高性能混凝土自修复混凝土PPT资料.ppt
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自修复混凝土,第1章绪论,混凝土当今世界上用途最广、最大的材料之一混凝土已有100多年的历史,抗压强度高、耐久性好、成本低等特点广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、道路、港口和海洋工程等。
@#@2000年混凝土用量约为10亿立方米,2003年为15亿立方米,在逐年增加,混凝土是一种多孔性的脆性材料在使用过程和周围环境的影响下产生裂纹和局部损伤,重者则危及结构的安全,轻者会影响结构的使用性能,减少其使用寿命,1.1研究背景,在可预见的将来,仍然是一种现代建设不可缺少的建筑材料混凝土已逐渐向高强、高性能多功能和智能化方向发展混凝土结构也趋于大型化和复杂化,但是这些方法并未从根本上改变混凝土的性能弱点,这影响了混凝土材料在新型结构和复杂环境的应用,因此,对于使用在结构中的混凝土修复一个长期困扰着建筑技术人员的技术难题,多年来,人们对原材料、外加剂、浇捣方法和养护工艺等方面加以研究和改进,取得了很大的成果,混凝土修复的主要方法,表面涂抹砂浆、表面涂抹环氧胶泥水泥灌浆、化学灌注钢筋加固和预应力加固等,但是,这些停留在被动和计划模式下的修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求,混凝土修复的主要形式,事后维修或定时维修,研究和开发新型自修复混凝土,使其能够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性能已成为结构智能一体化混凝土的发展趋势。
@#@,自修复复合材料的构想源自于仿生在受到损伤破坏时,植物或动物体内的分泌系统均会自动分泌出一定物质,进行填充、修复或者局部再生。
@#@,1.2自修复复合材料,生物体的再生机能为材料科学者提供了新的思路将材料设置成开放体系,在其使用过程中对微小缺陷防微杜渐,参照生命过程有关概念输入能量或物质,就有可能以较低代价使材料性能显著改善,大大的延长使用寿命,从而为复合材料研究找到一条更具有生命力的新途径,目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的“活”材料系统专家们预言,将来的材料将具有类似生物系统的功能,能够根据外部条件的变化相应地改变其自身特性,具有修复和再生的机能,自修复复合材料的应用,起初设计应用于航天航空工业,目前自修复技术已经应用到各项领域,交通,如汽车和航天飞机组件或结构中,在损伤发展到危险水平之前将其修复,运动商品,如网球拍,头盔等,改善这些产品的质量,油漆,涂层等修复损伤,保护其不受外界环境的破坏,医药,心脏起搏器;@#@电子工业,电路板;@#@阻止其失效,1960年在美国召开第一次仿生学讨论会以来,开始了复合材料的自修复研究,自修复复合材料研究现状,美国伊利诺大学的斯科特.怀特等人利用液态二环戊二烯和催化剂成功的研制了一种可以用在飞机和卫星上的自修复增强塑料,美军坦克及机动车辆司令部军备研究开发工程中心研制了新一代具有故障自愈调控功能的、免维修、少维修的军用装备,S.R.White等人研究了一种自修复环氧树脂,在我国,以中国科学院及西北工业大学为主中科院金属所已在铝合金、碳纤维增强铝复合材料等材料和器件上进行了自修复的研究,其效果令人振奋张伟刚等研究了了陶瓷/碳复合材料的自修复抗氧化,全军装备维修表面工程研究中心研究的纳米减摩自修复技术,南京航空航天大学的杨红、陶宝祺等进行了空心光纤自诊断、自修复网络系统的探索,一种导致材料内部损坏的因素,诸如动力荷载,自修复复合材料的组成,在交叉连接聚合体的情况下,使基体中的化学制品固化的一种方法或在单体的情况下干燥基体的一种方法,一种释放修复用化学制品的驱动力,如纤维的破裂,一种用于储存修复化学制品的容器,如纤维、微胶囊等,一种修复用化学制品,包括单体或聚合物,它对驱动力产生反应,发生移动或是变化,在纤维内部的推动化学制品的因素,混凝土及其结构能够自动适应环境,在受到损伤后自行修复,是解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径,自修复混凝土的研究现状,1990,美国伊利诺斯大学的CarolynDry研究了一种混凝土裂缝主动修复技术,但对于自修复混凝土的研究,直到近年来,随着机敏混凝土和仿生混凝土研究热的兴起,才引起人们的重视,国内外研究都处于起步阶段,日本的三桥博三教授,分别用水玻璃,稀释水玻璃和环氧树脂等材料作为修复剂,将其注入空心玻璃纤维中并掺入混凝土材料中,测试经不同修复剂在开裂修复后,混凝土材料的强度回复率。
