晶体
19、与水泥浆体和骨料表面的化学粘结，逐渐将裂缝密封、修复和骨料表面的化学粘结，逐渐将裂缝密封、修复影响因素与效果影响因素与效果l 结晶沉淀自修复是一个自然修复过程结晶沉淀自修复是一个自然修复过程l 修复后混凝土的回复强度较弱修复后混凝土的回复强度较弱 依赖于混凝土和水中的依赖于混凝土和水中的 、或浓度、或浓度提高水温，提高水提高水温，提高水PHPH值，降低水中的二氧化碳分压值，降低水中的二氧化碳分压等，有利于裂缝中碳酸钙的形成和修复等，有利于裂缝中碳酸钙的形成和修复 l 碳酸钙晶体的形成碳酸钙晶体的形成l 修复反应只发生在混凝土中有潮气或水，但没修复反应只发生在混凝土中有潮气或水，但没有拉力存在的
20、情况下有拉力存在的情况下l 晶体生长速度取决于裂缝宽度、水压力和混凝土组成晶体生长速度取决于裂缝宽度、水压力和混凝土组成 2.2 2.2 渗透结晶自修复渗透结晶自修复修复原理修复原理 l 在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料l在潮湿或水中养护条件下，以水为载体，通过渗透作在潮湿或水中养护条件下，以水为载体，通过渗透作 用，使渗透结晶材料中的特殊活性化学物质在混凝土形用，使渗透结晶材料中的特殊活性化学物质在混凝土形成不溶性的枝蔓状结晶体成不溶性的枝蔓状结晶体l 混凝土干燥时，该活性化学物质处于休眠状态；一旦混凝土混凝土干燥时，该活性化学物质处于休眠状态；一
21、旦混凝土 开裂，有水浸入时，活性化学物质再次激活，催化混凝土中开裂，有水浸入时，活性化学物质再次激活，催化混凝土中 未完全水化的水泥颗粒继续水化，生成新的结晶物，对裂缝未完全水化的水泥颗粒继续水化，生成新的结晶物，对裂缝进行自动填充进行自动填充, ,实现自修复实现自修复 影响因素与效果影响因素与效果l 渗透结晶自修复是一种主动激发修复过程渗透结晶自修复是一种主动激发修复过程 2Ca2Cal 渗透结晶反应在整个使用过程是持续进行的渗透结晶反应在整个使用过程是持续进行的l 活性化学物质反应生成的硅酸盐结晶体，与混凝土结活性化学物质反应生成的硅酸盐结晶体，与混凝土结为一体，从而增加混凝土的密实度，提
22、高混凝土的性能为一体，从而增加混凝土的密实度，提高混凝土的性能l 修复的效果主要受裂缝的大小、渗透结晶材料中的活修复的效果主要受裂缝的大小、渗透结晶材料中的活性成分、混凝土的孔隙率及孔结构等影响性成分、混凝土的孔隙率及孔结构等影响. .对较宽的裂缝修复效果不佳对较宽的裂缝修复效果不佳 l 自修复能力的评价主要考虑混凝土自身潜在的修复能力以自修复能力的评价主要考虑混凝土自身潜在的修复能力以 及外部激发的修复能力及外部激发的修复能力, ,一般主要考虑抗拉、抗压强度的一般主要考虑抗拉、抗压强度的回复率、混凝土抗渗试验中的第二次抗渗压力等回复率、混凝土抗渗试验中的第二次抗渗压力等 2.32.3电解沉积
23、自修复电解沉积自修复 l 修复原理修复原理 以水或海水中各类矿物化合物作为电解质溶液，利用电化学以水或海水中各类矿物化合物作为电解质溶液，利用电化学技术，使溶液中的阳离子得到电子，生成难溶性的化合物，技术，使溶液中的阳离子得到电子，生成难溶性的化合物，沉积在混凝土结构裂缝内和混凝土表面，从而填充、密实混沉积在混凝土结构裂缝内和混凝土表面，从而填充、密实混凝土裂缝。凝土裂缝。修复前修复前 裂缝尖端有电流集中现象，因此最先沉积沉淀物，其曲率半裂缝尖端有电流集中现象，因此最先沉积沉淀物，其曲率半径增大，从而抑制了裂缝的进一步扩展径增大，从而抑制了裂缝的进一步扩展 修复后修复后 影响因素与效果影响因素
24、与效果l 修复后混凝土表面形成一层物理上的保护层，有效地降低了修复后混凝土表面形成一层物理上的保护层，有效地降低了混凝土内部的气液介质的流动，从而降低混凝土的渗透性混凝土内部的气液介质的流动，从而降低混凝土的渗透性 2Ca2Cal 沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响l 混凝土抗氯离子侵蚀和抗碳化等性能明显提高混凝土抗氯离子侵蚀和抗碳化等性能明显提高 l 修复效果主要从裂缝的封闭率、渗水率、表面涂覆率修复效果主要从裂缝的封闭率、渗水率、表面涂覆率和重量
