[發(fā)明專利]一種裂縫自愈合的SMA-ECC水泥基復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910267138.0
• 申請(qǐng)日: 2019-04-03
• 公開（公告）號(hào): CN109836102B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳偉宏;林儀旺;王晨陽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B28/04
• 分類號(hào): C04B28/04;B28C5/40
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

本發(fā)明涉及一種裂縫自愈合的SMA?ECC水泥基復(fù)合材料及其制備方法，包括水、細(xì)砂、膠凝材料、減水劑、SMA纖維和輔助纖維，其中水與膠凝材料的質(zhì)量比為0.2～0.4；砂與膠凝材料的質(zhì)量比為0.3～0.4；減水劑與膠凝材料的質(zhì)量比為0.002～0.005；SMA纖維和輔助纖維占SMA?ECC水泥基復(fù)合材料的體積比為1%～3%。該水泥基復(fù)合材料SMA與ECC之間變形相協(xié)調(diào)，具有高延性，產(chǎn)生分布式微裂紋，且裂縫產(chǎn)生因素消失后，裂紋可以有效的自愈合。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種裂縫自愈合的SMA-ECC水泥基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

混凝土是世界上最重要、使用最廣泛的一種建筑材料，混凝土涉及土木工程的各個(gè)領(lǐng)域，包括公路、橋梁、建筑等等。但是，混凝土的極限拉應(yīng)變只有0.01%，存在脆性大，抗拉強(qiáng)度低、易開裂且裂縫寬度難以控制等固有缺陷。

根據(jù)調(diào)查顯示，在道路領(lǐng)域中，特別是軟土地帶，由于路基的不均勻沉降和超載車輛行駛，路面容易出現(xiàn)大量裂縫。一旦出現(xiàn)裂縫，無法及時(shí)愈合，路面將會(huì)受到更嚴(yán)重的破壞，甚至導(dǎo)致意外事故的發(fā)生，據(jù)日本公路公司報(bào)道，公路橋梁和隧道維護(hù)和維修的費(fèi)用達(dá)到100億美元。在橋梁領(lǐng)域中，由于橋面和橋墩的裂縫，開裂后無法及時(shí)愈合，在自然環(huán)境下受侵蝕嚴(yán)重，耐久性下降，所以美國橋梁的平均壽命只有42年，橋梁重建費(fèi)用估計(jì)在200億至2000億美元之間，年平均維修費(fèi)用估計(jì)為52億美元，其中橋墩水下作業(yè)困難，裂縫修復(fù)成本高。在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，維修和維護(hù)占英國建筑業(yè)的45%，而對(duì)荷蘭而言，大型土木工程年度預(yù)算的三分之一用于檢測(cè)和維護(hù)。尤其當(dāng)遭受地震之后，從現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震中抗震性能表現(xiàn)良好，結(jié)構(gòu)的主體震害一般較輕或者主體結(jié)構(gòu)基本完好，但是梁、柱、板和梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)大量裂縫，其中框架節(jié)點(diǎn)起著分配和傳遞內(nèi)力，保證結(jié)構(gòu)整體性的作用，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫，降低結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年汶川地震中90%的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的裂縫，玉樹地震中需要及時(shí)加固修復(fù)的節(jié)點(diǎn)裂縫達(dá)到77%。

鑒于工程中的這些裂縫問題，科研學(xué)者們提出自愈合混凝土的思想，試圖通過材料自身的特性，裂縫自動(dòng)愈合，降低外界因素通過裂縫對(duì)工程的進(jìn)一步破壞，增加耐久性，同時(shí)避免多次維修的成本消耗。迄今為止，自愈合混凝土的研究大致上可以分為三個(gè)階段。第一階段，自愈合混凝土的初步探索，Abram教授發(fā)現(xiàn)經(jīng)過抗拉強(qiáng)度測(cè)試的混凝土試件，放置8年后裂紋可自愈合。隨后，日本東京大學(xué)研究員Ahn用礦物摻合料代替混凝土中的部分水泥，利用裂縫周圍未完全水化的水泥顆粒和碳酸鹽在裂縫處重結(jié)晶生成碳酸鈣晶體，從而填堵混凝土裂縫。我國儲(chǔ)洪強(qiáng)教授同樣也提出利用沉積物填堵混凝土裂縫的思想，不同的是他利用電化學(xué)原理，通過電沉積形成碳酸鈣晶體填堵裂縫，并且他發(fā)現(xiàn)修復(fù)效果主要取決于電解液中的陽離子。

以上技術(shù)雖然可以從某種意義上修復(fù)裂縫，但是無論是依靠礦物摻合料還是電化學(xué)沉積生成碳酸鈣晶體，都無法穩(wěn)定的修復(fù)裂縫，且耗時(shí)太長，在修復(fù)期間外界因素已經(jīng)對(duì)工程造成巨大破壞，并且在實(shí)際工程中通電修復(fù)與現(xiàn)實(shí)不符。所以，自愈合混凝土的研究進(jìn)入第二階段，即在自然愈合的基礎(chǔ)上使用內(nèi)置纖維和微生物兩種方法提高混凝土的自愈合能力。一方面，對(duì)于內(nèi)置纖維材料人們主要研究了工程水泥基復(fù)合材料ECC愈合裂縫的能力，Maalej教授提出工程水泥基復(fù)合材料(ECC)是一類具有極高拉伸應(yīng)變能力的新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，它的自控式多重微裂紋對(duì)自愈合提供了有利條件。緊接著浙江大學(xué)王海龍教授研究了在ECC中加入了偏高嶺土、礦渣和磷渣等礦物摻合料，在單軸直接拉伸應(yīng)變破壞后，干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)下，裂縫基本都愈合。而另一方面，部分研究人員通過生物化學(xué)技術(shù)添加微生物生成碳酸鈣沉淀，修復(fù)裂縫。如南京工業(yè)大學(xué)尹曉爽教授自培育斯氏假單胞菌，其對(duì)碳酸鈣結(jié)晶過程具有抑制作用，但可誘導(dǎo)亞穩(wěn)態(tài)球霰石和中孔方解石型碳酸鈣的生成，從而修復(fù)裂縫。東南大學(xué)錢春香教授利用菌株A和碳酸鹽礦化菌生長繁殖過程中產(chǎn)生的酶化作用生成CO₃^2-，適時(shí)引入Ca²⁺，形成碳酸鈣，通過改善了水泥石的滲透性，以修復(fù)裂縫。