@#@,1996,Carolyn研究了一种由钴、过氧化氢和甲基丙烯酸甲酯胶结剂三部分组成的内部修复系统,美国伊利诺伊斯大学的ATRE实验室在混凝土桥面里预埋装有低模量的修复胶结剂的惰性管,用来修复桥面的横向收缩引起的裂缝。
@#@,同济大学在混凝土中复合特殊组分,如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等,实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复,1998,Carolyn研究了自动阻止钢筋腐蚀的新方法,哈尔滨工业大学的李惠等的研究结果表明:
@#@SMA筋可以有效减小裂缝处钢筋混凝土梁的拉应力,甚至使拉应力变为压应力。
@#@,美国的ArupK等研究了将形状记忆合金绞线对砂浆小梁的驱动作用,日本的沼尾达弥等对自修复混凝土中的不同纤维尺寸和不同水灰比等对混凝土修复后产生的影响作了一些研究,何思龙,陶宝祺,清华大学的邓宗才等对形状记忆合金自修复混凝土对了一些初步的探讨。
@#@,本文主要研究内容,混凝土自修复原理与技术研究,内置胶囊自修复混凝土研究,内置纤维胶液管裂缝自修复混凝土研究,形状记忆合金智能自修复混凝土的研究,混凝土渗透结晶自修复研究,自修复混凝土是一种智能材料,复合在混凝土中的功能元件,使其变得有“感觉”和“知觉”,能够对外界环境变化自动做出恰当的响应,并具有自我修复功能,研究难度较大,没有形成系统的理论和应用方法,目前尚有许多问题需要解决,混凝土自修复技术,1结晶沉淀自修复,2渗透结晶自修复,3电解沉积自修复,4仿生自修复,6智能自修复,第2章混凝土自修复原理与技术,5微生物沉积积自修复,混凝土自修复技术指混凝土依靠自身或外部环境的作用,在一定的条件下内部的损伤和裂缝能够自行修复,恢复、甚至提高混凝土性能的方法,裂缝形成原因不同,修复的方法、过程和效果也不同,2.1结晶沉淀自修复,修复原理,在水流或水介质作用下,利用物理、热学、力学、化学过程实现混凝土微裂缝的自修复,碳酸钙化学结晶沉淀是其主要的自修复机理,形成的碳酸钙晶体,在裂缝中不断聚集、生长,结晶体与相邻的结晶体之间键合以及结晶体与水泥浆体和骨料表面的化学粘结,逐渐将裂缝密封、修复,影响因素与效果,结晶沉淀自修复是一个自然修复过程,修复后混凝土的回复强度较弱,依赖于混凝土和水中的、或浓度提高水温,提高水PH值,降低水中的二氧化碳分压等,有利于裂缝中碳酸钙的形成和修复,碳酸钙晶体的形成,修复反应只发生在混凝土中有潮气或水,但没有拉力存在的情况下,晶体生长速度取决于裂缝宽度、水压力和混凝土组成,2.2渗透结晶自修复,修复原理,在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料,在潮湿或水中养护条件下,以水为载体,通过渗透作用,使渗透结晶材料中的特殊活性化学物质在混凝土形成不溶性的枝蔓状结晶体,混凝土干燥时,该活性化学物质处于休眠状态;@#@一旦混凝土开裂,有水浸入时,活性化学物质再次激活,催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续水化,生成新的结晶物,对裂缝进行自动填充,实现自修复,影响因素与效果,渗透结晶自修复是一种主动激发修复过程,渗透结晶反应在整个使用过程是持续进行的,活性化学物质反应生成的硅酸盐结晶体,与混凝土结为一体,从而增加混凝土的密实度,提高混凝土的性能,修复的效果主要受裂缝的大小、渗透结晶材料中的活性成分、混凝土的孔隙率及孔结构等影响.对较宽的裂缝修复效果不佳,自修复能力的评价主要考虑混凝土自身潜在的修复能力以及外部激发的修复能力,一般主要考虑抗拉、抗压强度的回复率、混凝土抗渗试验中的第二次抗渗压力等,2.3电解沉积自修复,修复原理,以水或海水中各类矿物化合物作为电解质溶液,利用电化学技术,使溶液中的阳离子得到电子,生成难溶性的化合物,沉积在混凝土结构裂缝内和混凝土表面,从而填充、密实混凝土裂缝。
