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混凝土裂缝自修复技术的现状研究

来源:原创论文网 添加时间:2018-08-17

  摘要:阐述了现有的混凝土自修复技术的研究现状, 包括自修复技术的发展历程、自修复技术特征、自修复效果评价方法以及当前存在的问题, 指出了自修复技术在混凝土结构领域的研究意义和必要性。

  关键词:裂缝; 自修复技术; 评价方法;

混凝土裂缝论文  配图

  0 引言

  混凝土结构受温、湿度的变化、外部荷载等各种环境因素影响, 导致不同形貌、不同尺寸的微裂纹或损伤产生。这极大地降低混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力。若得不到及时有效的修复, 势必直接影响结构的正常使用性能, 并缩短使用寿命, 甚至引起灾难性事故, 威胁到人们的生命和财产安全。

  由于探测技术的局限性, 实际工程中细微观尺度的损伤难以快速、准确探测, 同时, 一般常规修复方法也难对于内部微裂纹进行有效的修复。为了解决混凝土服役过程中微裂纹修复问题, 提高混凝土性能稳定性、延长混凝土使用寿命, 混凝土自修复材料与技术的开发已成为混凝土开发中的一个重要研究领域。

  针对传统方法难以实现对于混凝土微裂纹修复的问题, 自修复混凝土可基于材料内部损伤及所处位置进行即时感知, 实现对裂纹和损伤部位主动修复, 从而恢复甚至提高混凝土材料的力学性能, 延长结构使用寿命。目前国内外研究人员在自修复混凝土开发上的工作主要集中在容器、胶黏剂的选择与优化, 自修复混凝土制备工艺开发以及自修复性能指标评价等方面。开发新型可靠的混凝土自修复技术, 并对其修复机制进行深入研究, 对于改善混凝土材料耐久性, 提高混凝土构筑物服役寿命具有重要意义。

  1 国内外研究现状及发展动态分析

  1.1 混凝土自修复发展历程

  1925年Abram发现测完28 d抗压强度的损伤混凝土试件置于户外环境8年后, 抗压强度提高至28 d的两倍多, 至此首次发现混凝土的自修复现象[1]。之后挪威的Stefan将遭受冻融损伤的混凝土放在水中2~3个月, 发现混凝土抗压强度出现4%~5%的恢复[2]。日本Nobuaki和美国Ryu采用电化学技术研究了钢筋混凝土裂缝的愈合, 发现裂缝愈合并且渗透性降低[3]。90年代初期, 日本学者分别用环氧树脂、水玻璃作为修复剂注入空心玻璃纤维或胶囊中掺入混凝土, 发现当混凝土开裂的时候, 纤维或胶囊发生破裂, 修复剂流出覆盖裂缝, 使得裂缝愈合[4]。1994年, 美国Carolyn教授将装有胶黏剂的载体掺到混凝土中, 配制成自修复混凝土[5]。1995年, 美国Illinois大学采用传感装置来感知混凝土开裂, 并释放修复剂实现裂缝自愈合, 使混凝土具备了自诊断、自修复功能[6]。1998年, 美国密歇根大学Victor等人将含有超强力胶水的纤维管预埋在混凝土中, 发现预埋了修复纤维的混凝土刚度得到明显恢复[7]。Motuku[8]等人重点研究了在空心纤维在基体中分布以及修复剂的释放。Tsuji等人1998年提出将高吸水树脂做为混凝土自修复材料来使用, 之后Lee等人深入研究了高吸水树脂的自修复性能[9]。2001年White[10]把微胶囊自修复基体应用到环氧树脂材料中, 制备出自修复环氧树脂材料的自修复效率可达75%。

  国内对自修复混凝土的研究做了大量的工作:南京航空航天大学于1997年研究了利用液芯光纤和形状记忆合金对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法[11]。同济大学习志臻和姚武等人研究了仿生自诊断和自修复智能混凝土, 在混凝土传统组分中复合特殊组分如仿生传感器、含胶黏剂的液芯纤维等, 形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统[12-13]。欧进萍、匡亚川等人重点研究了将装有修复剂的玻璃纤维管埋入水泥基材料中的修复效果[14-15]。2011年, 华南理工大学的学者采用原位聚合法, 将双环戊二烯胶黏剂加入到了脲醛树脂里, 成功合成了以脲醛树脂为壁材, 双环戊二烯胶黏剂为芯材的自修复微胶囊[2]。

