【文章內(nèi)容簡介】 劑修復(fù)后的試件將能承受更大的荷載，并且材料的延展性柔韌性也得到 了較大的改善。 Carolyn Dry 還根據(jù)動物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機理，嘗試制備仿生自修復(fù)混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥(含有單聚物 )為基體材料，其中加入多孔的編織纖維網(wǎng)，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑，單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。因此，在纖維網(wǎng)的表面形成都需要做結(jié)構(gòu)補強。結(jié)構(gòu)加固法適用于整體性、承載能力有較大影響的、表面損壞嚴重的、表面、深進及貫穿性裂縫的加固處理。對因設(shè)計或施工不當、材料質(zhì)量不符要求、使用功能改變、遭受災(zāi)害以及耐久性等原因需對混凝土結(jié)構(gòu) 進行加固的常用方法有 :圍套加固法 (在結(jié)構(gòu)構(gòu)件一側(cè)或多鋇外包鋼筋混凝土圍套 )、鋼箍加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼加固法、噴漿加固法等。但是這種傳統(tǒng)的混凝土裂縫的修復(fù)形式主要是定期維修與事后維修，這種消極的、被動的維修方式不僅費用龐大，而且效果不佳，更無法滿足現(xiàn)代多功能和智能建筑對材料提出的要求。實際的混凝土橋梁工程結(jié)構(gòu)中，許多微小裂紋發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，如果這些微觀范圍的損傷在發(fā)展成宏觀裂縫之前，能得到有效的修復(fù)，那么將大大提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。人們從生物系統(tǒng)中得到啟示，希望在混凝土結(jié)構(gòu)中得到與生物體中相類 似的修復(fù)系統(tǒng)，當混凝土中出現(xiàn)裂縫或損傷時，能夠像人體傷口由“破裂 — 流血 — 凝結(jié) — 愈合”這一過程自動修復(fù)。自二十世紀九十年代中期 ,國內(nèi)外先后開展了功能型和智能型水泥材料的研究 ,并取得了一些有價值的研究成果。自修復(fù)智能混凝土是模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機理 ,采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法 , 畢業(yè)論文 8 對材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能 ,恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。其具有自修復(fù)行為混凝土的智能模型為 :在混凝土基體中摻入內(nèi)含修復(fù)膠粘劑的修復(fù)纖維管 ,從而形成了智能型仿生自修復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在外界 作用下 ,混凝 基體一旦開裂 ,管內(nèi)裝的修復(fù)劑流出滲入裂縫 ,由化學(xué)作用修復(fù)劑固結(jié) ,從而抑制開裂 ,修復(fù)裂縫。 現(xiàn)已經(jīng)有好幾種裂縫仿生自修復(fù)技術(shù)，混凝土自修復(fù)技術(shù)解決兩個主要問題：其一為封閉裂縫自修復(fù)，其二為填充裂縫自修復(fù)。但是到目前為止，對混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)的研究還處于起步階段，所以作者認為此領(lǐng)域還有大量研究工作要做。綜合仿生自修復(fù)混凝土材料在理論研究上和反復(fù)修復(fù)在工程實踐中存在的不足，結(jié)合當前混凝土多功能和智能化的發(fā)展趨勢，對這兩種新技術(shù)的成功之處加以整合進而提出多重尺度的空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對混凝土裂縫的自修 復(fù)這一新的研究課題，不僅可實現(xiàn)對混凝土局部易開裂部位采取自修復(fù)處理，而且為自修復(fù)混凝土材料及方法的深入研究尋求思維突破。本課題的研究可以提高混凝土構(gòu)件的耐久性，延緩衰老，提高維修壽命，減少維修次數(shù)，進而節(jié)省大量維修費用，具有很強的實用價值和理論研究意義。 