25、变化等方面来评价和重量变化等方面来评价 适合于海洋混凝土工程结构或长期处于潮湿环境中的工程结构，适合于海洋混凝土工程结构或长期处于潮湿环境中的工程结构，如大坝、海洋石油钻井平台等如大坝、海洋石油钻井平台等 断骨血肿断骨血肿 外骨痂外骨痂 内骨痂内骨痂 2.4 2.4 仿生自修复仿生自修复 裂口血肿的形成裂口血肿的形成 内外骨痂的形成内外骨痂的形成 骨痂的改造骨痂的改造 l 自修复是生物的重要特征之一自修复是生物的重要特征之一l 骨骼是生物体自修复功能的典型例子骨骼是生物体自修复功能的典型例子骨折骨折血管破裂血管破裂血液流出血液流出凝结凝结伤口修复伤口修复生物的损伤自修复生物的损伤自修复混凝土仿
26、生自修复原理混凝土仿生自修复原理 模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某些物质，而使创伤部位得模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某些物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土基体中预埋内含高分子修复胶粘剂的修到愈合的机能，在混凝土基体中预埋内含高分子修复胶粘剂的修复胶囊或修复纤维管，形成智能型自修复网络系统。复胶囊或修复纤维管，形成智能型自修复网络系统。内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图 图 2-2 内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图 Figure 2-2 Sketch map of self-repair mechanism of conc
27、rete using embedded exoteric fibers filled with adhesive 愈合管道 修复剂容器 夹子 橡皮管 影响因素与效果影响因素与效果l 可以提高开裂部分的强度，增强其延性弯曲的能力，可以提高开裂部分的强度，增强其延性弯曲的能力，从而提高整个结构的性能从而提高整个结构的性能 2Ca2Ca 较硬的胶粘剂可以使受损结构重新获得横向刚度较硬的胶粘剂可以使受损结构重新获得横向刚度 不同凝固时间的胶粘剂可以对结构的弯曲进行控制不同凝固时间的胶粘剂可以对结构的弯曲进行控制 必须解决好三个关键的问题必须解决好三个关键的问题l修复胶粘剂的贮存修复胶粘剂的贮存l修复剂
28、胶粘剂至损伤处的传送修复剂胶粘剂至损伤处的传送l修复功能的触发修复功能的触发l 低模量胶粘剂可以改善结构阻尼特性低模量胶粘剂可以改善结构阻尼特性; ;2.52.5微生物沉积自修复微生物沉积自修复 l 修复原理修复原理 利用成岩微生物，为其提供充分适宜的生存、繁殖和活化反利用成岩微生物，为其提供充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其酶化作用，沉积制备出应条件，加速其酶化作用，沉积制备出碳酸钙晶体碳酸钙晶体，将石质，将石质材料胶结起来，以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复材料胶结起来，以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复l 菌株的酶化作用，使底物不断分解菌株的酶化作用，使底物不断分解 , ,并使浓
