热熔胶水泥基材料裂缝自修复性能、机理与耐久性寿命预测

摘要

为了提高混凝土材料在环境与荷载耦合作用下的抗裂与裂缝自修复性能，本文根据荷载作用下水泥基材料开裂损伤机理，提出了采用具有裂缝修复功能的热熔胶与实现裂缝控制作用的形状记忆合金(SMA)等两种智能组分材料相复合的技术路线，制备了一种新型的裂缝自修复智能混凝土，并通过试验研究和理论分析，开展了基于热熔胶与形状记忆合金复合的混凝土制备技术及其裂缝自修复性能研究，主要研究内容及研究结果有：
　　(1)热熔胶的优选与其应用于水泥基材料裂缝自修复的可行性研究
　　优选了一种乙酸-醋酸乙烯热熔胶(EVA)及一种聚酰胺热熔胶(PA)作为修复剂，并对热熔胶与水泥基材料之间的粘结强度及其热稳定性(粘度、粘结强度与化学稳定性)等物理力学性能进行了测试分析。结果表明，常温下EVA、PA与水泥砂浆界面的粘结力为4.2MPa与4.7MPa，明显高于普通砂浆、水泥净浆和聚合物砂浆等普通的修复材料；经历3次高温热循环后，热熔胶与水泥基材料之间的粘结强度降幅不超过5％、熔融粘度远小于200Pa.s，且热熔胶内没有新基团的生成与改变，无明显的氧化反应发生。因此，热循环条件下，热熔胶与水泥基材料之间的粘结强度和其流动性没有明显的改变，热熔胶具有很好的热稳定性。
　　(2)热熔胶水泥基材料基本性能的研究
　　研究了热熔胶的掺量、颗粒尺寸及其类型对水泥基材料工作性能、物理力学性能(抗压强度、抗折强度、抗拉强度及韧性)和耐久性的影响，探讨了高温热循环对热熔胶水泥基材料宏观力学性能和耐久性的影响。结果表明，热熔胶对砂浆工作性能具有一定的提升作用，且随热熔胶掺量的增加和热熔胶粒径的增大而增大，但热熔胶的掺入导致水泥基材料的抗压强度、抗拉强度与耐久性能降低，其降低的幅度随热熔胶掺量的增加而增大，随粒径的减小而减小；在一定的掺量(Vf<5％)下，热熔胶的掺入却能提高水泥基材料的抗折强度，其提高的幅度随热熔胶掺量的增加而增加，随粒径的增大而减小，如热熔胶掺量3％的试件比未掺试件的抗折强度增加了15％。经历热循环后的热熔胶水泥基材料的力学性能和耐久性能得到了大幅度的提升，3次热循环后，热熔胶掺量5％试件的韧性提高了大约5倍，其韧性的提高十分明显。
　　(3)热熔胶水泥基材料裂缝自修复性能的研究
　　通过对标养的热熔胶胶砂试件分别施加其极限强度30％、50％和70％的荷载，制备了一批预损伤程度不同的试件，并对这些预损伤试件修复前后的宏观力学性能和耐久性进行了对比分析，以评估热熔胶水泥基材料的修复效果。同时探讨了热熔胶水泥基材料单次与多次反复修复损伤的性能，以及热熔胶掺量、粒径与SMA的驱动作用对修复效果的影响。结果表明，经历一次损伤－修复循环试件的性能均超过无预损伤的标养试件，表明热熔胶水泥基材料具有较好的单次裂缝修复性能，且预损伤程度相同的试件，热熔胶水泥基材料的裂缝单次修复性能随热熔胶掺量的增加、粒径的减小而提高。热熔胶掺量也是影响热熔胶水泥基材料多次修复裂缝性能的重要参数，经过三次损伤－修复循环后，热熔胶掺量3％和5％试件的性能均恢复或超过原有水平；而热熔胶掺量1％的试件，仅预损伤程度30％的试件性能基本恢复到原有水平。SMA驱动力对热熔胶水泥基掺量单次与多次反复修复裂缝的性能均有提升作用，该提升作用随热熔胶掺量的增加而增加，随热熔胶粒径的减小而增大。
