1、自修復(fù)水泥基復(fù)合材料,盧靜嫻,無痛注射針頭,來自蚊子吸管的靈感,日本新干線,來自翠鳥喙的靈感,自愈合混凝土,來自人皮膚的靈感,來自鯊魚皮膚的靈感,抑菌材料,源自自然的靈感：,主要內(nèi)容,研究背景,概述,分類,存在的問題與發(fā)展前景,4,1,2,3,有關(guān)自修復(fù)水泥基復(fù)合材料將涉及：,一、研究背景,應(yīng)用,損傷自診斷混凝土 自調(diào)節(jié)智能混凝土 溫度自控智能混凝土 自修復(fù)智能混凝土 反射/吸收電磁波智能混凝土,復(fù)合智能型組分,碳纖維、光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、沸石粉、含粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊等,功能,預(yù)報內(nèi)部損傷 實(shí)現(xiàn)自身安全檢測 防止?jié)撛诖嘈云茐?實(shí)現(xiàn)自動修復(fù) 提高結(jié)構(gòu)安全性、耐久性,自診斷 自調(diào)節(jié) 自修復(fù)

2、,智能混凝土,智能混凝土,一、研究背景,裂縫修復(fù)現(xiàn)狀,修復(fù)方式,修復(fù)的主要形式,修復(fù)的主要方法,事后維修 定時維修,表面涂抹砂漿/環(huán)氧膠泥 水泥灌漿、化學(xué)灌注 鋼筋加固、預(yù)應(yīng)力加固,混凝土是目前用量最多的建筑材料。 混凝土是一種多孔性的脆性材料，在使用過程和周圍環(huán)境的影響下不可避免地會產(chǎn)生裂縫和局部損傷，輕者會降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，重者則危及結(jié)構(gòu)的安全。 對于使用在結(jié)構(gòu)中的混凝土裂縫的修復(fù)是一個長期困擾著建筑技術(shù)人員的技術(shù)難題。,混凝土裂縫的修復(fù)：,一、研究背景,二、概述,自修復(fù)混凝土 定義：模仿生物組織損傷愈合的機(jī)能，在水泥基體中預(yù)埋入特殊組分，形成智能型自修復(fù)系統(tǒng)。在基體產(chǎn)生損傷裂紋時，埋植

3、于內(nèi)部的修復(fù)體系在力、熱或化學(xué)破壞下釋放修復(fù)劑，粘結(jié)封堵裂紋，阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而達(dá)到修復(fù)目的。 特點(diǎn)：與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比，它具有成本低廉、不依靠外界操作、可再生等優(yōu)勢。 要求：在仿生自修復(fù)中，需要相對較快的反應(yīng)，以在一定程度上重建結(jié)構(gòu)的完整，或阻止開裂的進(jìn)一步發(fā)展。,二、概述,20世紀(jì)90年代初 日本東北大學(xué)學(xué)者三橋博三教授將內(nèi)含膠粘劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中，分別用水玻璃、稀釋水玻璃和環(huán)氧樹脂作為修復(fù)劑，將其注入空心膠囊或空心玻璃纖維中，當(dāng)混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心纖維發(fā)生破裂，膠粘劑流出滲入裂縫可使混凝土裂縫重新愈合。,1994年 美國伊利諾伊斯大學(xué)的C

4、arolyn Dry教授，將縮醛高分子溶液作為膠粘劑注入到空心玻璃纖維或者空心玻璃短管內(nèi)，放入到混凝土中，從而形成了智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,1996年 美國Illinois大學(xué)的ATRE實(shí)驗(yàn)室在混凝土橋面內(nèi)預(yù)裝有低模量的內(nèi)含修復(fù)膠粘劑的修復(fù)管當(dāng)混凝土產(chǎn)生橫向收縮時，橫向收縮應(yīng)變使管破修復(fù)膠粘劑從管中留出，填充愈合橋面的裂管裂縫。,美國加州大學(xué)伯克利分校的日本學(xué)者J-S Ryu和東京理工大學(xué)的Nobuaki Otsuki教授，研究了利用電化學(xué)技術(shù)對鋼筋混凝土裂縫實(shí)施愈合，并取得了一定實(shí)驗(yàn)性成果。,國外研究發(fā)展現(xiàn)狀：,二、概述,國內(nèi)研究現(xiàn)狀：,1997年，南京航空航天大學(xué)的智能材料與結(jié)構(gòu)航