29、度不断增加并使浓度不断增加整个反应过程整个反应过程l 在溶液中引入，菌体细胞带负电的水可溶有机质不断螯合在溶液中引入，菌体细胞带负电的水可溶有机质不断螯合 l 驱物浓度不断增到有利于核心化，沉积出碳酸钙晶体驱物浓度不断增到有利于核心化，沉积出碳酸钙晶体影响因素与效果影响因素与效果l 利用微生物沉积碳酸钙进行自修复利用微生物沉积碳酸钙进行自修复 资源丰富，环境友好，应用广泛资源丰富，环境友好，应用广泛2Ca2Cal 外界条件如环境外界条件如环境PHPH值、温度、压力、反应物浓度，值、温度、压力、反应物浓度， 溶液过饱和度，反应物种类等因素，溶液过饱和度，反应物种类等因素， 都会直接影响沉积出的碳
30、酸钙晶型和形貌都会直接影响沉积出的碳酸钙晶型和形貌l 寻找选择适宜的菌株乃是整个技术关键寻找选择适宜的菌株乃是整个技术关键l 在混凝土中其缺陷周围含有的水化产物氢氧化钙可以为在混凝土中其缺陷周围含有的水化产物氢氧化钙可以为 碳酸钙的沉积直接提供钙离子源碳酸钙的沉积直接提供钙离子源以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复2.6 2.6 智能自修复智能自修复 修复原理修复原理 将将形状记忆合金形状记忆合金等功能元件和含有等功能元件和含有修复胶粘剂修复胶粘剂的纤维管预埋在混的纤维管预埋在混凝土中，从而在混凝土内部形成密集分布的自适应、自诊断、自凝土中，从而在混凝土内部形成
31、密集分布的自适应、自诊断、自修复网络，使其具有感知和激励功能，即能够对外界环境变化因修复网络，使其具有感知和激励功能，即能够对外界环境变化因素产生感知，自动做出适时、灵敏和恰当的响应。素产生感知，自动做出适时、灵敏和恰当的响应。l 同时通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应，同时通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应， 或利用形状记忆合金弹性丝恢复时，对裂缝面施加压应力，或利用形状记忆合金弹性丝恢复时，对裂缝面施加压应力， 并且迫使裂缝合拢闭合，使混凝土挠度和变形恢复并且迫使裂缝合拢闭合，使混凝土挠度和变形恢复l 一旦裂缝宽度超过允许的限值时，一旦裂缝宽度超过允许的限值时， 纤维管破裂，修
32、复剂流出修复裂缝纤维管破裂，修复剂流出修复裂缝 影响因素与效果影响因素与效果l 智能自修复利用修复胶粘剂对裂缝面的智能自修复利用修复胶粘剂对裂缝面的粘结功能粘结功能和形状记和形状记 忆合金等功能元件的忆合金等功能元件的驱动功能驱动功能，实现了混凝土自修复，实现了混凝土自修复 2Ca2Cal 形状记忆合金恢复时产生的压力，可提高修复胶粘剂形状记忆合金恢复时产生的压力，可提高修复胶粘剂 的粘结强度，从而提高修复质量。的粘结强度，从而提高修复质量。 l 形状记忆合金的配置量、合金的粗细、合金初始预应变值、形状记忆合金的配置量、合金的粗细、合金初始预应变值、 合金与混凝土的连结方式等因素决定了梁的变形
33、性能合金与混凝土的连结方式等因素决定了梁的变形性能 及自修复能力及自修复能力l 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，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粘剂的性能进行深一步的研究因此应对形状记忆合金和修复胶粘剂的性能进行深一步的研究 本章小结本章小结l 混凝土及其结构能够自动适应环境，在受到损伤后能够混凝土及其结构能够自动适应环境，在受到损伤后能够 自行愈合，是解决结构中的混凝土材料损伤的自行愈合，是解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径最佳途径l