自修復(fù)智能混凝土能夠主動、自動地對裂紋和損傷部位進行修復(fù)，從而恢復(fù) 甚至提高混凝土材料的強度以達到延長混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。自修復(fù)混凝 技術(shù)還很不成熟。盡管滲透結(jié)晶自修復(fù)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于包括大壩工程在內(nèi)的許多混凝土工程中，但是，聚合物固化仿生自修復(fù)和電解 沉積自修復(fù)等混凝土的裂縫自修復(fù)技術(shù)則基本上還處于試驗探索階段，尚未取得實質(zhì)進展。目前 ,仿生自修復(fù)法也還存在許多問題需要解決。例如 ,有關(guān)修復(fù)粘結(jié)劑的選擇、封入的方法、流出量的調(diào)整、釋放機理的研究、纖維或膠囊的選擇、分布特性、其與混凝土斷裂的匹配及相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等問題。因此，在加強混凝土裂縫自修復(fù)機理研究的同時，還必須加強工藝技術(shù)的研究。 3） 加強核心關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)研究。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料以其優(yōu)異的性能受到了國內(nèi)外用戶的青睞。為推廣這種新型防水材料，北京城榮防水材料有限公司、上?；蛇_ 申防水材料有限公司、昆山凱頓百森高效防水材料有限公司、 烏魯木齊固斯特防水材料有限公司、上海匯奇實業(yè)發(fā)展有限公司等先后制定了本 公司的企業(yè)標準，對生產(chǎn)組織、產(chǎn)品質(zhì)量，以及產(chǎn)品的推廣使用發(fā)揮了積極作用。 但其產(chǎn)品中所含的活性化學(xué)物質(zhì)依靠進口或不具有核心專利技術(shù)，導(dǎo)致這些產(chǎn)品 價格較高，嚴重制約了這一高新技術(shù)成果在我國的推廣應(yīng)用。因此，研發(fā)具有自 主知識產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)十分必要。 4） 研究混凝土裂縫自修復(fù)的評價和檢測手段。正確評估和檢測混凝土裂縫自修復(fù)的效果，將對自修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大意義。水泥基滲透結(jié) 晶型防水材料的國內(nèi)外用戶普遍認為，若能對“滲透結(jié)晶”性能拿出令人信服的檢測手段，將會極大的促進這類材料的推廣應(yīng)用，目前工程界十分關(guān)注這一問題。 5） 對混凝土耐久性的影響缺乏研究：水泥基滲透結(jié)晶型材料對混凝土抗?jié)B， 性能的改善有較多的研究，而該材料對混凝土的耐久性能如鋼筋銹蝕、化學(xué)侵蝕、 凍融破壞、堿集料反應(yīng)等的影響基本未見報道。雖然一般認為提高抗?jié)B性有利于 混凝土耐久性的改善，但該類材料對混凝土耐久性的影響仍然需要進行實驗研究 與證實。 6） 微觀或亞微觀結(jié)構(gòu)研究少：目前關(guān)于水泥基滲透結(jié)晶型材料對混凝土的微觀 或亞微觀結(jié)構(gòu)的影響基本未見研究報道。該材料對混凝土抗?jié)B性的影響評價只是通過測試材料的一次抗?jié)B壓力、固定壓力下混凝土的透水深度或二次抗?jié)B壓 畢業(yè)論文 9 力來進行，沒有能夠從混凝土的孔隙率孔徑分布等微觀或亞微觀結(jié)構(gòu)層次來研究。對該材料的活性化合物在混凝土中的滲透深度也未見研究報道。 課題的提出 混凝土的裂縫修復(fù)問題，長期以來一直是學(xué)術(shù)界和工程界所研究的一個重要 課題，傳統(tǒng)的裂縫修復(fù)方式已無法滿足現(xiàn)代多功能和智能建筑對材料提出的要求。穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機有機相結(jié)合的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強 度及延性等性能。而且，在材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機纖維會釋放出高聚物，修復(fù)損傷。 Adam Neville、 Natalya Hearn 研究認為混凝土裂縫自修復(fù)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，主要產(chǎn)物是 Ca(OH)2 和 CaCO3。