自修復(fù)智能混凝土簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)研究

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作為建筑結(jié)構(gòu)最主要的材料之一，混凝土經(jīng)歷著由普通混凝土向高強(qiáng)與高性能混凝土的發(fā)展，目前又朝著多功能和智能化方向發(fā)展^[1]?；炷敛牧咸貏e是高強(qiáng)與高性能混凝土，其固有缺陷是脆性大，容易開裂。混凝土的裂縫嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性，在一定條件下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。過(guò)去，對(duì)混凝土材料的修復(fù)主要是事后維修，隨著現(xiàn)代社會(huì)向智能化發(fā)展，這種被動(dòng)的修補(bǔ)、加固已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土材料的要求。研究和開發(fā)自修復(fù)智能混凝土，使其能主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)損傷部位進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)并提高混凝土材料的性能，成為一個(gè)非常令人關(guān)注和急需研究的問題^[2]。

    智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。自九十年代中期，國(guó)內(nèi)外先后開展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些有價(jià)值的研究成果。如同濟(jì)大學(xué)研究了碳纖維水泥基材料特性等，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了光纖傳感智能混凝土，國(guó)外還對(duì)水泥基磁性復(fù)合材料、自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度與濕度的水泥基復(fù)合材料等進(jìn)行了研究。但是，有關(guān)自修復(fù)混凝土的研究還很少，如何快速、適時(shí)地愈合混凝土材料的內(nèi)部損傷，以及對(duì)自修復(fù)混凝土機(jī)理的研究，目前只有美國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家進(jìn)行研究，且處于實(shí)驗(yàn)室探索階段 ^[3]~[8]。     自修復(fù)智能混凝土是模仿動(dòng)物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，對(duì)材料損傷破壞具有自修復(fù)和再生的功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的一種新型復(fù)合材料。其具有自修復(fù)行為混凝土的智能模型為：在混凝土基體中摻入內(nèi)含修復(fù)膠粘劑的修復(fù)纖維管，從而形成了智能型仿生自修復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在外界作用下，混凝土基體一旦開裂，管內(nèi)裝的修復(fù)劑流出滲入裂縫，由化學(xué)作用修復(fù)劑固結(jié)，從而抑制開裂，修復(fù)裂縫^[3]。     本文采用免振自密實(shí)混凝土作為智能混凝土的基材，對(duì)內(nèi)置空心玻璃纖維封入裂縫修補(bǔ)劑的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的自修復(fù)效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，使其具有裂縫自我修復(fù)功能，并能恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。     1、內(nèi)置空心玻璃纖維的自修復(fù)免振搗混凝土     內(nèi)置修復(fù)空心玻璃纖維的裂縫自修復(fù)混凝土，是模仿生物傷口“破裂—流血—凝結(jié)—愈合”的過(guò)程，把生物材料的這種自愈合能力應(yīng)用在混凝土中。