內(nèi)置玻璃膠囊自修復(fù)混凝土力學(xué)性能試驗研究

摘要：將自密實混凝土技術(shù)應(yīng)用于自修復(fù)混凝土中，并采用正交試驗方法，分析玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和體積摻量對自密實混凝土力學(xué)性能的影響，比較各因素對其強度影響的大小關(guān)系，揭示了玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量對自密實混凝土強度的影響規(guī)律，選取了幾何參數(shù)和摻量最佳組合的玻璃膠囊。關(guān)鍵詞：玻璃膠囊；自密實；自修復(fù)混凝土；力學(xué)性能1 引言仿生自修復(fù)混凝土材料屬于智能材料范疇，它是在混凝土基體中摻入修復(fù)膠囊，膠囊內(nèi)含有可流動的物質(zhì)——修復(fù)膠粘劑，形成智能型自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在外界荷載作用下，一旦混凝土基體開裂，部分膠囊破裂，膠粘劑流出并滲入裂縫處凝結(jié)，從而實現(xiàn)混凝土裂縫的自愈合。自修復(fù)混凝土作為智能結(jié)構(gòu)的重要組成部分，可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決或不能解決的技術(shù)關(guān)鍵，對確保高層建筑、橋梁、核電站等重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全和長期的耐久性，以及減輕臺風(fēng)、地震沖擊等諸多破壞因素方面有很大的應(yīng)用潛力。研究和開發(fā)仿生自修復(fù)混凝土，使其能夠主動、自動地對損傷部位進行修復(fù)、恢復(fù)并提高混凝土材料的性能巳成為混凝土技術(shù)的發(fā)展趨勢。然而。在內(nèi)置玻璃膠囊自修復(fù)混凝土的施工中，若對混凝土進行振搗，將使玻璃膠囊受擾動而浮出混凝土表面，甚至導(dǎo)致玻璃膠囊破碎，其修復(fù)劑過早流失，達不到修復(fù)混凝土的目的。自密實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，具有均勻自密實成型性能，同時硬化后具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能。近年來，在自密實高性能混凝土的配合比優(yōu)化及結(jié)構(gòu)的安全性能方面進行了系列的研究。因此，采用自密實混凝土作為自修復(fù)混凝土的基材，較好地解決了自修復(fù)混凝土構(gòu)件制作的技術(shù)難題。玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量的選擇對混凝土的修復(fù)效果起著非常重要的作用。一方面玻璃膠囊若選擇不當(dāng)，將起不到修復(fù)混凝土的效果；另一方面，在混凝土中內(nèi)置玻璃膠囊不當(dāng)，將影響混凝土的力學(xué)性能。為了保證自密實混凝土的力學(xué)性能不致受到大的影響，有必要對玻璃膠囊和混凝土基材的性能匹配進行研究，以選出體積摻量和幾何參數(shù)最佳組合的玻璃膠囊。2 試驗研究
2。1 試驗設(shè)計由于影響內(nèi)置空心玻璃膠囊混凝土力學(xué)性能的因素很多，包括膠囊的體積摻量、膠囊長度和膠囊管徑，本文主要研究空心玻璃膠囊和混凝土基材的性能匹配，因此選擇6個摻量，3種長度以及3種管徑的玻璃膠囊進行試驗。為了系統(tǒng)考察玻璃膠囊體積摻量、長度以及管徑對自密實混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用正交試驗設(shè)計方法，選用 L18正交表。 2。2 試驗原材料及混凝土配合比 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，細度模數(shù)2.23，表觀密度為2 650 kg／m3；福建閩侯花崗巖碎石，5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度為2 665 kg／m3；福建閩江清潔飲用水；福建漳州后石電廠的I級粉煤灰；以FDN萘系高效減水劑為主的復(fù)合外加劑。玻璃膠囊則采用上海某公司生產(chǎn)的特種非標(biāo)規(guī)玻璃管，為鈣鈉硅酸鹽的玻璃材質(zhì)，自密實混凝土的配合比及工作性見表2。 2。3 試件制作在混凝土中摻入玻璃膠囊，如果直接將膠囊與拌合物一起放在攪拌機里攪拌，將導(dǎo)致膠囊破裂，若對混凝土進行振搗，不但會導(dǎo)致內(nèi)置于混凝土中的玻璃膠囊因為受擾動而浮出混凝土的表面，而且還容易導(dǎo)致它們破碎。因此試件制作采用自密實混凝土，用手工播撒的方式分層均勻地將空心玻璃膠囊放入試?；炷林?。由于玻璃膠囊的價格較高，對于考慮多因素多水平的正交試驗，試件個數(shù)多，需要大量的玻璃膠囊，因此試驗選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊以及100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊進行試驗。試驗根據(jù)GB／T50081—2002之內(nèi)，可見交互作用對劈拉強度影響不大，這一點與抗壓強度不同。從各水平對應(yīng)的劈拉強度平均值來看，摻入長度為25mm的膠囊對劈拉強度的削弱最小，削弱百分?jǐn)?shù)為5%。最大削弱百分?jǐn)?shù)為11.2% 。摻入管徑為6 mm的膠囊對劈拉強度的削弱最小，削弱百分?jǐn)?shù)為6.1%，最大削弱百分?jǐn)?shù)為11.3%。對于彈性模量而言，膠囊管徑的影響作用最大，然后依次是膠囊長度和管徑交互作用，膠囊摻量以及摻量和管徑的交互作用，其它在誤差之內(nèi)可忽略不計。從得出的平均值可以看出彈性模量隨著管徑的增加而降低，即管徑為4 llLrn對其削弱程度最小，削弱百分?jǐn)?shù)為1%，最大削弱百分?jǐn)?shù)為4.5%。由方差分析結(jié)果得出的誤差值，與直觀分析的空列對應(yīng)的誤差值接近，因此分析結(jié)果是可信的。將數(shù)理統(tǒng)計方法運用于自修復(fù)混凝土中玻璃膠囊和自密實混凝土的力學(xué)性能匹配的研究，對自修復(fù)混凝土的研究及其應(yīng)用都具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。5 結(jié)語 1）將自密實混凝土技術(shù)應(yīng)用于自修復(fù)混凝土中，可以解決玻璃膠囊在施工振搗中上浮及易破碎的問題。 2）采用正交試驗分析方法研究玻璃膠囊體積摻量、長度和管徑對自修復(fù)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律及其影響的顯著性。研究結(jié)果表明，膠囊長度和管徑的交互作用對混凝土抗壓強度的影響最為顯著，膠囊體積摻量的增加使抗壓強度呈下降趨勢，但并非最主要影響因素，所取水平影響并不顯著，同時為了保證有足夠的修復(fù)劑，選取膠囊摻量在2.0%~ 4.0%較合適。玻璃膠囊長度對混凝土劈拉強度的影響最為顯著，摻入長度為25 mm的膠囊對混凝土劈拉強度的削弱最小。而玻璃膠囊管徑對混凝土彈性模量的影響最為顯著，管徑為4 mm的膠囊對彈性模量的削弱程度最小。 3）按照極差分析和方差分析結(jié)果，綜合考慮抗壓強度、劈拉強度和彈性模量3指標(biāo)，同時根據(jù)各因素交互作用的影響，得出玻璃膠囊與自密實混凝土力學(xué)性能相匹配的體積摻量及幾何參數(shù)，即膠囊摻量為2.5% 、長度為25 mm和管徑為6mm。 4）目前自修復(fù)混凝土還處于實驗室研究階段，與實際工程還有一定距離，但從長遠看，自修復(fù)混凝土具有優(yōu)越的智能性和安全性，有著廣闊的發(fā)展前景。