Adam Neville 發(fā)現(xiàn) Ca(OH)2 晶體的生成需要裂縫周圍有充足的水存在，而 CaCO3在需要水的同時還要求有 CO2的存在，而對于開放的裂縫，不管是收縮還是外力引起的，當他暴露在空氣中時，都沒有任何自修復(fù)現(xiàn)象的發(fā)生，當周圍有水存在后，未水化的水泥開始繼續(xù)水化，裂縫處就會有 Ca(OH) CaCO3 晶體生成。 Carola Edrarden 通過試驗得出以下結(jié)論，在裂縫產(chǎn)生的二到五天里，是裂縫中的晶體生長最快的一段時間，自修復(fù)最初階段裂縫處的 Ca2+同 CO2發(fā)生反應(yīng)，直到裂縫處的 Ca2+消耗完，更多的 Ca2+從混凝土內(nèi)部移動到裂縫處，這一過程由擴散控制。他認為 CaCO3 的生成是混凝土裂縫自修復(fù)的主要原因，裂縫處的灰塵和雜質(zhì)會沉積在裂縫處，也對混凝土裂縫的自修復(fù)產(chǎn)生影響，另外 Ca2+的有效性不是 CaCO3生成的關(guān)鍵因素， Ca2+的主要來源 Ca(HCO3)2和 CO2都是存在與水中的，從另一個側(cè)面說明水對混凝土裂縫自修復(fù)的重要性。 Clear 將帶裂縫混凝土試件放入特制的儀器中，試件上部有一水源穩(wěn)定在恒 定的水壓，在水流的沖刷下，混凝土裂縫發(fā)生自修復(fù)，裂縫寬度會逐漸減小，單 位時間內(nèi)的滲水量也隨之減小，利用滲水量和裂縫寬度之間的公式，根據(jù)單位時 間通過混凝土試件的水量，分析混凝土裂縫的自修復(fù)能力。他得出以下結(jié)論，混 凝土裂縫自修復(fù)后 CaCO3 晶體生成較為明顯，而前期混凝土試件裂縫處的滲水量的減少，主要由裂縫處已存在松散的顆粒在水流的沖刷下堵塞裂縫造成。 Lauer and S1ate 通過巖石相分析，認為裂縫自修復(fù)的化學(xué)產(chǎn)物是 Ca(OH)2和 CaCO3，他進一步說明 Ca(OH)2作為水泥的水化產(chǎn)物，與水中的 CO2反應(yīng)生成 CaCO3，隨著裂縫表面的 Ca(OH)2 發(fā)生反應(yīng)，并且逐漸減少，混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2會不斷擴散到裂縫表面，但是他的文章中并沒有說明 Ca(OH)2從混凝土內(nèi)部擴散到裂縫表面所需用的驅(qū)動力。另外，文章指出由于在水泥水化物質(zhì)中可利用的空間比較小， CaCO3的晶體會逐漸向裂縫外面生長附著在裂縫的表面。 研究存在的問題 了功能型和智 能型水泥材料的研究 ,并取得了一些有價值的研究成果。自修復(fù)智能混凝土是模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機理 ,采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法 ,對材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能 ,恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，憑借別人和自己積累的經(jīng)驗，綜合仿生自修復(fù)混凝土材料在理論研究上和反復(fù)修復(fù)在工程實踐中 畢業(yè)論文 10 存在的不足，結(jié)合當前混凝土多功能和智能化的發(fā)展趨勢，對這兩種新技術(shù)的成功之處加以整合進而提出了具有多重尺度的空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對混凝土裂縫的自修復(fù)這一新的研究課題。本文通 過試驗，得出了空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對混凝土試件自身強度的影響以及對混凝土裂縫的修復(fù)效果，驗證了該課題的可行性，具有很強的理論研究意義和實用價值。 本課題的研究內(nèi)容與難點 多重尺度的空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對混凝土裂縫的自修復(fù)機理是在綜合工程實踐中的化學(xué)灌漿技術(shù)和仿生自修復(fù)混凝土材料的自修復(fù)機理基礎(chǔ)上提出的一種新的裂縫修補方式。 主要研究內(nèi)容 由于設(shè)計、施工、材料、荷載、溫度等多方面的原因，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫 是在所難免的，但是一般認為寬度小于 的細小裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)影響不大，但隨著 外界條件的變化或者荷載的增加，裂縫會發(fā)展成為深層裂縫或貫穿裂縫，當裂縫寬度大于 時則會對混凝土結(jié)構(gòu)的安全造成嚴重的損害。對此要采取一定的措施來控制裂縫的發(fā)展，目前主要采用表面處理法、填充法、灌漿法和結(jié)構(gòu)補強法等。