自修复智能混凝土简支梁试验研究

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作为建筑结构最主要的材料之一，混凝土经历着由普通混凝土向高强与高性能混凝土的发展，目前又朝着多功能和智能化方向发展^[1]。混凝土材料特别是高强与高性能混凝土，其固有缺陷是脆性大，容易开裂。混凝土的裂缝严重影响结构的耐久性，在一定条件下导致结构严重破坏，造成巨大的经济损失。过去，对混凝土材料的修复主要是事后维修，随着现代社会向智能化发展，这种被动的修补、加固已经不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料的要求。研究和开发自修复智能混凝土，使其能主动、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，成为一个非常令人关注和急需研究的问题^[2]。

    智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。自九十年代中期，国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些有价值的研究成果。如同济大学研究了碳纤维水泥基材料特性等，哈尔滨工业大学研究了光纤传感智能混凝土，国外还对水泥基磁性复合材料、自动调节温度与湿度的水泥基复合材料等进行了研究。但是，有关自修复混凝土的研究还很少，如何快速、适时地愈合混凝土材料的内部损伤，以及对自修复混凝土机理的研究，目前只有美国、日本等少数国家进行研究，且处于实验室探索阶段 ^[3]~[8]。     自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。其具有自修复行为混凝土的智能模型为：在混凝土基体中掺入内含修复胶粘剂的修复纤维管，从而形成了智能型仿生自修复神经网络系统。在外界作用下，混凝土基体一旦开裂，管内装的修复剂流出渗入裂缝，由化学作用修复剂固结，从而抑制开裂，修复裂缝^[3]。     本文采用免振自密实混凝土作为智能混凝土的基材，对内置空心玻璃纤维封入裂缝修补剂的钢筋混凝土简支梁的自修复效果进行了试验研究，使其具有裂缝自我修复功能，并能恢复甚至提高混凝土材料的性能。     1、内置空心玻璃纤维的自修复免振捣混凝土     内置修复空心玻璃纤维的裂缝自修复混凝土，是模仿生物伤口“破裂—流血—凝结—愈合”的过程，把生物材料的这种自愈合能力应用在混凝土中。即在混凝土构件受拉区分层布置一些注有高分子修复用胶粘剂的空心玻璃管，当混凝土构件受拉开裂时，这些玻璃管也随之破裂，其中的修复胶粘剂迅速流到裂缝处并随着时间而固化、硬结,从而实现混凝土裂缝的自修复。     由于自修复混凝土是在内部掺入了装载有修复胶粘剂的玻璃纤维，若对混凝土进行振捣, 不但会导致内置于混凝土中的空心玻璃纤维因为受扰动而浮出混凝土的表面，而且还容易导致它们破碎。当玻璃纤维浮出表面，就造成原本应置于受拉区以作为修补裂缝用的纤维管跑位，达不到修复的目的；而内置玻璃纤维的过早破坏更是造成了胶粘剂的流失。免振捣自密实混凝土是在没有振捣的情况下仅靠自重就能穿越密集钢筋、在复杂模板中填充成型并且不产生离析，具有均匀自密实成型性能，同时硬化后具有优良的力学性能和耐久性能。因此采用免振捣自密实混凝土作为基材，从根本上解决了自修复混凝土构件制作的技术难题。     2、试验研究     2.1 试验目的     为了研究修复胶粘剂对免振捣自密实混凝土构件的修复效果，本文共设计了30根简支梁（尺寸、配筋都相同，浇筑强度等级相同的自密实混凝土）进行三分点简支梁静力纯弯试验。观察裂缝开展情况和破坏形态，并分析比较在存放胶粘剂的玻璃管数量不同时，以及不同的胶粘剂品种下，简支梁修复前后的承载力变化。     2.2 自密实混凝土配合比及力学性能     试验采用福建水泥股份有限公司生产的建福牌32.5R普通硅酸盐水泥；福州闽江中砂，细度模数2.23，表观密度为2650kg/m³；福建闽侯碎石，5～20mm连续级配，表观密度为2665Kg/m³；福州闽江清洁饮用水；漳州后石电厂的Ⅰ级粉煤灰；以FDN萘系高效减水剂为主的复合外加剂。