一種混凝土裂縫自溶型自修復(fù)系統(tǒng)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于混凝土工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種混凝土裂縫自溶型自修復(fù)系統(tǒng)及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今土建工程中，混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境，其中，不乏使用條件苛刻的 環(huán)境，如地下結(jié)構(gòu)等，其自身在多因素長期作用下，性能會不斷劣化，一旦損壞不易或不可 更換，將會誘發(fā)地下工程災(zāi)害。而水泥基材料的裂縫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效的根本原。
[0003] 自溶型自修復(fù)系統(tǒng)的研究為混凝土基體微裂縫的修復(fù)及有效延緩潛在危害，提供 了一種新的解決方法。而且自溶型自修復(fù)系統(tǒng)將免去有效的監(jiān)測和外部修復(fù)所需的高額費 用，這就避免了人工修復(fù)帶來的結(jié)構(gòu)停用等問題，可以節(jié)省結(jié)構(gòu)運營費用，并能大大提高其 安全性和耐久性，使用壽命也將延長。
[0004] 目前，對于不同水泥基材料自修復(fù)方法的研究較多，大多數(shù)主要偏向于采用礦物 自修復(fù)或微膠囊自修復(fù)的方法。
[0005] 水泥基材料礦物自修復(fù)方法，即在水泥基材料體系中加入部分礦物材料，在裂縫 處有水滲入的情況下，能夠促進和激勵其中有效離子的擴散、迀移和反應(yīng)，在裂縫處產(chǎn)生有 效愈合產(chǎn)物，進而完成自修復(fù)功能。由于基體材料組成和礦物材料成分不同，其愈合產(chǎn)物也 不完全相同，主要包括C-S-H凝膠、碳酸鈣結(jié)晶沉淀、氫氧化鈣等。
[0006] 水泥基材料微膠囊自修復(fù)方法，即在水泥基材料體系中加入包裹有機修復(fù)劑的有 機微膠囊，在水泥基材料受外力破壞產(chǎn)生裂縫時，微膠囊同時受力破壞，釋放修復(fù)劑參與裂 縫修復(fù)。修復(fù)劑通過粘接固化作用使裂縫愈合。
[0007] 然而，目前基于礦物自修復(fù)法激勵方法不明確、修復(fù)速率不可控，而微膠囊破裂 后，囊壁材料對水泥基材料會產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0008] 授權(quán)公告號為CN 102049230 B的中國發(fā)明專利公布了一種水泥材料自修復(fù)的分 子自組裝微球制備及應(yīng)用，微球的制備包括以下方法:選擇具有對水泥、混凝土具有優(yōu)良修 復(fù)性能的修復(fù)液；自修復(fù)微球功能單體的設(shè)計和篩選;利用分子自組裝技術(shù)，選用交聯(lián)劑、 致孔劑，在合適條件下，將獲得的功能單體和修復(fù)液聚合成具有自修復(fù)功能的微球;按照一 定比例將修復(fù)液、單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、致孔劑和乳化劑在一定條件下制得自修復(fù)微球。上 述專利公布的技術(shù)方案制得的自組裝高分子微球最終會殘留在水泥基材料基體中，而且隨 著齡期的增加，微球會對基體強度和耐久性造成負(fù)面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于自溶的設(shè) 計理念，構(gòu)建裝載有保護膜的自溶型載體，并在自溶型載體上負(fù)載修復(fù)劑，能有效控制自溶 速率的混凝土裂縫自溶型自修復(fù)系統(tǒng)及其制備方法。