即在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)分層布置一些注有高分子修復(fù)用膠粘劑的空心玻璃管，當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉開裂時(shí)，這些玻璃管也隨之破裂，其中的修復(fù)膠粘劑迅速流到裂縫處并隨著時(shí)間而固化、硬結(jié),從而實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的自修復(fù)。     由于自修復(fù)混凝土是在內(nèi)部摻入了裝載有修復(fù)膠粘劑的玻璃纖維，若對(duì)混凝土進(jìn)行振搗, 不但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)置于混凝土中的空心玻璃纖維因?yàn)槭軘_動(dòng)而浮出混凝土的表面，而且還容易導(dǎo)致它們破碎。當(dāng)玻璃纖維浮出表面，就造成原本應(yīng)置于受拉區(qū)以作為修補(bǔ)裂縫用的纖維管跑位，達(dá)不到修復(fù)的目的；而內(nèi)置玻璃纖維的過(guò)早破壞更是造成了膠粘劑的流失。免振搗自密實(shí)混凝土是在沒有振搗的情況下僅靠自重就能穿越密集鋼筋、在復(fù)雜模板中填充成型并且不產(chǎn)生離析，具有均勻自密實(shí)成型性能，同時(shí)硬化后具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能。因此采用免振搗自密實(shí)混凝土作為基材，從根本上解決了自修復(fù)混凝土構(gòu)件制作的技術(shù)難題。     2、試驗(yàn)研究     2.1 試驗(yàn)?zāi)康?    為了研究修復(fù)膠粘劑對(duì)免振搗自密實(shí)混凝土構(gòu)件的修復(fù)效果，本文共設(shè)計(jì)了30根簡(jiǎn)支梁（尺寸、配筋都相同，澆筑強(qiáng)度等級(jí)相同的自密實(shí)混凝土）進(jìn)行三分點(diǎn)簡(jiǎn)支梁靜力純彎試驗(yàn)。觀察裂縫開展情況和破壞形態(tài)，并分析比較在存放膠粘劑的玻璃管數(shù)量不同時(shí)，以及不同的膠粘劑品種下，簡(jiǎn)支梁修復(fù)前后的承載力變化。     2.2 自密實(shí)混凝土配合比及力學(xué)性能     試驗(yàn)采用福建水泥股份有限公司生產(chǎn)的建福牌32.5R普通硅酸鹽水泥；福州閩江中砂，細(xì)度模數(shù)2.23，表觀密度為2650kg/m³；福建閩侯碎石，5～20mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2665Kg/m³；福州閩江清潔飲用水；漳州后石電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰；以FDN萘系高效減水劑為主的復(fù)合外加劑。自密實(shí)混凝土的膠凝材料總量為500 kg/m³，砂率45％，水膠比 0.36。28d立方體抗壓強(qiáng)度50.23MPa，軸心抗壓強(qiáng)度37.90 MPa，劈拉強(qiáng)度3.44 MPa，彈性模量3.51×10⁴MPa。     2.3 自修復(fù)混凝土膠粘劑的選用     為了保證在裂縫初開裂時(shí)，內(nèi)置玻璃纖維的膠粘劑能夠迅速流到裂縫處修復(fù)混凝土裂縫，要求修復(fù)膠粘劑可實(shí)現(xiàn)的填充縫隙要盡可能小，所以要求膠粘劑的粘度較小，具有較好的流動(dòng)性；固化條件簡(jiǎn)單，有較高的粘接強(qiáng)度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。考慮這幾方面的要求，本文選用 －氰基丙烯酸酯膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑以及聚氨酯膠粘劑作為自修復(fù)混凝土用的修復(fù)膠粘劑。     自修復(fù)混凝土構(gòu)件制作時(shí)，為了防止注入玻璃管的膠粘劑出現(xiàn)溢漏現(xiàn)象和管內(nèi)的膠水固化，不讓多余的空氣進(jìn)入玻璃管中，必須做好玻璃管端口的密封措施。     2.4自修復(fù)自密實(shí)混凝土簡(jiǎn)支梁的制作     自修復(fù)自密實(shí)混凝土簡(jiǎn)支梁的澆注方法不同于普通自密實(shí)混凝土構(gòu)件的制作，因?yàn)樗鼉?nèi)置了空心玻璃管作為自修復(fù)的管道，在修復(fù)空心玻璃管內(nèi)分別注入 -氰基丙烯酸酯膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑和聚氨酯膠粘劑，因此也就牽涉到了修復(fù)空心玻璃管的位置如何正確定位于混凝土簡(jiǎn)支梁中的技術(shù)問題。