熱熔膠水泥基材料裂縫自修復(fù)性能、機理與耐久性壽命預(yù)測.pdf

1、為了提高混凝土材料在環(huán)境與荷載耦合作用下的抗裂與裂縫自修復(fù)性能，本文根據(jù)荷載作用下水泥基材料開裂損傷機理，提出了采用具有裂縫修復(fù)功能的熱熔膠與實現(xiàn)裂縫控制作用的形狀記憶合金(SMA)等兩種智能組分材料相復(fù)合的技術(shù)路線，制備了一種新型的裂縫自修復(fù)智能混凝土，并通過試驗研究和理論分析，開展了基于熱熔膠與形狀記憶合金復(fù)合的混凝土制備技術(shù)及其裂縫自修復(fù)性能研究，主要研究內(nèi)容及研究結(jié)果有：
　　(1)熱熔膠的優(yōu)選與其應(yīng)用于水泥基材料裂縫自修

2、復(fù)的可行性研究
　　優(yōu)選了一種乙酸-醋酸乙烯熱熔膠(EVA)及一種聚酰胺熱熔膠(PA)作為修復(fù)劑，并對熱熔膠與水泥基材料之間的粘結(jié)強度及其熱穩(wěn)定性(粘度、粘結(jié)強度與化學(xué)穩(wěn)定性)等物理力學(xué)性能進行了測試分析。結(jié)果表明，常溫下EVA、PA與水泥砂漿界面的粘結(jié)力為4.2MPa與4.7MPa，明顯高于普通砂漿、水泥凈漿和聚合物砂漿等普通的修復(fù)材料；經(jīng)歷3次高溫?zé)嵫h(huán)后，熱熔膠與水泥基材料之間的粘結(jié)強度降幅不超過5％、熔融粘度遠小于200P

3、a.s，且熱熔膠內(nèi)沒有新基團的生成與改變，無明顯的氧化反應(yīng)發(fā)生。因此，熱循環(huán)條件下，熱熔膠與水泥基材料之間的粘結(jié)強度和其流動性沒有明顯的改變，熱熔膠具有很好的熱穩(wěn)定性。
　　(2)熱熔膠水泥基材料基本性能的研究
　　研究了熱熔膠的摻量、顆粒尺寸及其類型對水泥基材料工作性能、物理力學(xué)性能(抗壓強度、抗折強度、抗拉強度及韌性)和耐久性的影響，探討了高溫?zé)嵫h(huán)對熱熔膠水泥基材料宏觀力學(xué)性能和耐久性的影響。結(jié)果表明，熱熔膠對砂漿工作

4、性能具有一定的提升作用，且隨熱熔膠摻量的增加和熱熔膠粒徑的增大而增大，但熱熔膠的摻入導(dǎo)致水泥基材料的抗壓強度、抗拉強度與耐久性能降低，其降低的幅度隨熱熔膠摻量的增加而增大，隨粒徑的減小而減??；在一定的摻量(Vf<5％)下，熱熔膠的摻入?yún)s能提高水泥基材料的抗折強度，其提高的幅度隨熱熔膠摻量的增加而增加，隨粒徑的增大而減小，如熱熔膠摻量3％的試件比未摻試件的抗折強度增加了15％。經(jīng)歷熱循環(huán)后的熱熔膠水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性能得到了大幅度

5、的提升，3次熱循環(huán)后，熱熔膠摻量5％試件的韌性提高了大約5倍，其韌性的提高十分明顯。
　　(3)熱熔膠水泥基材料裂縫自修復(fù)性能的研究
　　通過對標(biāo)養(yǎng)的熱熔膠膠砂試件分別施加其極限強度30％、50％和70％的荷載，制備了一批預(yù)損傷程度不同的試件，并對這些預(yù)損傷試件修復(fù)前后的宏觀力學(xué)性能和耐久性進行了對比分析，以評估熱熔膠水泥基材料的修復(fù)效果。同時探討了熱熔膠水泥基材料單次與多次反復(fù)修復(fù)損傷的性能，以及熱熔膠摻量、粒徑與SMA的

6、驅(qū)動作用對修復(fù)效果的影響。結(jié)果表明，經(jīng)歷一次損傷－修復(fù)循環(huán)試件的性能均超過無預(yù)損傷的標(biāo)養(yǎng)試件，表明熱熔膠水泥基材料具有較好的單次裂縫修復(fù)性能，且預(yù)損傷程度相同的試件，熱熔膠水泥基材料的裂縫單次修復(fù)性能隨熱熔膠摻量的增加、粒徑的減小而提高。熱熔膠摻量也是影響熱熔膠水泥基材料多次修復(fù)裂縫性能的重要參數(shù)，經(jīng)過三次損傷－修復(fù)循環(huán)后，熱熔膠摻量3％和5％試件的性能均恢復(fù)或超過原有水平；而熱熔膠摻量1％的試件，僅預(yù)損傷程度30％的試件性能基本恢復(fù)到