5、空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了利用形狀記憶合金(SMA絲)和液芯光纖對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行自診斷、自修復(fù)的方法。,2001年，南京航空航天大學(xué)的楊紅提出了利用空心光纖來實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的自診斷、自修復(fù)。首創(chuàng)了用于智能結(jié)構(gòu)的空心光纖研究方法，并對其進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究，設(shè)計出了復(fù)合材料診斷與修復(fù)系統(tǒng)。,同濟(jì)大學(xué)模仿生物對創(chuàng)傷的感知和生物組織對創(chuàng)傷部位愈合的機(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特殊組分，如仿生傳感器、含膠粘劑的液芯纖維等，使混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自診斷、自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,福州大學(xué)劉承超等對自修復(fù)混凝土進(jìn)行了初步的理論研究。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐進(jìn)萍等，對內(nèi)置膠囊混凝土的裂縫自愈合行為進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。

6、,三、分類,自修復(fù)混凝土可分為：,形狀記憶合金混凝土自修復(fù),利用形狀記憶合金的驅(qū)動特性修復(fù)混凝土。,利用形狀記憶合金的驅(qū)動特性，通過電加熱的方法，產(chǎn)生收縮變形，從而達(dá)到修復(fù)混凝土的目的。,當(dāng)加熱溫度超過形狀記憶合金的相變溫度時，混凝土發(fā)生明顯的恢復(fù)變形，裂縫基本閉合，達(dá)到良好的修復(fù)效果。,目的,方法,預(yù)期結(jié)果,試驗(yàn)設(shè)計：,混凝土梁試件尺寸為：50mm70mm1000mm 混凝土配合比：水泥：砂：石子：水=0.47：1：1.28：2.378 水泥強(qiáng)度等級為42.5MPa，碎石最大粒徑為10mm 在混凝土梁中沿梁長度方向埋入Ni Ti 形狀記憶合金,結(jié)果分析：,由圖中可以看出：混凝土開裂前，荷載大

7、部分由混凝土承受，混凝土開裂以后，受拉區(qū)混凝土退出工作，對于L 1 試件荷載由鋼筋承受，對于L 2 試件荷載由鋼筋及SMA 絞線共同承受。,結(jié)果分析：,采用通電方式激勵SMA 絲，電流由大功率的直流穩(wěn)壓電源提供，電壓強(qiáng)度為5V。,裂紋寬度：左跨跨中底部裂縫寬度修復(fù)前為1. 18 mm，修復(fù)后為0. 48 mm 右跨跨中底部裂縫寬度修復(fù)前為1. 33 mm，修復(fù)后為0. 54 mm,將膠黏劑注入到中空玻璃纖維并埋到混凝土中，從而形成智能仿生自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在外部荷載和環(huán)境作用下出現(xiàn)損傷和裂紋時，纖維內(nèi)膠黏劑流出滲入裂紋，化學(xué)作用下膠黏劑發(fā)生固化，從而抑制開裂，進(jìn)一步修復(fù)裂紋。自愈合后

8、的混凝土強(qiáng)度和延性都得到了提高。,制備原理：,水泥漿膠體與玻璃纖維管接觸表面的化學(xué)粘著力；混凝土硬結(jié)，將玻璃纖維緊緊包裹的摩擦力。,玻璃線膨脹系數(shù)：110-5 混凝土線膨脹系數(shù)：（1.01.4）110-5,能在混凝土中長期保存，且強(qiáng)度不變，也不影響混凝土的性能；能長時間儲存各種修復(fù)膠結(jié)劑而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。,修復(fù)纖維在混凝土中工作的基礎(chǔ)：,粘結(jié)作用,變形協(xié)調(diào)作用,化學(xué)穩(wěn)定性,材料性能的匹配,玻璃纖維為典型的脆性材料，沒有屈服延伸階段，只要裂縫貫穿玻璃纖維，玻璃纖維馬上破裂。,試驗(yàn)設(shè)計：,砂漿為基體材料 水灰比為0.44；灰砂比為1:2.5；齡期為28天 試件尺寸：40mm 40mm 160mm