34、作为一种新型的功能材料，作为一种新型的功能材料，研究还不成熟研究还不成熟，所有的裂，所有的裂缝自修复原理和技术尚处于实验室探索和研究阶段缝自修复原理和技术尚处于实验室探索和研究阶段l 不同原理的混凝土自修复技术一般仅适用于一定成因的裂缝，不同原理的混凝土自修复技术一般仅适用于一定成因的裂缝，还没有形成系统的应用方法，在结构中的应用仍处于还没有形成系统的应用方法，在结构中的应用仍处于尝试阶尝试阶段段l 随着人们对自修复混凝土的逐步认识和研究工作的进一步深随着人们对自修复混凝土的逐步认识和研究工作的进一步深入开展，相信在不远的将来，混凝土自修复理论和技术将会入开展，相信在不远的将来，混凝土自修复理
35、论和技术将会日趋成熟日趋成熟，使传统混凝土工业获得，使传统混凝土工业获得突破性的飞跃突破性的飞跃l 自九十年代中期，国内外先后开展了自九十年代中期，国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材功能型和智能型水泥基材 料料的研究，并取得了一些有价值的成果。的研究，并取得了一些有价值的成果。 如水泥基导电复合材料，水泥基磁性复合材料，能够屏蔽磁场如水泥基导电复合材料，水泥基磁性复合材料，能够屏蔽磁场 和电磁波的水泥基复合材料和温度自测水泥基复合材料等和电磁波的水泥基复合材料和温度自测水泥基复合材料等l 本章根据修复的原理，将设计一种本章根据修复的原理，将设计一种具有裂缝自修复行为具有裂缝自修复行为的的
36、内置胶囊混凝土内置胶囊混凝土第第3章章 内置胶囊自修复混凝土内置胶囊自修复混凝土l 随着人类社会的高度发展，现代建筑对混凝土材料提出了新随着人类社会的高度发展，现代建筑对混凝土材料提出了新 的挑战，要求的挑战，要求混凝土材料不仅要承重混凝土材料不仅要承重，还应具有声、光、还应具有声、光、 电、磁等功能电、磁等功能，以适应多功能和智能建筑的需要，以适应多功能和智能建筑的需要内置胶囊自修复混凝土内置胶囊自修复混凝土修复胶囊修复胶囊内置胶囊自修复混凝土的制备内置胶囊自修复混凝土的制备在混凝土基体中掺入内含修复胶粘剂的空在混凝土基体中掺入内含修复胶粘剂的空心胶囊心胶囊, ,其中装有修复剂，形成智能型仿
37、生其中装有修复剂，形成智能型仿生自愈合神经网络系统。在外界环境作用下，自愈合神经网络系统。在外界环境作用下，一旦混凝土基体开裂，管内的修复剂流出一旦混凝土基体开裂，管内的修复剂流出渗入裂缝，由化学作用自动实现粘合，从渗入裂缝，由化学作用自动实现粘合，从而抑制开裂，修复混凝土。而抑制开裂，修复混凝土。 制备原理制备原理 内含修复剂的胶囊内含修复剂的胶囊事先埋藏于混凝土内事先埋藏于混凝土内裂缝的发生使胶囊裂缝的发生使胶囊破裂、修复剂流出破裂、修复剂流出流出的修复剂流出的修复剂修复裂缝修复裂缝修复胶囊的选择修复胶囊的选择l 修复胶囊应具有化学性质稳定性修复胶囊应具有化学性质稳定性l 修复胶囊与混凝土
38、基体的性能匹配修复胶囊与混凝土基体的性能匹配 特别是力学性能的匹配，即混凝土在设定的受力或裂缝状态下，特别是力学性能的匹配，即混凝土在设定的受力或裂缝状态下， 修复胶囊应达到其破坏极限，以便使内含的修复剂流出、修复裂缝修复胶囊应达到其破坏极限，以便使内含的修复剂流出、修复裂缝l 修复胶囊的数量也将影响混凝土材料的修复修复胶囊的数量也将影响混凝土材料的修复 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l 修复胶囊的几何参数，包括胶囊的直径、壁厚和长度修复胶囊的几何参数，包括胶囊的直径、壁厚和长度 管径太粗、管壁太薄，基体
39、还没有裂开，胶囊已经破损，达不到自修复的管径太粗、管壁太薄，基体还没有裂开，胶囊已经破损，达不到自修复的 目的。管的粗细、壁厚以及长度对混凝土的宏观性能也有一定的影响目的。管的粗细、壁厚以及长度对混凝土的宏观性能也有一定的影响在修复过程中，修复胶囊的选择对混凝土的自修复效果非在修复过程中，修复胶囊的选择对混凝土的自修复效果非常关键，主要表现在以下几个方面：常关键，主要表现在以下几个方面：修复胶修复胶粘剂粘剂的选择的选择l 固化条件简单，固化速度适中，固化压力没有严格的限制固化条件简单，固化速度适中，固化压力没有严格的限制l 为了保证修复后的混凝土裂缝不再开裂，为了保证修复后的混凝土裂缝不再开裂