自密实混凝土的胶凝材料总量为500 kg/m³，砂率45％，水胶比 0.36。28d立方体抗压强度50.23MPa，轴心抗压强度37.90 MPa，劈拉强度3.44 MPa，弹性模量3.51×10⁴MPa。     2.3 自修复混凝土胶粘剂的选用     为了保证在裂缝初开裂时，内置玻璃纤维的胶粘剂能够迅速流到裂缝处修复混凝土裂缝，要求修复胶粘剂可实现的填充缝隙要尽可能小，所以要求胶粘剂的粘度较小，具有较好的流动性；固化条件简单，有较高的粘接强度，化学性质稳定等。考虑这几方面的要求，本文选用 －氰基丙烯酸酯胶粘剂、氯丁橡胶胶粘剂以及聚氨酯胶粘剂作为自修复混凝土用的修复胶粘剂。     自修复混凝土构件制作时，为了防止注入玻璃管的胶粘剂出现溢漏现象和管内的胶水固化，不让多余的空气进入玻璃管中，必须做好玻璃管端口的密封措施。     2.4自修复自密实混凝土简支梁的制作     自修复自密实混凝土简支梁的浇注方法不同于普通自密实混凝土构件的制作，因为它内置了空心玻璃管作为自修复的管道，在修复空心玻璃管内分别注入 -氰基丙烯酸酯胶粘剂、氯丁橡胶胶粘剂和聚氨酯胶粘剂，因此也就牵涉到了修复空心玻璃管的位置如何正确定位于混凝土简支梁中的技术问题。试件采用木模成型，平放浇筑，室外养护。     自修复自密实混凝土简支梁的浇注过程如下：     1）在模板制作好后，用白色笔在模板内侧两边各画三条线，作为混凝土梁中玻璃管的定位线，而和第一层玻璃管相同截面高度处的钢筋则搁置在与保护层厚度相同的垫块上。     2）将拌好的自密实混凝土铲入简支梁模板中，由于自密实混凝土可以在无扰动下实现自流平，因此当自密实混凝土在模板中的高度到达白线记号时，将注好胶粘剂的玻璃管放入混凝土中，接着再铲入混凝土，用同样的方法令第二、三层玻璃管在混凝土简支梁截面中的高度与第二条、第三条白线对齐，这样就可保证各层玻璃管在梁截面中定位的准确。自密实混凝土填满整个梁模板后，再小心抬至平整的场地，避免扰动。     2.5 测试内容和加载制度     根据试验目的，本次试验主要测试内容包括：①简支梁试件在修复前的开裂荷载；②简支梁试件在修复后的开裂荷载；③简支梁试件在修复前的破坏荷载；④简支梁试件在修复后的破坏荷载；⑤裂缝的分布情况；⑥第一条裂缝出现时候的荷载大小；⑦最大裂缝的宽度；⑧构件的破坏位置。 试验采用两点对称的三分点加载的方式，空心玻璃长管的数量、分布和钢筋的配置。     由于油压千斤顶在加载结束以后还有一个惯性力，在荷载较小时，这个惯性力相对于小荷载是很大的，这样就会造成荷载无法控制而超载的现象。因此本次试验的加载设备采用机械千斤顶，由人工使用杠杆来施压，便于控制力加载的速度和大小。     整个过程由人工对机械千斤顶加载，用连接于静态电阻应变仪的应变值推算压力。在裂缝开裂以前，每级加载值不宜大于屈服荷载的20％。裂缝开裂以后，每级荷载不宜大于屈服荷载值的10％。在接近预估开裂荷载时，为使实际开裂荷载较为准确，应减小加载幅度，裂缝出现后恢复至原来一级的荷载值加载。在试件裂缝出现后，每一级加载后都停留15～20min左右，以便裂缝发展稳定下来，然后用水笔在梁上画出裂缝的分布，并用读数显微镜观测裂缝的宽度。     当加载到接近开裂荷载时，在加载后待挠度发展的时间间隙，可以陆续听到简支梁试件侧面和底面所发出的脆响，这些声音一部分是混凝土的开裂，一部分是内部玻璃管的脆断，混凝土的开裂声较为清脆，而玻璃管由于埋置于混凝土中，其破裂的声音较沉闷。     当所加荷载接近破坏荷载时，随着主裂缝的延伸和加宽，将会有胶粘剂从裂缝处流出，填充和修复裂缝，持荷一定时间后，把简支梁试件从架上撤下来，等待对构件进行修复后的再次加载。     当整批构件第一次加载的试验全部完成后，放置5～6d，令 -氰基丙烯酸酯胶粘剂、氯丁橡胶胶粘剂和聚氨酯胶粘剂完全固化，达到最大强度，再对构件进行第二次加载。在第二次加载过程中，必须注意第一次加载有胶粘剂流出的裂缝是否再次开裂；第一次加载的没有胶粘剂流出的裂缝是否在第二次加载时流出胶粘剂；第二次加载时是否出现新的裂缝及是否有胶粘剂流出。     2.6 试验结果及分析     内置 -氰基丙烯酸酯胶粘剂简支梁构件修复前后的承载力见表1。 