[發明專利]一種自修復水泥基復合材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202110281940.2
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113185206A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 劉人太;張春雨;閆佳;陳孟軍;李修浩;劉衍凱;馬晨陽;田嘉偉;范奉帥
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C04B28/02
• 分類號: C04B28/02;C04B111/34
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發明公開了一種自修復水泥基復合材料及其制備方法與應用，按照質量份數計，包括水泥基體材料85～100份，自修復材料10～25份；所述自修復材料由自修復顆粒與營養底物組成，所述自修復顆粒為自修復材料質量的75～90％；所述水泥基體材料包括水泥、PVA纖維；所述自修復顆粒包括多孔載體，所述多孔載體負載礦化微生物，多孔載體表面由內向外依次為營養層和保護層；所述多孔載體為膨脹珍珠巖、陶粒、沸石，其中，膨脹珍珠巖為80～120目。本發明提供的材料不僅具有較高的受壓韌性，呈現出“裂而不碎”的效果，產生的細密裂縫在微生物礦化作用下可以實現自修復效果，提高材料耐久性；而且自修復效果更好，強度更高。

技術領域

本發明屬于土木工程材料與微生物學交叉技術領域，涉及一種自修復水泥基復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

我國建設了地鐵隧道、山嶺隧道、引水隧洞等眾多地下工程，濱海城市還有一批海隧道已經或即將投入運營。復雜多變的水文地質條件以及地下工程結構的差異性決定了隧道與地下工程服役期面臨多類型、高頻次的風險災害。由于運營隧道修建時間、設計標準和施工工藝水平不同，隧道襯砌結構的服役過程中，受溫濕度變化、塑性變形、干縮、外部荷載、鋼筋銹蝕、多因素耦合等因素的影響，加上己有隧道運營管理不到位，隧道襯砌普遍存在滲漏水、襯砌開裂、破損等現象，這降低了襯砌結構的承載能力和耐久性能，給隧道的運營帶來極大的安全隱患。

隧道襯砌結構破壞、施工縫張裂具有緩慢持續的特點，對隧道結構修復材料的性能提出了更高要求。隧道結構修復材料多為常規材料，目前的用于運營隧道結構修復的高分子材料在耐久性方面存在不足，而無機材料缺乏較好的韌性和適應隧道結構協調變形的能力。運營隧道結構修復后，修復材料面臨結構受力變形、海水滲流侵蝕等因素而導致再次破壞的風險，反復維修耗資巨大。針對隧道結構緩慢持續破壞特征，修復材料應具有一定的柔韌性以適應裂縫開合程度的變化，針對修復材料二次破壞的風險，修復材料應具有自我診斷、自我調節和自我修復功能，然而，發明人經過研究發現，目前的修復材料不能兼備以上功能。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供一種自修復水泥基復合材料及其制備方法與應用。該材料具有較高的受壓韌性，呈現出“裂而不碎”的效果，產生的細密裂縫在微生物礦化作用下可以實現自修復效果，提高材料耐久性。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，一種自修復水泥基復合材料，按照質量份數計，包括水泥基體材料85～100份，自修復材料10～25份；所述自修復材料由自修復顆粒與營養底物組成，所述自修復顆粒為自修復材料質量的75～90％；

所述水泥基體材料包括水泥、聚乙烯醇(PVA)纖維；

所述自修復顆粒包括多孔載體，所述多孔載體負載礦化微生物，多孔載體表面由內向外依次為營養層和保護層；所述多孔載體為膨脹珍珠巖、陶粒、沸石，其中，膨脹珍珠巖為80～120目。

本發明向水泥中添加纖維材料和負載礦化微生物的自修復顆粒，其中，纖維可以抑制局部脆性斷裂，使其呈現多裂縫開裂特征，從而降低裂縫開裂寬度，添加礦化微生物后，當基體材料產生裂縫后，環境中的空氣、水進入裂縫，激活基體中的礦化微生物，通過自身礦化反應生成碳酸鈣填充裂縫，以達到裂縫自修復的效果，通過添加纖維和礦化微生物，能夠賦予材料自我診斷、自我調節和自我修復功能。同時將礦化微生物負載至多孔載體中，通過營養層和保護層，能夠有效保證礦化微生物在水泥基體中的存活。

然而，經過進一步研究發現，雖然添加纖維材料和自修復顆粒能夠使復合材料同時具有自我診斷、自我調節和自我修復功能，但是形成復合材料與普通水泥相比，強度下降嚴重，且自修復速率和效率較低，自修復效果差。