試件采用木模成型，平放澆筑，室外養(yǎng)護(hù)。     自修復(fù)自密實(shí)混凝土簡(jiǎn)支梁的澆注過(guò)程如下：     1）在模板制作好后，用白色筆在模板內(nèi)側(cè)兩邊各畫三條線，作為混凝土梁中玻璃管的定位線，而和第一層玻璃管相同截面高度處的鋼筋則擱置在與保護(hù)層厚度相同的墊塊上。     2）將拌好的自密實(shí)混凝土鏟入簡(jiǎn)支梁模板中，由于自密實(shí)混凝土可以在無(wú)擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)自流平，因此當(dāng)自密實(shí)混凝土在模板中的高度到達(dá)白線記號(hào)時(shí)，將注好膠粘劑的玻璃管放入混凝土中，接著再鏟入混凝土，用同樣的方法令第二、三層玻璃管在混凝土簡(jiǎn)支梁截面中的高度與第二條、第三條白線對(duì)齊，這樣就可保證各層玻璃管在梁截面中定位的準(zhǔn)確。自密實(shí)混凝土填滿整個(gè)梁模板后，再小心抬至平整的場(chǎng)地，避免擾動(dòng)。     2.5 測(cè)試內(nèi)容和加載制度     根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模敬卧囼?yàn)主要測(cè)試內(nèi)容包括：①簡(jiǎn)支梁試件在修復(fù)前的開裂荷載；②簡(jiǎn)支梁試件在修復(fù)后的開裂荷載；③簡(jiǎn)支梁試件在修復(fù)前的破壞荷載；④簡(jiǎn)支梁試件在修復(fù)后的破壞荷載；⑤裂縫的分布情況；⑥第一條裂縫出現(xiàn)時(shí)候的荷載大小；⑦最大裂縫的寬度；⑧構(gòu)件的破壞位置。 試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對(duì)稱的三分點(diǎn)加載的方式，空心玻璃長(zhǎng)管的數(shù)量、分布和鋼筋的配置。     由于油壓千斤頂在加載結(jié)束以后還有一個(gè)慣性力，在荷載較小時(shí)，這個(gè)慣性力相對(duì)于小荷載是很大的，這樣就會(huì)造成荷載無(wú)法控制而超載的現(xiàn)象。因此本次試驗(yàn)的加載設(shè)備采用機(jī)械千斤頂，由人工使用杠桿來(lái)施壓，便于控制力加載的速度和大小。     整個(gè)過(guò)程由人工對(duì)機(jī)械千斤頂加載，用連接于靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的應(yīng)變值推算壓力。在裂縫開裂以前，每級(jí)加載值不宜大于屈服荷載的20％。裂縫開裂以后，每級(jí)荷載不宜大于屈服荷載值的10％。在接近預(yù)估開裂荷載時(shí)，為使實(shí)際開裂荷載較為準(zhǔn)確，應(yīng)減小加載幅度，裂縫出現(xiàn)后恢復(fù)至原來(lái)一級(jí)的荷載值加載。在試件裂縫出現(xiàn)后，每一級(jí)加載后都停留15～20min左右，以便裂縫發(fā)展穩(wěn)定下來(lái)，然后用水筆在梁上畫出裂縫的分布，并用讀數(shù)顯微鏡觀測(cè)裂縫的寬度。     當(dāng)加載到接近開裂荷載時(shí)，在加載后待撓度發(fā)展的時(shí)間間隙，可以陸續(xù)聽到簡(jiǎn)支梁試件側(cè)面和底面所發(fā)出的脆響，這些聲音一部分是混凝土的開裂，一部分是內(nèi)部玻璃管的脆斷，混凝土的開裂聲較為清脆，而玻璃管由于埋置于混凝土中，其破裂的聲音較沉悶。     當(dāng)所加荷載接近破壞荷載時(shí)，隨著主裂縫的延伸和加寬，將會(huì)有膠粘劑從裂縫處流出，填充和修復(fù)裂縫，持荷一定時(shí)間后，把簡(jiǎn)支梁試件從架上撤下來(lái)，等待對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)后的再次加載。     當(dāng)整批構(gòu)件第一次加載的試驗(yàn)全部完成后，放置5～6d，令 -氰基丙烯酸酯膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑和聚氨酯膠粘劑完全固化，達(dá)到最大強(qiáng)度，再對(duì)構(gòu)件進(jìn)行第二次加載。