9、空心玻璃纖維外徑2 mm,壁厚0.5 mm,長160 mm,注入聚氨酯、丙烯酸 酯作為修復(fù)劑。 試樣在INSTRON8501萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。,實(shí)驗(yàn)過程：,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：,由圖可得：修復(fù)前材料呈脆性。經(jīng)修復(fù)劑修復(fù)后,其脆性有所改善。其中經(jīng)丙烯酸酯修復(fù)的試件其脆性改善效果較大，試件斷裂能明顯增加；經(jīng)聚氨酯修復(fù)后的試件荷載-撓度曲線，其下降段雖不如丙烯酸酯緩慢，但較之未修復(fù)的試件，其韌性已得到了極大的改善。,與混凝土力學(xué)性能的匹配。,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,膠囊的數(shù)量要控制好。,膠囊的直徑、壁厚、長度等幾何參數(shù)要適宜。,M2,M4,M3,修復(fù)膠囊的選擇：,M1,易于運(yùn)輸儲藏、環(huán)境污染少,試驗(yàn)設(shè)計

10、：,*材料： PO42.5普通硅酸鹽水泥；玄武巖短切纖維；自制脲醛/環(huán)氧樹脂微膠囊 固化劑（MC120固化劑粉末、四乙烯五胺固化劑） *試樣制備： 將玄武巖纖維與水泥、脲醛/環(huán)氧樹脂微膠囊、MC120固化劑粉末混合，在水泥凈漿攪拌機(jī)上慢速攪拌3min，待各物質(zhì)均勻混合后，加入水和四乙烯五胺固化劑繼續(xù)攪拌，攪拌結(jié)束后將復(fù)合材料漿體裝入的三聯(lián)模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)1天后拆模，放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)池水中養(yǎng)護(hù)至特定齡期后進(jìn)行相關(guān)性能測試。,性能測試：,微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響實(shí)驗(yàn)，試樣中微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、3%, 6%, 9%，水灰比為0.3。 微膠囊粒徑影響實(shí)驗(yàn)，試樣中微膠囊平均粒徑分別為60 、 135 、22

11、3 、313、486 m，微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，水灰質(zhì)量比為0. 3 。 自修復(fù)性能實(shí)驗(yàn)，制備如下圖4種水泥試樣，分別對4種材料進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測試，計算4種復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的修復(fù)率和恢復(fù)率。,微膠囊對微膠囊/水泥復(fù)合材料力學(xué)性能影響:,抗折強(qiáng)度隨著微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)微膠囊平均粒徑在200m左右的條件下，微膠囊自修復(fù)效果較好。,微膠囊-玄武巖纖維/水泥復(fù)合材料自修復(fù)實(shí)驗(yàn),復(fù)合材料經(jīng)損傷后修復(fù)，抗折強(qiáng)度修復(fù)率為117%，恢復(fù)率為103%，抗壓強(qiáng)度修復(fù)率為71%，恢復(fù)率為97%。脲醛-環(huán)氧樹脂微膠囊破裂后修復(fù)劑流出粘合水泥基體中

12、的裂縫，實(shí)現(xiàn)了水泥復(fù)合材料的自修復(fù)。,尿素酶,嗜堿微生物 巴氏芽孢桿菌,氨、CO2,CaCO3,制造,水解,沉積,氨增加了環(huán)境PH值，造成CaCO3的沉積,裂紋修復(fù)的過程即CaCO3沉積的過程，包括一系列的生化反應(yīng)。,角色,微生物修復(fù)是微生物新陳代謝引起的，具有純天然無污染的特點(diǎn)。裂紋自修復(fù)的機(jī)制應(yīng)能在混凝土的服役壽命期間不斷地發(fā)揮作用，而水泥基裂紋微生物修復(fù)技術(shù)在此方面具有很大的潛力，因?yàn)榧偃鐥l件合適微生物就可以持續(xù)繁衍微生物修復(fù)技術(shù)因不僅可以實(shí)現(xiàn)對己建結(jié)構(gòu)的裂紋進(jìn)行修復(fù)，而且還具備對新建結(jié)構(gòu)的智能自修復(fù)的潛力，因此越來越受到關(guān)注。,四、存在的問題與發(fā)展前景,亟需解決的問題,修復(fù)纖維和修復(fù)膠

