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自修復混凝土的研究現狀

智能混凝土是材料科學的壹個研究分支,其起源可以追溯到20世紀60年代,蘇聯科學家利用碳墨作為導電組分制備水泥基導電復合材料。20世紀80年代末,日本土木工程研究人員構想並開始開發具有所謂“感知和控制混合變化能力”的智能建築材料,以建造高度智能的結構。1993在美國國家科學基金會的支持下,美國開設了壹家與民用建築相關的智能材料和智能結構工廠。但如前所述,智能混凝土材料是壹種具有幾種S行為的材料,即集自診斷、自調諧、自恢復、自修復等功能於壹身,缺壹不可。在目前的科技水平下,制備壹種完美的智能混凝土材料是相當困難的。

近年來,國內外雖然開展了智能仿生混凝土的研究,並取得了壹些有價值的成果。如水泥基導電復合材料、水泥基磁性復合材料、屏蔽磁場和電磁波的水泥基復合材料、損傷自診斷的水泥基復合材料、自動調節環境溫濕度的水泥基復合材料等。然而,如何及時、有效、快速地修補和愈合混凝土結構的裂縫和損傷,目前還沒有形成相對完善的理論和成熟的技術。目前只有美國、日本等少數國家處於實驗室探索階段,未取得實質性進展。

混凝土裂縫自保護的研究可以追溯到1925。亞伯蘭發現,混凝土試件抗拉強度試驗開裂後,放在室外8年,裂縫居然愈合了,強度提高了壹倍。後來挪威學者斯特凡·雅各布森的研究也表明,混凝土在凍融破壞後,在水中放置2-3個月後,抗壓強度恢復4-5%。關於混凝土裂縫的自我保護問題,國內外研究者提出了各種方法。受生物界的啟發,研究人員模仿動物的骨組織結構和創傷後再生恢復的機理,采用粘合材料與基底材料相結合的方法,使材料具有損傷後自我修復和再生的功能。在混凝土的傳統組分中復合特殊組分或在混凝土中形成智能仿生自愈合網絡系統。當混凝土材料出現裂縫時,部分膠粘劑流出並深入裂縫,使混凝土裂縫重新愈合。

J.-美國加州大學伯克利分校的日本學者S.Ryu和東京工業大學教授Nobuaki Otsuki對電化學技術修復鋼筋混凝土裂縫做了壹些研究,並取得了壹些實驗結果。首先,他們在壹個100×100×200毫米的混凝土試件上預制裂縫,裂縫可能是表面裂縫,也可能是貫穿裂縫。然後將預制裂紋的試樣浸泡在0.1mol/L MgC12或Mg(NO3)2溶液中,電流密度為0.5 ~ 65432。由於裂尖附近電流密度較高,在裂尖處首先形成電沈積,裂尖曲率半徑逐漸增大,最後可以完全鈍化。然後在混凝土表面覆蓋約0.5~2mm的電沈積。通電前兩周裂縫閉合最快,4 ~ 8周後裂縫幾乎完全閉合,滲透率下降。有學者在混凝土中加入特殊的活性無機膠凝材料和有機化合物,依靠自身的進壹步水化反應和有機物在堿性條件下的緩慢硬化,使混凝土裂縫達到自修復、自鈍化的目的。

20世紀90年代初,日本東北大學學者Hirozo Mitsuhashi教授將空心膠囊或玻璃纖維與粘合劑混合到混凝土材料中,分別用水玻璃、稀釋水玻璃和環氧樹脂作為修復劑,註入空心膠囊或空心玻璃纖維中。混凝土壹旦在外力作用下開裂,部分膠囊或中空纖維破裂,膠粘劑流出進入裂縫,使混凝土中的裂縫得以重新愈合。他們的測試方法是通過制作7天和28天齡期的混凝土試件,測試不同修補劑修補裂縫後混凝土試件的強度恢復率。

日本學者田宮沼也研究了自修復混凝土中不同纖維含量、尺寸、不同水灰比對混凝土自修復的影響。直徑為3 mm ~ 5 mm、摻量為3% ~ 5%的玻璃纖維對混凝土抗壓強度影響不大。但是,過多的玻璃纖維會導致混凝土強度下降。不同水灰比對修補混凝土的抗壓強度也有很大影響。水灰比越大,混凝土的抗壓強度越低。

