掺氧化铝小球钢纤维混凝土的自修复性能研究 - 滑模施工|筒仓滑模|滑模公司

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	掺氧化铝小球钢纤维混凝土的自修复性能研究

发布时间：2016.05.27 新闻来源： 浏览次数：

    1· 课题背景简介
    混凝土材料是当今世界上用途最广、用量最大的建筑材料之一，也是目前最大宗的人造材料。混凝土具有抗压强度高、耐久性好、成本低等优点，广泛应用于工业与民用建筑物。随着现代材料科学的不断进步，混凝土逐渐向高强、高性能、多功能和智能化方向发展[1]。由此可以预见，在未来相当长一段时间内，混凝土仍将是土木工程不可缺少的工程材料[2-4]。然而，混凝土在使用过程中会不可避免地产生裂缝，轻者造成结构性能衰减，重者导致严重的安全事故。传统的人工修复裂缝方法无法修复内部的损伤，更无法满足现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求[5]。
    自修复混凝土，亦称自愈合混凝土，是模仿动物骨骼受损伤后的再生、恢复机制，在混凝土传统组份中复合特殊组份（如携带修复剂的载体）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，从而被赋予自诊断、自修复功能的一种新型智能复合材料。自修复混凝土能够主动、自动地对损伤部位进行修复，恢复甚至提高混凝土材料的性能，这也是智能混凝土[6-7]的发展趋势。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种增强型复合材料。这些乱向分布的钢纤维能有效地阻止混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能[8-12]。
    本课题以钢纤维混凝土为基体，薄壁氧化铝空心球为贮胶载体，环氧树脂系胶粘剂为修复剂，研究修复小球的掺加量对混凝土自修复效果的影响，以提出自修复混凝土的最佳配合比。
    2· 实验
    2.1 原材料
    主要原料包括P·O 42.5水泥（陕西秦岭水泥有限公司）；砂子（渭河河砂，细度模数为2.85，表观体积质量为ρ 砂=2 650 kg/m3)；石子（粒径为5~20 mm，ρ碎石=2500kg/m3）。其他还有：NF-2萘系减水剂，薄壁氧化铝空心小球，E-51环氧树脂，650固化剂，钢纤维（直径22μm，长度10mm），环氧稀释剂D-678。
    2.2 实验过程
    2.2.1 修复小球的制备
    将氧化铝空心球置于密闭装置中，连接真空泵，保持密闭环境，连续抽真空2h，抽掉体系内空气。抽真空过程完成后，关上连接密闭装置和真空泵的压力阀，接着打开密闭装置和盛有环氧树脂容器之间的阀门，让环氧树脂在大气压作用下被吸入到氧化铝小球内。保持装置状态不变，静置24h后取出注满环氧树脂的氧化铝小球，用黏土对其进行表面密封。对制得的修复小球进行检测，结果见图1。

    2.2.2 钢纤维掺量的选择
    表1为基础混凝土的配合比，在其混凝土配合比中加入钢纤维，配制不同组别的混凝土。另外钢纤维的掺量（质量的百分比：钢纤维/水泥）分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%。按要求养护至相应龄期时进行抗折和抗压试验，据此确定出钢纤维混凝土中钢纤维的最佳掺杂量。
    2.2.3 自修复混凝土试验
    通过研究不同钢纤维掺量对混凝土性能的影响，确定出最佳的钢纤维掺量；以此最佳钢纤维掺量的钢纤维混凝土作为自修复混凝土的基体，进行自修复混凝土试验，其中氧化铝小球分别占水泥质量百分比为0，5%，7%，9%，12%，且将各组氧化铝小球等分为两份并通过真空吸附分别注入E-51环氧树脂和650固化剂，制成两类修复小球；自修复混凝土中这两类修复小球的数量比约为1∶1，由此搅拌并制备N1（对比样）、S1、S2、S3、S4五组试件。
    为了使内置树脂和固化剂的修复小球在混凝土内部均匀分散，试验采用人工布置的方式。具体过程：在混凝土试样成型的环节逐层浇筑，在每一层顶面手动放入两种类型的修复小球后，继续装入混凝土，依次重复。待放置完毕后，抹平顶面，将混凝土置于振动台轻微震动30s，注意时间不能过长，否则小球容易受到剧烈扰动而改变布局。振实完毕后将试样取下，放置于自然环境，24h后脱模，移至养护箱，养护28d后进行后续试验。测试各组试件的抗折强度，记录为修复前抗折强度。测试完毕后，将试件原样放回养护，3~4d后（使胶粘剂完全固化），再次对各组试件进行抗折强度测试，记录为修复后抗折强度。
    3· 结果与讨论
    3.1 钢纤维混凝土各项参数的确定
    表2 为不同钢纤维掺量（质量的百分比：钢纤维/水泥）分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%的混凝土，养护至相应龄期时的抗折和抗压试验数据，其中R 折和R 压的变化趋势曲线如图1和图2所示。

    从图1中可以看出，M1，M2，M3，M4，M5的7d抗折强度和28d抗折强度均比对比样M0组高；在图2中，M1，M2，M3，M4，M5组的7d抗压强度和28d抗压强度均高于M0组。结果表明金属纤维掺入混凝土中能改善混凝土的力学性能，提高混凝土的抗折强度和抗压强度，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度和抗压强度先增加，后趋于平缓。其中M3组试样的抗折强度和抗压强度均有最大幅度的提高，因此本实验条件下钢纤维混凝土中钢纤维的最佳掺量为1.5%
    3.2 自修复混凝土试验
    以表2中M3配比方案为自修复混凝土基础配比，然后进行不同氧化铝小球掺加量的自修复混凝土修复前后的抗折强度试验，结果见表3。从表3可以看出，当修复小球的掺量增大时，混凝土的抗折强度恢复率也相应提高。不考虑混凝土自身强度受影响的前提下，当修复小球掺量大于或等于9%（质量的百分比：修复小球/水泥）时，修复效果相当显著，超过了50% ；当掺量为12% 时，恢复率高达78.67%。但是通过前期的工作发现，混凝土基体自身强度对小球掺量比较敏感，为了使自修复混凝土保持正常的工作性能，必须考虑其各掺量情况下的强度损失率，计算结果见表3。

     从表3可知，修复小球掺量增加时，混凝土的抗折强度损失率随之增大。即小球掺量增大的过程，伴随了基体自身性能的减弱。根据抗折强度的损失率可判断，小球掺量数值在较小范围时，对自修复混凝土的强度影响不大；然而，小球掺量超过9%后，其对自修复混凝土基体自身强度的削弱作用明显加强，可以预测，若继续增大小球掺量将无法保证自修复混凝土的正常工作性能。本试验条件下自修复混凝土中修复小球的最佳掺量为水泥质量的9%。
    4· 结论
    （1）在混凝土中掺入适量钢纤维可以改善混凝土的力学性能，提高其抗折强度和抗压强度。分别以0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的掺量进行混凝土力学性能实验发现，当钢纤维掺量占水泥质量的1.5%时，混凝土性能增强效果最好，故钢纤维的最佳掺量为1.5%。
    （2）在混凝土自修复试验中，预埋入掺量为5%，7%，9%，12%的修复小球，成型后养护至280d后对混凝土试件进行抗折试验，记录其修复前抗折强度；后放回原处继续养护，3~40d后再次测其抗折强度。试验结果表明：抗折强度恢复率随修复小球掺量增加而上升，但同时混凝土自身强度会因为修复小球掺量的增加而削弱。因此，修复小球的最佳掺量是占水泥质量的9%。