13、囊的選擇,修復(fù)材料的數(shù)量,修復(fù)材料的時效,修復(fù)劑的補(bǔ)給.,裂縫寬度的控制,修復(fù)劑的傳輸,四、存在的問題與發(fā)展前景,修復(fù)纖維/膠囊的選擇,修復(fù)材料的數(shù)量.,修復(fù)材料太少不能形成完全修復(fù)，多了對混凝土材料的宏觀性能有一定的影響,應(yīng)進(jìn)一步研究由于修復(fù)材料的摻入給混凝土性能帶來的不利影響，同時結(jié)合修復(fù)后混凝土的強(qiáng)度回復(fù)率、裂縫封閉率、混凝土的耐久性以及斷裂能等,確定其數(shù)量的最佳取值范圍。,制備工藝復(fù)雜,與混凝土原材料共同攪拌易破裂,進(jìn)一步研制和開發(fā)一種強(qiáng)度較低、性能與混凝土材料性能相匹配的智能材料來取代現(xiàn)有的玻璃修復(fù)膠囊和玻璃修復(fù)纖維是必須解決的問題。,四、存在的問題與發(fā)展前景,修復(fù)材料的時效.,修復(fù)

14、劑的補(bǔ)給,在裂縫修復(fù)時，當(dāng)一條裂縫愈合，必然在修復(fù)纖維中出現(xiàn)一個“空位”，盡管此時新缺陷的危險性小于原裂縫，但顯然會影響材料性能。,對修復(fù)過程中的修復(fù)劑的補(bǔ)給應(yīng)進(jìn)一步的研究,建立快速的補(bǔ)給體系，以保證損傷處有足夠多的修復(fù)劑.對于多次修復(fù)的可行性也有待于進(jìn)一步深入地研究和討論。,所有的修復(fù)方法都牽涉到時間落后的問題，形狀記憶合金或聚合物都需要時間來轉(zhuǎn)化,修復(fù)劑在裂縫面上的擴(kuò)散以及修復(fù)劑固化等都需要一定的時間。,應(yīng)對形狀記憶合金和修復(fù)膠勃劑的性能進(jìn)行深一步的研究，提高形狀記憶合金的響應(yīng)速度,研制和開發(fā)低豁度、快速硬化的修復(fù)膠黏劑。,四、存在的問題與發(fā)展前景,修復(fù)劑的傳輸,裂縫寬度的控制,裂縫寬度必

15、須控制，否則的話，將需要大量的修復(fù)管，這將影響混凝土的性能。 裂縫過寬，修復(fù)劑將順著裂縫面在重力作用往下流，而不會在裂縫面上滲透，修復(fù)效果差,而且纖維管上方的裂縫也無法修復(fù)。,裂縫寬度應(yīng)該被限制在小于修復(fù)管的內(nèi)直徑范圍內(nèi)；要想達(dá)到理想的修復(fù)效 果，實(shí)現(xiàn)裂縫的快速地在線修復(fù)，對控制裂縫寬度的方法進(jìn)行深一層的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。,在自修復(fù)過程中修復(fù)劑的傳輸僅靠其自身的滲透是一個很緩慢甚至較難進(jìn)行的過程。,應(yīng)向修復(fù)管道內(nèi)施加適當(dāng)?shù)膲毫?，以促進(jìn)修復(fù)劑的流動。管內(nèi)壓力與修復(fù)質(zhì)量關(guān)系，管內(nèi)壓力與修復(fù)范圍的關(guān)系，以及修復(fù)劑的釋放速度等這些問題有待于進(jìn)一步研究。,四、存在問題與發(fā)展前景,采用學(xué)科交叉的思路,建立相關(guān)自愈合技術(shù)的理論模型,多學(xué)科領(lǐng)域之間的合作交流，協(xié)作分工,