[0010] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0011] -種混凝土裂縫自溶型自修復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自溶型修復(fù)載體以及包覆在自溶 型修復(fù)載體表面的自溶型保護膜，所述的自溶型修復(fù)載體上還負(fù)載有修復(fù)劑。
[0012] 所述的自溶型修復(fù)載體每lmg所吸附的吸附劑的量為49-69mg。
[0013] 所述的自溶型修復(fù)載體選自無定形Si02、磷酸鈣骨水泥或水化硅酸鈣中的一種或 幾種。
[0014] 所述的自溶型修復(fù)載體為多孔狀微球載體或中空狀微球載體。
[0015] 所述的多孔狀微球載體的直徑為0.5-2μπι，所述的中空狀微球載體的外徑為1-2μ m〇
[0016]所述的自溶型修復(fù)載體優(yōu)選無定形Si〇2微球。
[0017] 所述的修復(fù)劑選自硅酸鈉、C3A、C3S、C2S、硅膠或酚醛樹脂中的一種，優(yōu)選硅酸鈉。
[0018] 所述的自溶型保護膜為分子主鏈上含有酯鍵的不飽和聚酯保護膜。
[0019] 所述的不飽和聚酯為聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯基吡咯烷 酮K15、聚乙烯基吡咯烷酮K30、聚乙烯基吡咯烷酮K60或聚乙烯基吡咯烷酮K90中的一種，優(yōu) 選聚乙烯基吡咯烷酮K15。
[0020] 所述的自溶型保護膜的厚度為20-50nm。
[0021 ] -種混凝土裂縫自溶型自修復(fù)系統(tǒng)的制備方法，該方法具體包括以下步驟：
[0022] (1)通過溶膠-凝膠法制備自溶型修復(fù)載體，并作擴孔處理；
[0023] (2)將擴孔后的自溶型修復(fù)載體浸漬在修復(fù)劑溶液中，于20-25°C浸漬24-48小時， 后經(jīng)離心分離，除去上層清液，底部修復(fù)載體經(jīng)洗滌、真空干燥后，即制得負(fù)載有修復(fù)劑的 自溶型修復(fù)載體；
[0024] (3)將負(fù)載有修復(fù)劑的自溶型修復(fù)載體浸漬在自溶型保護膜溶液中，并于90-120 °C，浸漬2-5小時，使得自溶型保護膜充分包覆在負(fù)載有修復(fù)劑的自溶型修復(fù)載體的表面 上，即制得所述的自溶型自修復(fù)系統(tǒng)。
[0025] 需要說明的是，以自溶型修復(fù)載體為無定形Si02為例，步驟(1)中，溶膠-凝膠法制 備自溶型修復(fù)載體包括以下步驟：
[0026] (1-1)將異丙醇和去離子水混合均勻，加入十六胺，超聲混勻；
[0027] (1-2)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25-28%的氨水溶液，于20-25Γ下，攪拌均勻；
[0028] (1 _3) -次性注入正硅酸乙酯，并充分?jǐn)嚢瑁?br>[0029] (1-4)于20-25°C，靜置12-36小時，過濾，保留固體，洗滌，干燥，后在空氣氛圍下， 控制溫度為500-700°C，焙燒4-8小時，即制得Si02微球。
[0030] 其中，異丙醇與去離子水、氨水溶液、正硅酸乙酯的體積比為10 :9:0.14:0.58，十 六胺與正硅酸乙酯的質(zhì)量比為1:5.4。
[0031] 步驟(1)中的擴孔處理包括以下步驟：
[0032] (a)按NaCl、LiCl、KN〇3與水的質(zhì)量比為20:5:5:70，配制復(fù)鹽溶液；
[0033] (b)將Si02微球置于坩堝中，加入復(fù)鹽溶液，控制Si02微球在復(fù)鹽溶液的質(zhì)量濃度 為l-2g/mL，經(jīng)超聲混合均勻，浸漬30-40分鐘，烘干，再于空氣氛圍下，控制溫度為300-400 °C，焙燒3-5小時；