40、， 胶粘剂必须具有较高的粘结强度胶粘剂必须具有较高的粘结强度l 具有良好的流动性，能够渗入裂缝中具有良好的流动性，能够渗入裂缝中l 化学性质稳定，有较长的使用期；化学性质稳定，有较长的使用期； 耐介质、耐老化性能优良，应有耐介质、耐老化性能优良，应有5050年以上的使用寿命。年以上的使用寿命。 要有良好的耐冻融性，以满足混凝土长期使用寿命的要求要有良好的耐冻融性，以满足混凝土长期使用寿命的要求 由于受胶结工艺的限制，不能对裂隙处混凝土表面进行处由于受胶结工艺的限制，不能对裂隙处混凝土表面进行处理，胶层的厚度、胶层的均匀性都不能严格控制，固化的理，胶层的厚度、胶层的均匀性都不能严格控制，固化的压
41、力也不能保证等，因此，自修复混凝土对胶粘剂的使用压力也不能保证等，因此，自修复混凝土对胶粘剂的使用提出了更为苛刻的要求提出了更为苛刻的要求l 价格便宜，资源广泛。易于运输贮藏，环境污染少价格便宜，资源广泛。易于运输贮藏，环境污染少修复修复胶囊分布与取向的主要影响因素胶囊分布与取向的主要影响因素l 受搅拌方法、振捣方式和时间、构件尺寸、胶囊尺寸受搅拌方法、振捣方式和时间、构件尺寸、胶囊尺寸 等多方面因素的影响等多方面因素的影响l 模板的边壁效应，模板的边壁效应， 由于受模板边壁的限制，胶囊只能沿某一主要方向取向由于受模板边壁的限制，胶囊只能沿某一主要方向取向l 重力效应重力效应 由于振捣力和自重
42、的作用，胶囊将不断趋向模板上部移动和集中由于振捣力和自重的作用，胶囊将不断趋向模板上部移动和集中修复胶囊对混凝土最有效的修复状态是密集于应力大的部位修复胶囊对混凝土最有效的修复状态是密集于应力大的部位修复修复胶囊分布与取向的描述胶囊分布与取向的描述胶囊在混凝土中的取向模式胶囊在混凝土中的取向模式ddrddrsin212sin22l 修复胶囊在空间内可修复胶囊在空间内可能取得的位置的概率能取得的位置的概率l分布在分布在 范围内的修复胶囊范围内的修复胶囊数占修复胶囊总数的百分数为数占修复胶囊总数的百分数为修复修复胶囊的几何参数和体积率胶囊的几何参数和体积率修复胶囊需要有一定的长度、内径及体积，掺量
43、以保证有足修复胶囊需要有一定的长度、内径及体积，掺量以保证有足够的修复胶结剂修复裂缝及损伤，但管径的粗细、长度及体够的修复胶结剂修复裂缝及损伤，但管径的粗细、长度及体积掺量对混凝土的宏观性能有一定的影响积掺量对混凝土的宏观性能有一定的影响胶囊长度对修复混凝土抗压强度的影响胶囊长度对修复混凝土抗压强度的影响胶囊管径对修复混凝土抗压强度的影响胶囊管径对修复混凝土抗压强度的影响 l 长为长为202030mm30mm，外径为外径为3 36mm6mm，掺量为掺量为1% 1% 5%5%的胶囊对混凝土性的胶囊对混凝土性能的影响不大能的影响不大胶囊体积掺量对修复混凝土抗压强度的影响胶囊体积掺量对修复混凝土抗压
44、强度的影响l 综合考虑其它各种综合考虑其它各种 因素，修复胶囊应以因素，修复胶囊应以 长为长为252530mm30mm， 外径外径5 56mm6mm左右，左右， 掺量为掺量为3%3%左右较合适左右较合适 结果分析结果分析l 修复胶囊的应力随着管径的增大，不断增加修复胶囊的应力随着管径的增大，不断增加l 随着管壁的增厚而不断减小随着管壁的增厚而不断减小l 可以根据混凝土的修复要求，可以根据混凝土的修复要求，结合修复胶囊对混凝土性能的影响，选取合理的尺寸结合修复胶囊对混凝土性能的影响，选取合理的尺寸修复胶囊应力与管径关系曲线修复胶囊应力与管径关系曲线修复胶囊应力与壁厚关系曲线修复胶囊应力与壁厚关系