在第二次加載過(guò)程中，必須注意第一次加載有膠粘劑流出的裂縫是否再次開裂；第一次加載的沒有膠粘劑流出的裂縫是否在第二次加載時(shí)流出膠粘劑；第二次加載時(shí)是否出現(xiàn)新的裂縫及是否有膠粘劑流出。     2.6 試驗(yàn)結(jié)果及分析     內(nèi)置 -氰基丙烯酸酯膠粘劑簡(jiǎn)支梁構(gòu)件修復(fù)前后的承載力見表1。 表1 內(nèi)置 -氰基丙烯酸酯膠粘劑簡(jiǎn)支梁修復(fù)前后的承載力 Table1. Comparisons of the strength of beams with α-cyanoacrylate adhesive before and after repairing 玻璃管幾何參數(shù) 試件編號(hào) 管道數(shù) 第一次加載最大荷載(kN) 修復(fù)后最大荷載(kN) 承載力恢復(fù)率(%) 承載力恢復(fù)率平均值(%) 幾何參數(shù) 膠粘劑 壁 厚0.6mm   管   徑 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 無(wú)玻璃管 NB-1 0 450       NB-2 425 NB-3 475 注：表中最大荷載指的是荷載加不上去，開始往回退時(shí)壓力傳感器的壓力值。       從表1中的數(shù)值可以看出，使用較少管道數(shù)時(shí)，簡(jiǎn)支梁試件的承載力恢復(fù)得較多，這是因?yàn)閷?duì)于 -氰基丙烯酸酯膠粘劑，要達(dá)到比較好的粘接質(zhì)量，其膠層應(yīng)均勻，而且其膠層也不應(yīng)太厚，膠粘劑太多其粘接效果反而不好。如內(nèi)置玻璃纖維七管道對(duì)梁受拉區(qū)截面還是有一定削弱的，而且其出膠量太多反而會(huì)影響膠粘劑的修復(fù)效果，反而不如雙管道或者五管道的。     第一次加載中， -氰基丙烯酸酯膠粘劑流出試件底面，可以看出，在簡(jiǎn)支梁試件底面有裂縫出現(xiàn)的地方，都有膠粘劑滲出。5d后，進(jìn)行第二次的加載試驗(yàn)，使用 -氰基丙烯酸酯膠粘劑作為修復(fù)膠粘劑的構(gòu)件都沒有出現(xiàn)新的裂縫，而且原有的已經(jīng)修復(fù)的裂縫基本上都在第二次加載時(shí)再次開裂。     氯丁橡膠膠粘劑簡(jiǎn)支梁構(gòu)件修復(fù)前后的承載力見表2。從表中的數(shù)值可以看出，采用氯丁橡膠膠粘劑，其修復(fù)后的承載力都有不同程度的上升。在試驗(yàn)的過(guò)程中，當(dāng)主裂縫流出膠粘劑后，立即停止加載，并持荷20min，也不見其它裂縫有膠流出，可見經(jīng)過(guò)稀釋的氯丁橡膠的流出對(duì)裂縫的寬度還是有嚴(yán)格要求的，只有當(dāng)裂縫發(fā)展到一定的寬度時(shí)，膠粘劑才會(huì)流出。     在第二次的加載中，部分構(gòu)件在底面有新的裂縫出現(xiàn)，新裂縫的出現(xiàn)是一個(gè)可喜的現(xiàn)象，說(shuō)明了底部裂縫得到了有效的修復(fù)，九根試件中,五管道的構(gòu)件其原有主裂縫都得到修復(fù),其他裂縫有新的膠粘劑流出，說(shuō)明內(nèi)置五管道的構(gòu)件其修復(fù)能力較好。   表2 內(nèi)置氯丁橡膠膠粘劑簡(jiǎn)支梁修復(fù)前后的承載力 Table 2 Comparisons of the strength of beams with neoprene adhesive before and after repairing 玻璃管幾何參數(shù) 試件編號(hào) 管道數(shù) 第一次加載最大荷載(kN) 修復(fù)后最荷載(kN) 承載力恢復(fù)率(%) 承載力恢復(fù)率平均值(%) 幾何參數(shù) 膠粘劑 壁 厚0.6mm   管   徑 8mm 氯 丁 橡 膠 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 無(wú)玻璃管 NB-1 0 450       NB-2 425 NB-3 475 注：表中最大荷載指的是荷載加不上去，開始往回退時(shí)壓力傳感器的壓力值。     聚氨酯膠粘劑簡(jiǎn)支梁構(gòu)件修復(fù)前后的承載力見表3，從表中的數(shù)值可以看出，采用聚氨酯粘劑作為自修復(fù)混凝土構(gòu)件的膠結(jié)材料，其修復(fù)后的承載力隨著修復(fù)管道的增多而增大，配制七根管道的時(shí)候，修復(fù)后的承載力恢復(fù)率最高，達(dá)106.42％，這說(shuō)明使用聚氨酯膠粘劑作為修復(fù)膠粘劑時(shí)，要使構(gòu)件得到較好的修復(fù)，必須保證其膠粘劑量的足夠。