内置玻璃胶囊自修复混凝土力学性能试验研究

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摘 要：将自密实混凝土技术应用于自修复混凝土中，并采用正交试验方法，分析玻璃胶囊几何参数和体积掺量对自密实混凝土力学性能的影响，比较各因素对其强度影响的大小关系，揭示了玻璃胶囊几何参数和掺量对自密实混凝土强度的影响规律，选取了几何参数和掺量最佳组合的玻璃胶囊。关键词：玻璃胶囊；自密实；自修复混凝土；力学性能1 引言 仿生自修复混凝土材料属于智能材料范畴，它是在混凝土基体中掺入修复胶囊，胶囊内含有可流动的物质——修复胶粘剂，形成智能型自愈合网络系统。在外界荷载作用下，一旦混凝土基体开裂，部分胶囊破裂，胶粘剂流出并渗入裂缝处凝结，从而实现混凝土裂缝的自愈合。自修复混凝土作为智能结构的重要组成部分，可以解决用传统方法难以解决或不能解决的技术关键，对确保高层建筑、桥梁、核电站等重大土木基础设施的安全和长期的耐久性，以及减轻台风、地震冲击等诸多破坏因素方面有很大的应用潜力。研究和开发仿生自修复混凝土，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巳成为混凝土技术的发展趋势。 然而。在内置玻璃胶囊自修复混凝土的施工中，若对混凝土进行振捣，将使玻璃胶囊受扰动而浮出混凝土表面，甚至导致玻璃胶囊破碎，其修复剂过早流失，达不到修复混凝土的目的。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。近年来，在自密实高性能混凝土的配合比优化及结构的安全性能方面进行了系列的研究。因此，采用自密实混凝土作为自修复混凝土的基材，较好地解决了自修复混凝土构件制作的技术难题。 玻璃胶囊几何参数和掺量的选择对混凝土的修复效果起着非常重要的作用。一方面玻璃胶囊若选择不当，将起不到修复混凝土的效果；另一方面，在混凝土中内置玻璃胶囊不当，将影响混凝土的力学性能。为了保证自密实混凝土的力学性能不致受到大的影响，有必要对玻璃胶囊和混凝土基材的性能匹配进行研究，以选出体积掺量和几何参数最佳组合的玻璃胶囊。2 试验研究
2。1 试验设计 由于影响内置空心玻璃胶囊混凝土力学性能的因素很多，包括胶囊的体积掺量、胶囊长度和胶囊管径，本文主要研究空心玻璃胶囊和混凝土基材的性能匹配，因此选择6个掺量，3种长度以及3种管径的玻璃胶囊进行试验。为了系统考察玻璃胶囊体积掺量、长度以及管径对自密实混凝土力学性能的影响规律，采用正交试验设计方法，选用 L18正交表 。 2。2 试验原材料及混凝土配合比 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2 650 kg／m3；福建闽侯花岗岩碎石，5～20 mm连续级配，表观密度为2 665 kg／m3；福建闽江清洁饮用水；福建漳州后石电厂的I级粉煤灰；以FDN萘系高效减水剂为主的复合外加剂。玻璃胶囊则采用上海某公司生产的特种非标规玻璃管，为钙钠硅酸盐的玻璃材质，自密实混凝土的配合比及工作性见表2。 2。3 试件制作 在混凝土中掺入玻璃胶囊，如果直接将胶囊与拌合物一起放在搅拌机里搅拌，将导致胶囊破裂，若对混凝土进行振捣，不但会导致内置于混凝土中的玻璃胶囊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。因此试件制作采用自密实混凝土，用手工播撒的方式分层均匀地将空心玻璃胶囊放入试模混凝土中。由于玻璃胶囊的价格较高，对于考虑多因素多水平的正交试验，试件个数多，需要大量的玻璃胶囊，因此试验选用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块以及100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块进行试验。试验根据GB／T50081—2002之内，可见交互作用对劈拉强度影响不大，这一点与抗压强度不同。从各水平对应的劈拉强度平均值来看，掺入长度为25mm的胶囊对劈拉强度的削弱最小，削弱百分数为5%。最大削弱百分数为11.2% 。掺入管径为6 mm的胶囊对劈拉强度的削弱最小，削弱百分数为6.1%，最大削弱百分数为11.3%。对于弹性模量而言，胶囊管径的影响作用最大，然后依次是胶囊长度和管径交互作用，胶囊掺量以及掺量和管径的交互作用，其它在误差之内可忽略不计。从得出的平均值可以看出 弹性模量随着管径的增加而降低，即管径为4 llLrn对其削弱程度最小，削弱百分数为1%，最大削弱百分数为4.5%。 由方差分析结果得出的误差值，与直观分析的空列对应的误差值接近，因此分析结果是可信的。将数理统计方法运用于自修复混凝土中玻璃胶囊和自密实混凝土的力学性能匹配的研究，对自修复混凝土的研究及其应用都具有现实的指导意义。5 结语 1）将自密实混凝土技术应用于自修复混凝土中，可以解决玻璃胶囊在施工振捣中上浮及易破碎的问题。 2）采用正交试验分析方法研究玻璃胶囊体积掺量、长度和管径对自修复混凝土力学性能的影响规律及其影响的显著性。研究结果表明，胶囊长度和管径的交互作用对混凝土抗压强度的影响最为显著，胶囊体积掺量的增加使抗压强度呈下降趋势，但并非最主要影响因素，所取水平影响并不显著，同时为了保证有足够的修复剂，选取胶囊掺量在2.0%~ 4.0%较合适。玻璃胶囊长度对混凝土劈拉强度的影响最为显著，掺入长度为25 mm的胶囊对混凝土劈拉强度的削弱最小。而玻璃胶囊管径对混凝土弹性模量的影响最为显著，管径为4 mm的胶囊对弹性模量的削弱程度最小。 3）按照极差分析和方差分析结果，综合考虑抗压强度、劈拉强度和弹性模量3指标，同时根据各因素交互作用的影响，得出玻璃胶囊与自密实混凝土力学性能相匹配的体积掺量及几何参数，即胶囊掺量为2.5% 、长度为25 mm和管径为6mm。 4）目前自修复混凝土还处于实验室研究阶段，与实际工程还有一定距离，但从长远看，自修复混凝土具有优越的智能性和安全性，有着广阔的发展前景。

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