45、曲线内置胶囊自修复混凝土试验内置胶囊自修复混凝土试验流出的修复剂修复混凝土流出的修复剂修复混凝土l 以玻璃胶囊为修复胶囊以玻璃胶囊为修复胶囊 胶囊外径为胶囊外径为6.0mm 6.0mm ，壁厚为，壁厚为0.5mm0.5mm，长为，长为25mm25mm，体积掺量为，体积掺量为3%3%l - -氰基丙烯酸脂胶粘剂和环氧树脂胶粘剂为修复胶粘剂氰基丙烯酸脂胶粘剂和环氧树脂胶粘剂为修复胶粘剂 l 十天后修复剂完全固化，达到了其粘结强度，试样再进行第二次试验十天后修复剂完全固化，达到了其粘结强度，试样再进行第二次试验l 采用等位移速度加载，试验加力达到最大值时，继续加载，采用等位移速度加载，试验加力达到最
46、大值时，继续加载， 直到试件表面上出现第一条可见裂缝，即刻停止。直到试件表面上出现第一条可见裂缝，即刻停止。第第4章章 内置纤维胶液管自修复混凝土内置纤维胶液管自修复混凝土模仿生物组织对受创伤部件自动分泌某种物质，而使创伤部位得模仿生物组织对受创伤部件自动分泌某种物质，而使创伤部位得到修复的机能，在混凝土中复合内注修复剂的纤维管（称为纤维到修复的机能，在混凝土中复合内注修复剂的纤维管（称为纤维胶液管），作为修复管道，在混凝土内部形成自修复系统。一旦胶液管），作为修复管道，在混凝土内部形成自修复系统。一旦混凝土中出现裂缝或损伤时，纤维胶液管道随之破裂，其中的修混凝土中出现裂缝或损伤时，纤维胶液管
47、道随之破裂，其中的修复剂迅速流至裂缝处固化、硬结，从而实现混凝土裂缝的自修复复剂迅速流至裂缝处固化、硬结，从而实现混凝土裂缝的自修复制备原理制备原理 内置纤维胶液管裂缝自修复混凝土内置纤维胶液管裂缝自修复混凝土修复修复纤维在混凝土中工作的基础纤维在混凝土中工作的基础l 化学稳定性化学稳定性 能在混凝土中长期保存，且强度不变，也不影响混凝土的性能能在混凝土中长期保存，且强度不变，也不影响混凝土的性能 能长时间储存各种修复胶结剂而不会发生反应能长时间储存各种修复胶结剂而不会发生反应l 材料性能的匹配材料性能的匹配 材料性能性能的匹配是影响混凝土自修复效果的关键因素。材料性能性能的匹配是影响混凝土自
48、修复效果的关键因素。 本章选择玻璃纤维作为修复纤维本章选择玻璃纤维作为修复纤维, ,玻璃是典型的脆性材料，没有屈服延伸玻璃是典型的脆性材料，没有屈服延伸 阶段，只要裂缝贯穿玻璃纤维，玻璃纤维马上破裂阶段，只要裂缝贯穿玻璃纤维，玻璃纤维马上破裂l 变形协调作用变形协调作用 玻璃的线膨胀系数约为玻璃的线膨胀系数约为1.010-5， 混凝土的线膨胀系数为混凝土的线膨胀系数为（1.01.4）10-5l 粘结作用粘结作用 主要来源于，水泥浆胶体与玻璃纤维管接触表面的化学粘着力主要来源于，水泥浆胶体与玻璃纤维管接触表面的化学粘着力, ,和由于混和由于混 凝土硬结的收缩将玻璃纤维紧紧握裹而产生的摩擦力凝土硬
49、结的收缩将玻璃纤维紧紧握裹而产生的摩擦力 内置纤维胶液管混凝土试验内置纤维胶液管混凝土试验l在在INSTRON8501INSTRON8501万能试验机上进行三点弯曲试验万能试验机上进行三点弯曲试验l 砂浆为基体材料砂浆为基体材料 水灰比为水灰比为0.50.5，灰砂比为，灰砂比为1 1：3 3l 试件的尺寸试件的尺寸内置纤维胶液管混凝土裂缝自修复试验内置纤维胶液管混凝土裂缝自修复试验l 玻璃纤维为修复纤维玻璃纤维为修复纤维 裂缝修复裂缝修复纤维管破裂纤维管破裂修复剂渗入到裂缝中修复剂渗入到裂缝中第二次试验时新裂缝出现，第二次试验时新裂缝出现，修复后的裂缝没有再次裂开修复后的裂缝没有再次裂开材料的
50、强度回复率材料的强度回复率第一次和第二次试验试件的承载力第一次和第二次试验试件的承载力第一次和第二次三点弯曲实验时试件第一次和第二次三点弯曲实验时试件的荷载位移曲线图的荷载位移曲线图l 未经修复的试件，在第一次三点弯曲试验后已经破坏，未经修复的试件，在第一次三点弯曲试验后已经破坏， 因而在第二次试验时其承载力下降了因而在第二次试验时其承载力下降了808090%90%，几乎不能再次承受载荷，几乎不能再次承受载荷l 修复胶粘剂修复后的试件第二次弯曲试验时，修复胶粘剂修复后的试件第二次弯曲试验时， 其强度非但没有下降反而提高了其强度非但没有下降反而提高了202040%40%l可在修复纤维管内施加一定