@#@,修复前,裂缝尖端有电流集中现象,因此最先沉积沉淀物,其曲率半径增大,从而抑制了裂缝的进一步扩展,修复后,影响因素与效果,修复后混凝土表面形成一层物理上的保护层,有效地降低了混凝土内部的气液介质的流动,从而降低混凝土的渗透性,沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响,混凝土抗氯离子侵蚀和抗碳化等性能明显提高,修复效果主要从裂缝的封闭率、渗水率、表面涂覆率和重量变化等方面来评价,适合于海洋混凝土工程结构或长期处于潮湿环境中的工程结构,如大坝、海洋石油钻井平台等,断骨血肿,外骨痂,内骨痂,2.4仿生自修复,裂口血肿的形成,内外骨痂的形成,骨痂的改造,自修复是生物的重要特征之一,骨骼是生物体自修复功能的典型例子骨折血管破裂血液流出凝结伤口修复,生物的损伤自修复,混凝土仿生自修复原理,模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某些物质,而使创伤部位得到愈合的机能,在混凝土基体中预埋内含高分子修复胶粘剂的修复胶囊或修复纤维管,形成智能型自修复网络系统。
@#@,内置开放式纤维胶液管混凝土自修复机理示意图,影响因素与效果,可以提高开裂部分的强度,增强其延性弯曲的能力,从而提高整个结构的性能,较硬的胶粘剂可以使受损结构重新获得横向刚度不同凝固时间的胶粘剂可以对结构的弯曲进行控制,必须解决好三个关键的问题修复胶粘剂的贮存修复剂胶粘剂至损伤处的传送修复功能的触发,低模量胶粘剂可以改善结构阻尼特性;@#@,2.5微生物沉积自修复,修复原理,利用成岩微生物,为其提供充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件,加速其酶化作用,沉积制备出碳酸钙晶体,将石质材料胶结起来,以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复,菌株的酶化作用,使底物不断分解,并使浓度不断增加,整个反应过程,在溶液中引入,菌体细胞带负电的水可溶有机质不断螯合,驱物浓度不断增到有利于核心化,沉积出碳酸钙晶体,影响因素与效果,利用微生物沉积碳酸钙进行自修复资源丰富,环境友好,应用广泛,外界条件如环境PH值、温度、压力、反应物浓度,溶液过饱和度,反应物种类等因素,都会直接影响沉积出的碳酸钙晶型和形貌,寻找选择适宜的菌株乃是整个技术关键,在混凝土中其缺陷周围含有的水化产物氢氧化钙可以为碳酸钙的沉积直接提供钙离子源,以期应用于重大工程混凝土缺陷的修复,2.6智能自修复,修复原理,将形状记忆合金等功能元件和含有修复胶粘剂的纤维管预埋在混凝土中,从而在混凝土内部形成密集分布的自适应、自诊断、自修复网络,使其具有感知和激励功能,即能够对外界环境变化因素产生感知,自动做出适时、灵敏和恰当的响应。
@#@,同时通电激励形状记忆合金使之产生形状恢复效应,或利用形状记忆合金弹性丝恢复时,对裂缝面施加压应力,并且迫使裂缝合拢闭合,使混凝土挠度和变形恢复,一旦裂缝宽度超过允许的限值时,纤维管破裂,修复剂流出修复裂缝,影响因素与效果,智能自修复利用修复胶粘剂对裂缝面的粘结功能和形状记忆合金等功能元件的驱动功能,实现了混凝土自修复,形状记忆合金恢复时产生的压力,可提高修复胶粘剂的粘结强度,从而提高修复质量。
@#@,形状记忆合金的配置量、合金的粗细、合金初始预应变值、合金与混凝土的连结方式等因素决定了梁的变形性能及自修复能力,形状记忆合金或聚合物都需要时间来转化,修复剂在裂缝面上的扩散以及修复剂固化等都需要一定的时间,因此应对形状记忆合金和修复胶粘剂的性能进行深一步的研究,本章小结,混凝土及其结构能够自动适应环境,在受到损伤后能够自行愈合,是解决结构中的混凝土材料损伤的最佳途径,作为一种新型的功能材料,研究还不成熟,所有的裂缝自修复原理和技术尚处于实验室探索和研究阶段,不同原理的混凝土自修复技术一般仅适用于一定成因的裂缝,还没有形成系统的应用方法,在结构中的应用仍处于尝试阶段,随着人们对自修复混凝土的逐步认识和研究工作的进一步深入开展,相信在不远的将来,混凝土自修复理论和技术将会日趋成熟,使传统混凝土工业获得突破性的飞跃
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- 性能 混凝土 修复
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