7、原有水平。SMA驅(qū)動力對熱熔膠水泥基摻量單次與多次反復(fù)修復(fù)裂縫的性能均有提升作用，該提升作用隨熱熔膠摻量的增加而增加，隨熱熔膠粒徑的減小而增大。
　　(4)熱熔膠水泥基材料裂縫自修復(fù)性能的微觀定量表征
　　采用ESEM對所制備的預(yù)損傷熱熔膠膠砂試件在修復(fù)前后的內(nèi)部裂紋進行觀察，并通過軟件image－proplus對所獲得的ESEM圖像進行處理，提取了試件內(nèi)部二維截面上裂紋的幾何參數(shù)，如裂紋的密度(長度密度、面積密度、周長密度

8、)以及取向性等幾何信息，通過運用體視學(xué)理論，獲得了裂紋在三維空間中的密度(表面積密度、體積密度)和分布(空間間距、空間取向程度)，并對試件在修復(fù)前后的裂紋幾何參數(shù)進行對比分析。結(jié)果表明，隨熱熔膠摻量的增加和預(yù)損傷程度的加大，裂縫密度逐步增大，而裂縫間距逐步減小。與修復(fù)前相比，修復(fù)后預(yù)損傷試件的裂縫密度大幅度減小，而裂縫間距大幅增大；預(yù)損傷程度相同的試件，修復(fù)后裂縫密度的降幅隨熱熔膠摻量的增加而增加，裂縫間距的增幅隨熱熔膠摻量的增大而增大

9、。熱熔膠的摻量對裂縫的取向性影響不大，而裂縫的取向性隨預(yù)損傷程度的增加而增強。二維平面上的裂縫，修復(fù)前后取向性變化較小，而三維信息則表明修復(fù)后裂縫的空間取向程度有所減小。
　　(5)SMA驅(qū)動下熱熔膠水泥基材料裂縫修復(fù)機理的研究
　　通過SMA驅(qū)動實驗、ESEM、XRD和紅外光譜等宏微觀實驗測試手段研究了常溫馬氏體狀態(tài)、具有一定預(yù)拉應(yīng)變的SMA對水泥基材料的驅(qū)動效應(yīng)、熱熔膠-水泥基材料間的界面效應(yīng)，獲得了SMA驅(qū)動下熱熔膠水

10、泥基材料具有較優(yōu)異裂縫修復(fù)性能的機理。SMA驅(qū)動力試驗結(jié)果表明，SMA驅(qū)動力作用下，水泥基材料的裂縫閉合良好，各種修復(fù)材料與水泥基材料之間的粘結(jié)性能明顯改善，水泥基材料的損傷程度明顯降低。通過ESEM圖像的分析可知，熱熔膠不僅修復(fù)了水泥基基體中的損傷，也改善了熱熔膠與水泥基材料間的界面，修復(fù)后熱熔膠與水泥基材料之間未發(fā)現(xiàn)明顯的界面過渡區(qū)，而且SMA的驅(qū)動作用驅(qū)使熱熔膠更易滲入基體材料中微小裂紋、孔隙等缺陷中，提高熱熔膠對水泥基材料損傷的

11、修復(fù)效率。XRD與紅外光譜實驗結(jié)果表明，試件內(nèi)部的熱熔膠在修復(fù)裂縫前后與水泥基材料之間均沒有明顯的化學(xué)反應(yīng)，不存在化學(xué)結(jié)合，因此熱熔膠修復(fù)界面是物理粘結(jié)與機械咬合。
　　(6)熱熔膠水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕的耐久性與壽命預(yù)測
　　將所制備的熱熔膠水泥基材料試件浸泡在不同濃度的Na2SO4溶液中，研究了試件在修復(fù)前后的抗硫酸鹽侵蝕性能(質(zhì)量變化、抗壓強度、抗折強度)的變化規(guī)律，并通過實測數(shù)據(jù)分析，給出了考慮SO42-濃度、預(yù)損傷

12、程度和熱熔膠摻量等參數(shù)變化的熱熔膠水泥基材料抗折強度-齡期之間的關(guān)系，建立了熱熔膠水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕耐久性壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明，與未損傷的標(biāo)養(yǎng)試件相比，修復(fù)后的熱熔膠水泥基材料試件各項耐久性指標(biāo)的變化幅度較小，熱溶膠提高了修復(fù)后的預(yù)損傷試件密實性，減輕了硫酸鹽隨試件侵蝕程度，降低了試件性能變動的幾率。經(jīng)所建立的熱熔膠水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕耐久壽命預(yù)測模型計算，修復(fù)后的預(yù)損傷試件壽命均超過200年，比未損傷的試件具有更長的耐