從65438到0994,伊利諾伊大學的Carolyn Dry教授將縮醛聚合物溶液作為粘合劑註入到中空玻璃纖維或中空玻璃短管中並埋入混凝土中,從而形成了智能仿生自愈神經網絡系統。當混凝土結構在使用中發生損傷開裂時,管道或短管中所含的修補劑流出並滲入裂縫,修補膠由於化學作用而固結,從而抑制裂縫,修補裂縫。經過三點彎曲試驗,發現修補後的混凝土試件強度比原來有了很大的提高,材料的延性也有了很大的改善。

1995年,美國國家科學基金會與伊利諾伊大學合作,提出了壹種填充修復膠的傳感裝置,感知混凝土構件開裂的可能性並使其愈合,從而實現混凝土的自診斷、自修復。

1996期間,美國伊利諾伊大學ATRE實驗室在混凝土橋面中預裝了含有低模量修補膠的修補管。當混凝土橫向收縮時,管道因橫向收縮應變而斷裂,修補膠留在管道外,以填充橋面裂縫。試驗證明,該方法對橋面橫向收縮引起的裂縫進行修補是可行的。由於修補粘合劑的低彈性模量,骨折愈合區比開裂前具有更大的變形阻力。

在此基礎上,Carolyn Dry教授還嘗試根據動物骨骼的結構和形成機理來制備仿生混凝土材料。基本原理是以磷酸鈣骨水泥(含單體)為基質材料,加入多孔編織纖維網。在水泥水化硬化過程中,多孔纖維釋放聚合引發劑,與單體聚合形成高聚物,聚合反應留下的水參與水泥水化。結果,在纖維網的表面上形成了大量的有機和無機物質,這些物質相互穿插並結合在壹起。最終的復合材料是壹種具有類似動物骨骼結構的無機-有機復合材料,其性能具有優異的強度和延展性。此外,在材料使用過程中,如果出現裂縫或損傷,多孔有機纖維將釋放聚合物並愈合裂縫或損傷。日本學者H.Hilalshi和英國學者S.M.Bleay分別在1998和2001中用類似的方法研究了裂縫對混凝上的自保護作用。目前,我國對智能材料結構的研究壹般集中在其自診斷和自適應功能上,對自修復的研究還處於起步階段。

南京航空航天大學智能材料與結構航空科學與技術重點實驗室在國內智能復合材料研究領域處於領先地位。在1997中,他們利用形狀記憶合金(SMA絲)和液芯光纖,研究了復合材料結構中損傷的自診斷和自修復方法。分析了總體方案,用環氧樹脂E44和E51做了初步試驗:形狀記憶合金和液芯光纖埋入混凝土中,光纖的出射光由光敏管接收。當損傷發生時,由液芯光纖組成的自診斷、自修復網絡使膠水流入損傷部位,同時損傷部位的SMA短纖維被局部激發產生局部壓應力,使損傷部位的液芯光纖斷裂並被粘合。破損部分是自修復的,當液芯光纖中含有的粘合劑流到破損部分時,SMA激發產生的熱量會大大提高固化質量,使自修復更好。

2001,南京航空航天大學楊紅提出利用中空纖維實現智能結構的自診斷和自修復。本文首創了智能結構用中空纖維的研究方法,並對其應用進行了研究。此外,設計了壹種嵌入中空光纖的復合材料診斷修復系統,用於檢測復合材料的損傷程度和位置,並對損傷部位進行自修復。形狀記憶合金(SMA)絲也被嵌入復合材料中,以提高復合材料的強度、安全性和可靠性。研究對象為紙蜂窩和樹脂基復合材料,通過中空光纖註膠的方式研究復合材料的自修復。實驗結果表明,修復後的紙蜂窩復合材料完全達到了材料的正常性能,在完全損傷的情況下,修復後樹脂基復合材料的拉伸和壓縮性能得到了很大的恢復。

同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室研究的仿生自診斷自愈合智能混凝土,模仿了創傷的生物感知和生物組織愈合傷口部位的功能。所謂第六組分,如仿生傳感器、帶粘合劑的液芯纖維等,與混凝土的傳統組分相結合,在混凝土內部形成智能仿生自診斷自愈合網絡系統。仿生傳感器可以在混凝土材料出現損傷時及時診斷和預警。當混凝土材料出現微裂縫時,部分液芯纖維斷裂,膠粘劑流出進入裂縫,使混凝土裂縫重新愈合,混凝土材料的性能得以恢復和提高。這種智能復合材料的研究可以實現混凝土材料的主動診斷、實時監測和及時修復,以先進的意識保證混凝土結構的安全,延長混凝土結構的使用壽命。