  1.2 自修复最新技术及其特征

  混凝土自修复技术大体可分为主动式和被动式修复[16]。主动式修复为水泥基体中预埋有裂纹感知系统和修复体, 当混凝土产生损伤时, 传感器可及时感知确定损伤位置, 并将信号传送给外部控制系统, 外部控制系统激发修复体系释放修复剂对损伤部位进行修复。目前主要包括形状记忆合金和空芯光纤修复技术。形状记忆合金通过通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应, 对裂缝面施加压应力, 迫使裂缝合拢、减少裂缝末端应力集中, 抑制裂缝发展, 达到裂缝自修复。形状记忆合金可实现长期在线实时监测, 达到结构自修复功能[17]。但是, 形状记忆合金的形状记忆效应有赖于加热, 这限制了它的工作范围, 且长期使用工作稳定性较差[18-19]。空心光纤是指纤芯、包层和涂敷层等组成的多层介质结构。将含修复剂的空心光纤网络预埋于混凝土中, 当混凝土结构产生内部变形或损伤时, 光纤受到外力作用变形, 使得光损耗加大, 改变输出光信号, 使得监控系统及时监测到基体损伤, 并精确判断损伤位置, 进而在注胶系统加压作用下, 纤芯内修复剂从空芯光纤管内迅速流出, 对损伤处进行修复[20]。空心光纤弥补了工程应用中无损检测与修补方法的不足, 即对结构使用过程中的损伤、疲劳、冲击、缺陷、腐蚀、振动等情况进行实时监测, 又对混凝土的损伤、裂缝进行适时的快速修复, 实现了光传输、损伤诊断和损伤修复的一体化[21]。但是, 空芯光纤纤芯很细, 容量非常有限, 制约了修复剂的储存量, 并且空心光纤与混凝土结构也存在匹配问题[22]。

  被动式修复是指混凝土损伤变形时, 将预埋于内部的修复体系撕裂, 修复剂流出封堵裂纹, 主要包括微胶囊技术、中空纤维技术、渗透结晶法、微生物修复等[23]。微胶囊技术是预先掺入装有修复剂的微胶囊和固化剂, 出现裂缝的时候, 裂纹尖端的微胶囊在集中应力的作用下破裂, 修复剂流出, 渗入基体的裂纹中, 与分散在基体材料中的固化剂相遇, 修复剂固化将裂纹修复[16]。但是修复树脂储存量有限, 并且催化剂和微胶囊的分散要与破坏区域相匹配, 同时修复树脂消耗后会产生内部孔隙[24]。中空纤维自修复方法是将胶黏剂注入到中空玻璃纤维中并埋到混凝土中, 从而形成智能仿生自愈合网络系统。当混凝土出现损伤和裂纹时, 纤维内胶黏剂流出渗入裂纹, 化学作用下胶黏剂发生固结, 从而抑制开裂、修复裂纹。渗透结晶法的主要原理是在混凝土制备过程中掺入渗透结晶材料, 其中的活性功能组分在混凝土干燥时处于休眠状态, 当混凝土发生开裂且有水渗入时, 活性组分发生化学反应生成新的结晶物质, 填充裂缝, 实现裂缝自愈合[25]。渗透结晶法因具有所生成的产物与水泥水化产物类似, 可实现重复自愈合功能, 并且可在一定程度上实现混凝土力学性能和耐久性的修复。裂缝微生物修复是一种新型修复技术, 其机理是利用自然界普遍存在的矿化微生物的新陈代谢, 生成一些以碳酸钙为代表的相对不溶或难溶的化合物, 实现裂缝修复[26-27]。考虑到混凝土的高强碱性环境, 用于混凝土自修复的微生物多为嗜碱性芽孢杆菌, 目前国内外对巴氏芽孢杆菌和巴士芽孢八叠球菌的研究较多[28]。微生物自修复过程漫长, 难以即时修复, 同时对宽裂纹修复作用有限, 另外修复过程中消耗水泥基体中氢氧化钙, 导致混凝土内部碱度的降低, 这对钢筋不利[29-30]。

  1.3 环境响应高分子自修复材料在混凝土应用进展

  混凝土结构所处环境主要包括水环境、气体环境、各种阴阳离子环境等, 对混凝土自愈合能力有着不同的影响。关于自修复材料对环境因素响应能力方面, 目前研究较少。Jiang等人研究了矿物外加剂和环境因素对自修复性能的影响, 发现环境p H和温度较高的情况下混凝土裂缝自愈合效果较好[31]。Arn等人合成了高分子自修复剂, 通过红外、核磁、动态蒸汽吸附等方法分析其化学结构、吸附以及膨胀性能。结果发现该高分子自修复剂的膨胀性能与环境p H有关, 可以通过调节环境p H来控制高分子自修复剂的膨胀性能以及释水性能[32-33]。Snoeck研究了高吸水树脂对裂缝的自愈合作用, 发现环境湿度高于90%的时候, 高吸水树脂具有明显的裂缝愈合作用[34]。Lee等人研究了高吸水树脂的裂缝自修复作用, 发现高吸水树脂处于不同溶液中, 膨胀性能也不同[10]。Wieland[35]从热力学的角度, 提出环境水压越大, 越有助于碳酸钙晶体在裂缝中沉积, 从而提高混凝土裂缝自愈合能力。Hans-Wolf[36]研究了温度对混凝土裂缝愈合能力的影响, 发现养护温度越高, 裂缝发生自愈合反应的速率越快, 愈合效果越好。张军学[37]对比了养护条件对水泥基材料自愈合能力的影响, 发现热养护条件对水泥基材料愈合效果最好。刘素瑞等人[38]研究了不同溶液环境下混凝土的自愈合性能, 发现碳酸钠环境下混凝土自愈合效果优于水环境。应该来说, 环境响应型自修复材料的开发对于混凝土自修复来说提供了新的契机。