[0034] (c)待焙燒處理結(jié)束后，產(chǎn)物經(jīng)洗滌，烘干，即制得擴孔后的Si02微球。
[0035]步驟(2)中，修復(fù)劑溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-20%的硅酸鈉溶液，擴孔后的Si02微球 與修復(fù)劑溶液的質(zhì)量比為1:40-60，離心分離的條件為：離心轉(zhuǎn)速為8000-9000r/min，離心 時間為10_20min。
[0036] 步驟(3)中，自溶型保護膜溶液為PVP溶液，負(fù)載有修復(fù)劑的Si02微球與PVP溶液中 PVP的摩爾比為1:8-12;其中，PVP的相對分子質(zhì)量為40000-60000。
[0037]本發(fā)明混凝土裂縫自溶型自修復(fù)系統(tǒng)的構(gòu)建，主要基于修復(fù)系統(tǒng)自溶的理論，包 括自溶環(huán)境、修復(fù)載體的選擇、修復(fù)劑及保護膜的選擇、自溶修復(fù)熱力學(xué)、動力學(xué)、載體吸附 修復(fù)劑、裝載保護膜以及修復(fù)劑釋放。
[0038]本發(fā)明自溶型自修復(fù)系統(tǒng)，是指由保護膜包裹的修復(fù)載體微球在混凝土堿環(huán)境中 緩慢溶蝕，當(dāng)混凝土破壞，外界水環(huán)境進入時，保護膜會在堿性溶液下漸漸被刻蝕，修復(fù)載 體通過表面的孔隙釋放修復(fù)劑進行修復(fù)，或者保護膜被刻蝕后修復(fù)載體自身就開始自溶修 復(fù)反應(yīng);同時因為破壞處表面水化產(chǎn)物溶解出的Ca 2+與修復(fù)劑和修復(fù)載體反應(yīng)，修復(fù)反應(yīng)平 衡向生成C-S-H凝膠，加快了 C-S-H凝膠的生成，促進修復(fù)作用。修復(fù)劑作用完后，修復(fù)載體 自身自溶繼續(xù)反應(yīng)生成C-S-H凝膠，最終留下的外層保護膜也會在堿環(huán)境下漸漸被溶蝕。所 述的自溶環(huán)境包括內(nèi)部環(huán)境、外部環(huán)境和環(huán)境變化。內(nèi)部環(huán)境指，水泥基內(nèi)部較強的堿環(huán)境 為載體自溶、保護膜刻蝕、修復(fù)劑反應(yīng)生成C-S-H凝膠提供了豐富的0H'水泥基體的溶解提 供了生成C-S-H凝膠所需要的Ca 2+。外部環(huán)境指，自愈合過程中的水環(huán)境特點。一方面，水是 自愈合過程中離子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，引起離子的迀移。另一方面，水的存在誘導(dǎo)修復(fù)載體發(fā)生自 溶反應(yīng)和修復(fù)劑發(fā)生愈合反應(yīng)。環(huán)境變化致使水泥基材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，影響自溶自修 復(fù)過程的因素主要為溶液pH、溫度和初始物質(zhì)濃度。
[0039] 所述的自溶型修復(fù)載體自溶依靠的熱力學(xué)理論，指先求出修復(fù)劑與Ca2+在不同溫 度下生成不同C-S-H凝膠的吉布斯自由能ΔΓ#，
[0040]
[0041] 再通過線性擬合-Γ的關(guān)系式，可以得到不同溫度下c-s-h凝膠的生成吉布斯 自由能，由此判斷反應(yīng)的可行性。
[0042]所述的自溶型修復(fù)載體自溶依靠的動力學(xué)理論，指確定自溶反應(yīng)的動力學(xué)方程來 判斷反應(yīng)速率。
[0043] 所述的自溶型修復(fù)載體吸附修復(fù)劑的過程，是指修復(fù)載體通過浸漬法或原位負(fù)載 法負(fù)載修復(fù)劑，優(yōu)選的采用浸漬法。
[0044] 所述的自溶型修復(fù)載體裝載保護膜的過程，是指吸附有修復(fù)劑的修復(fù)載體通過浸 漬法將保護膜裝載到修復(fù)載體表面。
[0045