具有多重尺度的空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對混凝土裂縫的自修復(fù)機理是在綜合工程實踐中的化學(xué)灌漿技術(shù)和仿生自修復(fù)混凝土材料的自修復(fù)機理基礎(chǔ)上提出的一種新的裂縫修補方式。因而研究其影響因素，驗證它的可行性，是本課題的主旨所在。本文主要研究空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對寬度大于 的裂縫的修復(fù)效果， 它主要由溫度、超載等原因引起的，影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全運行，降低混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，也導(dǎo)致其他病害的發(fā)生，如凍融破壞、滲漏溶蝕、鋼筋銹蝕等，因此研究空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對寬度大于 的裂縫的修復(fù)效果，具有重要的意義。 本文研究的主要內(nèi)容包括： 1） 搜集混凝土裂縫開裂的形式及原因； 2） 混凝土裂縫自修復(fù)機理的提出； 3） 混凝土裂縫修復(fù)用膠黏劑的選用及配方： ① 根據(jù)現(xiàn)有膠黏劑的性質(zhì)、用途，結(jié)合本文的研究特點，選出較適用的的膠黏劑。 ② 聚氨酯 環(huán)氧樹脂 甲基丙烯酸甲脂膠液的配方； ③ 環(huán)氧樹脂灌液的典 型配方； 4） 空間管狀纖維骨架系統(tǒng)的構(gòu)造 5） 混凝土試件的制備 ① 空間管狀纖維骨架的制作及膠黏劑的調(diào)制； ② 普通混凝土試件的制備； ③ 空間管狀纖維網(wǎng)混凝土試件的制備； 6） 試驗研究的預(yù)期目標 ① 通過對內(nèi)置不同空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對混凝土試件自身強度的影響 的試驗對比，分析內(nèi)置不同體系空間管狀纖維骨架系統(tǒng)對不同強度、 畢業(yè)論文 11 不同齡期混凝土試件自身強度的影響結(jié)果； ② 通過第二次抗折實驗對比內(nèi)置不同體系空間管狀纖維骨架系統(tǒng)及不同 的膠黏劑對混凝土裂縫的自修復(fù)效果； ③ 通過第三次抗折實驗對比內(nèi)置不同體系空間管狀纖維骨架系 統(tǒng)及不同 的膠黏劑對混凝土裂縫的反復(fù)自修復(fù)的效果。 課題研究的難點 1） 空間管狀纖維骨架系統(tǒng)的制作，管與管之間的連接； 2） 預(yù)應(yīng)力混凝土（ PC）梁橋混凝土裂縫主動預(yù)防、自主修復(fù)機理、方法及手段的探索； 3） 纖維管與基體材料性能的匹配的要求。要求在基體材料出現(xiàn)裂紋時纖維管也要適時破裂，如采用塑料纖維管裝入修復(fù)劑嵌入，可能會發(fā)現(xiàn)基體完全開裂而纖維管并未破損的現(xiàn)象，無法實現(xiàn)自修復(fù)； 4） 裂縫修復(fù)管數(shù)量的控制。太少裂縫不能完全修復(fù)，太多則可能對基體本身的宏觀性能帶來不良影響； 5） 修復(fù)劑的粘結(jié)強度 ，這與修復(fù)后的強度與原始強度的比值有很大關(guān)系 。 畢業(yè)論文 12 第二章 混凝土裂縫的類型及產(chǎn)生原因 混凝土是一種有砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆 性材料。由于混凝土施工和本身變形、約束等一系列問題 ,硬化成型的混凝土中存 在著眾多的微孔隙、氣穴和微裂縫 ,正是由于這些初始缺陷的存在才使混凝土呈現(xiàn) 出一些非均質(zhì)的特性。微裂縫通常是一種無害裂縫 ,對混凝土的承重、防滲及其他 一些使用功能不產(chǎn)生危害。但是在混凝土受到荷載、溫差等作用之后 ,微裂縫就會 不斷的擴展 和連通 ,最終形成肉眼可見的宏觀裂縫 ,也就是混凝土工程中常說的裂縫。 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫 均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因，比如：溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和 不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ) 不均勻沉降等。根據(jù)不同的分類標準，裂縫的分類方法有多種。根據(jù)裂縫的出現(xiàn) 時間，可以分為施工階段的裂縫和使用階段的裂縫；根據(jù)裂縫的性質(zhì)，可以分