  1.4 自修复效果的评价方法

  目前自修复性能的评价方法主要分为三类[27]:

  (1) 力学性能的恢复。主要是检测开裂混凝土经历一段时间的自修复之后的力学性质, 并与未开裂混凝土样品进行对比。常用的力学性能检测方法有三点/四点弯曲试验、抗压/抗拉试验、水平变形和冲击载荷试验。还有另外两种非力学试验也可用来评价力学性能, 即声发射分析和共振频率分析。

  (2) 抵抗性的恢复。主要评价指标有传输性、电阻率及连续性, 通过检测经历过一定时期修复过程的样品的传输性、电阻率以及连续性, 并与未开裂的样品进行对比, 分析3种性能的恢复程度。其中将基于传输性的恢复程度作为自修复效果的评价方法是目前比较流行的, 尤其是水分渗透性指标, 包括微胶囊自修复、渗透结晶性自修复、微生物自修复在内的自修复技术的修复性能均可采用水分渗透性来评价。电阻率指标在混凝土自修复剂的修复效果评价中相对采用较少。比较常用的检测混凝土连续性的方法主要有超声波法、锈蚀试验以及盐冻试验。超声波法不仅可以检测混凝土内部缺陷及不连续性, 还可以预估缺陷的大致位置、尺寸、方向及形状。

  (3) 可视化的表征。属于定性分析方法, 主要针对修复后的混凝土的结构、组成可视化, 例如晶体的沉淀过程、微胶囊修复剂的释放过程以及裂纹的闭合过程。此方法需要借助于特定的仪器设备, 可以进一步分为显微镜法、影像法以及光谱学3种。显微镜主要用来观测修复前后混凝土的微观结构及特征, 最常用的是结合光学显微方法 (包括SEM、ESEM) 的岩相分析。采用光学数码显微镜观测裂纹表面, 获取裂纹表面的等值线图, 从而测得裂纹宽度以及晶体产物。SEM及ESEM通常需要结合BSEI (背散射电镜) 一并使用。通过这些图片可以推导样品的晶体结构、再水化产物的形状、尺寸等。影像法主要指采用BSEI、X射线断层扫描、中子射线等方法, 也是比较常用的方法之一。光谱学则是用来分析自修复后样品中的晶体材料、化学组成、沉淀产物。当一束光射到样品表面, 可以记录下透射光的光谱, 通过分析光谱中峰的位置、形状、强度来推导样品的原子、分子结构。常用的光谱学方法有X射线光谱、红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射光谱等。其中X射线衍射法可以得到晶体样品的3D图, 从而可以分析自修复区域的再水化产物的组成。同时也可以采用核磁共振技术在微米以及纳米级别的角度研究自修复过程。

  1.5 目前存在的问题

  (1) 自修复剂自身对基体不同破坏力的感知能力的控制有待改进。

  (2) 无论在修复剂自身性能研究还是修复效果评价方面都缺乏相应的系统的评价体系。

  (3) 修复黏结剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机理的研究、分布特性、与混凝土的相容性等问题, 研究尚不完全。

  (4) 针对外部环境因素在混凝土自愈合能力方面的影响的研究较少。

  2 结论

  混凝土的自修复系统为基体微裂缝的修补和有效地延缓潜在的危害提供了一种新的方法。一个自修复系统将免去有效的监测和外部修补所需的高额费用, 节省建筑结构运行费用, 同时有利于其安全性和耐久性, 混凝土材料的使用寿命也将延长。针对混凝土裂缝自愈合的特点, 开展相关有效的综合评价方法研究, 对于混凝土裂缝自愈合技术的发展十分必要。

  参考文献
  [1]ABRAMS A.Autogenous healing of concrete[J].Concrete, 1925 (10) :50.
  [2]董利.智能混凝土发展现状与展望[J].科技信息, 2012 (4) :414-415.
  [3]RYU J, OTSUKI N.Crack closure of reinforced concrete by electro deposition technique[J].Cement and Research, 2002, 32 (1) :159-164.
  [4]侯子义.裂缝自愈合混凝土研究现状与发展趋势[J].中南公路工程, 2005, 30 (1) :165-167.

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