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技术与应用

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仿生自愈合水泥砂浆的研究

发布日期:2010-09-02 09:25    浏览次数:

摘要:将含有聚氨酯、丙烯酸酯等修复剂材料的空心玻璃纤维埋入水泥砂浆基体中,在水泥砂浆内部形成智能型仿生自愈合系统.砂浆开裂后空心玻璃纤维断裂,致使修复剂流入基体,愈合基体微裂缝且修复损伤界面.使用INSTRON实验机和声发射仪分别测试了砂浆愈合后的强度和质量.结果表明:砂浆的愈合效果明显,且断裂韧性得到了一定的改善.
关键词:自愈合混凝土;强度回复;声发射;断裂韧性
混凝土材料在使用过程和周围环境的影响下,不可避免地会产生局部开裂和损伤,混凝土的宏观破坏能被肉眼发现并用手工修复.另外,超声波和放射线照相术等无损检测技术对探察内部损伤也很有效.但由于这些技术的局限性,目前还不能用于诸如微开裂等微观损伤的探测,而微观损伤的修复则更加困难.这些微观损伤如不及时修复,不但影响结构的正常使用,缩短使用寿命,而且还可能由此引发宏观裂缝并出现脆性断裂,从而产生严重的灾难性事故[1,2].过去对混凝土材料的修复形式主要是事后维修和定时维修,随着现代多功能和智能建筑对混凝土材料的要求越来越高,这种修复方式已不能适应.自愈合仿生混凝土的工作机理是模仿生物组织能自动分泌某种物质使受创伤部位得到愈合的机能,通过在混凝土中复合特殊组分(如含粘结剂的空心纤维),形成智能型仿生自愈合神经网络系统,可以认为,自愈合仿生混凝土是一种智能型仿生材料[3].
1 实验装置和方法
本研究采用聚氨酯、丙烯酸酯等材料为修复剂,将其注入空心玻璃纤维中并埋入40 mm×40mm×160 mm的水泥砂浆试件,空心玻璃纤维外径2 mm,壁厚0.5 mm,长160 mm,其埋置位置如图1所示.砂浆试件的水灰比为0.44,灰砂比为1∶2.5,龄期为28 d.试样在NSTRON8501万能试验机上进行三点弯曲试验(图1),通过跨中挠度控制对试样进行加载,加荷速度为0.025 mm/min.在一定荷载下砂浆基体产生微裂缝,导致修复纤维断裂,释放出的修复剂渗入基体内.将试件再放回养护室中继续养护(室温20°C,相对湿度100%),直至修复剂固化后再次进行三点弯曲试验.在弯曲试验同时,用声发射技术对试件破坏过程进行检测,检测方法见参考文献[4]

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2 实验结果及分析
2.1 自愈合水泥砂浆的强度
图2为含2种修复剂的砂浆试件在修复前后的荷载-挠度曲线.根据试件修复前后的承载力状况计算其强度回复率,结果见表1.其中,使用丙烯酸酯修复剂进行修复,试件修复后强度较高,聚氨酯次之.并且,修复后的试件与修复前相比,其强度非但没有下降,而且略有升高,这是因为试件开裂后其承载面积减少,致使承载力下降,而修复剂进入试件中的微裂缝后,正好修补了裂缝,因此强度略有上升.
2.2 自愈合水泥砂浆的韧性
由图2荷载-挠度曲线所示,修复前材料呈脆性.经修复剂修复后,其脆性有所改善.其中经丙烯酸酯修复的试件其脆性改善效果较大,试件断裂能明显增加;经聚氨酯修复后的试件荷载-挠度曲线,其下降段虽不如丙烯酸酯缓慢,但较之未修复的试件,其韧性已得到了极大的改善.另外,在大量的实验中通过对水泥砂浆断裂面的观察,笔者发现,自愈合水泥砂浆断裂界面粘接太差和太强对材料的断裂韧性均不利,只有在界面粘接适中时,其断裂韧性才最优.界面粘接太强,裂纹将直接从基体中扩展,其荷载-挠度曲线的形状将变得尖锐和陡峭,并形成脆断;界面粘接太差,则因断裂能量没有被足够地吸收,将导致界面的完全脱粘,无法起到愈合的作用.所以只有界面粘接适中,即允许界面有一定的脱粘时,才会产生最优的断裂韧性,因此,自愈合混凝土的界面控制设计,对混凝土断裂韧性的改善是十分重要的.

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2.3 自愈合水泥砂浆修复前后的破坏过程特性
混凝土材料加荷时有声发射信号发生,如卸去荷载后第2次再加载,则在卸荷点以前不再有声发射信号,只有当荷载超过第1次加载的最大荷载(即卸荷点)后,才有声发射出现.这种现象称为声发射的不可逆效应,又称凯塞效应.图3给出了未修复的普通砂浆试件加荷到极限应力的50%然后卸载的声发射信号图以及对该试件第2次加荷至破坏的声发射信号图.从图中可看出,在第1次加荷时,从开始加载到卸载,试件的声发射事件累计数、振铃累计数迅速增加,表明有裂纹扩展,且有能量释放.而在第2次加荷开始时(即第1次卸荷点以前),几乎没有声发射信号产生,过了卸荷点后,声发射的事件数等参数才重新上升,即裂纹才开始扩展,这充分证明普通砂浆试件存在凯塞效应.
图4和图5分别为丙烯酸酯和聚氨酯修复后的声发射信号图,荷载导致基体产生微裂缝,并且致使修复纤维开裂,粘结液流出并渗入裂缝,使裂缝重新愈合.与图3比较可见,经修复后的水泥砂浆,其声发射事件累计数和振铃累计数从一开始便迅速增加,当荷载达到最大值时开始出现明显的声发射事件的峰值,并且没有产生凯塞效应,可以认为流入裂缝中的修复液已使混凝土中的裂缝得到了愈合,且效果显著.

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3 结论
1.将含有混凝土修复剂的空心玻璃纤维埋入混凝土结构中,形成混凝土自愈合系统,可使修复后的混凝土强度略有升高,达到自愈合效果.
2.不同的修复剂对混凝土的愈合效果不同,其中丙烯酸酯较佳,聚氨酯次之.
3.愈合后的混凝土断裂韧性明显提高.
4.控制自愈合混凝土断裂界面是愈合后混凝土强度恢复和韧性改善的关键.