表1 内置 -氰基丙烯酸酯胶粘剂简支梁修复前后的承载力 Table1. Comparisons of the strength of beams with α-cyanoacrylate adhesive before and after repairing 玻璃管几何参数 试件编号 管道数 第一次加载最大荷载(kN) 修复后最大荷载(kN) 承载力恢复率(%) 承载力恢复率平均值(%) 几何参数 胶粘剂 壁 厚0.6mm   管   径 8mm -氰基丙烯酸 酯 502-2-1 2 435 429 98.62 99.01 502-2-2 435 433 99.54 502-2-3 430 425 98.84 502-5-1 5 425 421 99.06 99.15 502-5-2 435 433 99.54 502-5-3 425 420 98.82 502-7-1 7 415 379 91.33 91.55 502-7-2 425 381 89.65 502-7-3 425 398 93.65 无玻璃管 NB-1 0 450       NB-2 425 NB-3 475 注：表中最大荷载指的是荷载加不上去，开始往回退时压力传感器的压力值。       从表1中的数值可以看出，使用较少管道数时，简支梁试件的承载力恢复得较多，这是因为对于 -氰基丙烯酸酯胶粘剂，要达到比较好的粘接质量，其胶层应均匀，而且其胶层也不应太厚，胶粘剂太多其粘接效果反而不好。如内置玻璃纤维七管道对梁受拉区截面还是有一定削弱的，而且其出胶量太多反而会影响胶粘剂的修复效果，反而不如双管道或者五管道的。     第一次加载中， -氰基丙烯酸酯胶粘剂流出试件底面，可以看出，在简支梁试件底面有裂缝出现的地方，都有胶粘剂渗出。5d后，进行第二次的加载试验，使用 -氰基丙烯酸酯胶粘剂作为修复胶粘剂的构件都没有出现新的裂缝，而且原有的已经修复的裂缝基本上都在第二次加载时再次开裂。     氯丁橡胶胶粘剂简支梁构件修复前后的承载力见表2。从表中的数值可以看出，采用氯丁橡胶胶粘剂，其修复后的承载力都有不同程度的上升。在试验的过程中，当主裂缝流出胶粘剂后，立即停止加载，并持荷20min，也不见其它裂缝有胶流出，可见经过稀释的氯丁橡胶的流出对裂缝的宽度还是有严格要求的，只有当裂缝发展到一定的宽度时，胶粘剂才会流出。     在第二次的加载中，部分构件在底面有新的裂缝出现，新裂缝的出现是一个可喜的现象，说明了底部裂缝得到了有效的修复，九根试件中,五管道的构件其原有主裂缝都得到修复,其他裂缝有新的胶粘剂流出，说明内置五管道的构件其修复能力较好。   表2 内置氯丁橡胶胶粘剂简支梁修复前后的承载力 Table 2 Comparisons of the strength of beams with neoprene adhesive before and after repairing 玻璃管几何参数 试件编号 管道数 第一次加载最大荷载(kN) 修复后最荷载(kN) 承载力恢复率(%) 承载力恢复率平均值(%) 几何参数 胶粘剂 壁 厚0.6mm   管   径 8mm 氯 丁 橡 胶 LD2-1   2 400 447.5 111.88 104.81 LD2-2 425 450 105.88 LD2-3 450 435 96.67 LD5-1   5 400 437 109.25 108.07 LD5-2 435 449 103.22 LD5-3 400 447 111.75 LD7-1   7 400 415 103.75 99.16 LD7-2 425 423 99.53 LD7-3 430 405 94.19 无玻璃管 NB-1 0 450       NB-2 425 NB-3 475 注：表中最大荷载指的是荷载加不上去，开始往回退时压力传感器的压力值。     聚氨酯胶粘剂简支梁构件修复前后的承载力见表3，从表中的数值可以看出，采用聚氨酯粘剂作为自修复混凝土构件的胶结材料，其修复后的承载力随着修复管道的增多而增大，配制七根管道的时候，修复后的承载力恢复率最高，达106.42％，这说明使用聚氨酯胶粘剂作为修复胶粘剂时，要使构件得到较好的修复，必须保证其胶粘剂量的足够。