　　(4)热熔胶水泥基材料裂缝自修复性能的微观定量表征
　　采用ESEM对所制备的预损伤热熔胶胶砂试件在修复前后的内部裂纹进行观察，并通过软件image－proplus对所获得的ESEM图像进行处理，提取了试件内部二维截面上裂纹的几何参数，如裂纹的密度(长度密度、面积密度、周长密度)以及取向性等几何信息，通过运用体视学理论，获得了裂纹在三维空间中的密度(表面积密度、体积密度)和分布(空间间距、空间取向程度)，并对试件在修复前后的裂纹几何参数进行对比分析。结果表明，随热熔胶掺量的增加和预损伤程度的加大，裂缝密度逐步增大，而裂缝间距逐步减小。与修复前相比，修复后预损伤试件的裂缝密度大幅度减小，而裂缝间距大幅增大；预损伤程度相同的试件，修复后裂缝密度的降幅随热熔胶掺量的增加而增加，裂缝间距的增幅随热熔胶掺量的增大而增大。热熔胶的掺量对裂缝的取向性影响不大，而裂缝的取向性随预损伤程度的增加而增强。二维平面上的裂缝，修复前后取向性变化较小，而三维信息则表明修复后裂缝的空间取向程度有所减小。
　　(5)SMA驱动下热熔胶水泥基材料裂缝修复机理的研究
　　通过SMA驱动实验、ESEM、XRD和红外光谱等宏微观实验测试手段研究了常温马氏体状态、具有一定预拉应变的SMA对水泥基材料的驱动效应、热熔胶-水泥基材料间的界面效应，获得了SMA驱动下热熔胶水泥基材料具有较优异裂缝修复性能的机理。SMA驱动力试验结果表明，SMA驱动力作用下，水泥基材料的裂缝闭合良好，各种修复材料与水泥基材料之间的粘结性能明显改善，水泥基材料的损伤程度明显降低。通过ESEM图像的分析可知，热熔胶不仅修复了水泥基基体中的损伤，也改善了热熔胶与水泥基材料间的界面，修复后热熔胶与水泥基材料之间未发现明显的界面过渡区，而且SMA的驱动作用驱使热熔胶更易渗入基体材料中微小裂纹、孔隙等缺陷中，提高热熔胶对水泥基材料损伤的修复效率。XRD与红外光谱实验结果表明，试件内部的热熔胶在修复裂缝前后与水泥基材料之间均没有明显的化学反应，不存在化学结合，因此热熔胶修复界面是物理粘结与机械咬合。
　　(6)热熔胶水泥基材料抗硫酸盐侵蚀的耐久性与寿命预测
　　将所制备的热熔胶水泥基材料试件浸泡在不同浓度的Na2SO4溶液中，研究了试件在修复前后的抗硫酸盐侵蚀性能(质量变化、抗压强度、抗折强度)的变化规律，并通过实测数据分析，给出了考虑SO42-浓度、预损伤程度和热熔胶掺量等参数变化的热熔胶水泥基材料抗折强度-龄期之间的关系，建立了热熔胶水泥基材料抗硫酸盐侵蚀耐久性寿命预测数学模型。研究结果表明，与未损伤的标养试件相比，修复后的热熔胶水泥基材料试件各项耐久性指标的变化幅度较小，热溶胶提高了修复后的预损伤试件密实性，减轻了硫酸盐随试件侵蚀程度，降低了试件性能变动的几率。经所建立的热熔胶水泥基材料抗硫酸盐侵蚀耐久寿命预测模型计算，修复后的预损伤试件寿命均超过200年，比未损伤的试件具有更长的耐久性寿命。