一種水環(huán)境下混凝土自溶型快速自修復(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，涉及一種水環(huán)境下混凝土自溶型快速自修復(fù)系統(tǒng)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為100年，其所處巖土賦存條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感，列車運行密度極高，使用條件苛刻，結(jié)構(gòu)自身在多因素長期作用下性能不斷劣化，一旦損壞不易或不可更換，并將會誘發(fā)地下工程災(zāi)害。水泥基材料的裂縫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效的根本原因。水泥基材料自修復(fù)系統(tǒng)為混凝土基體微裂縫的修復(fù)和有效延緩潛在的危害提供了一種新的方法，一個自修復(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，避免了人工修復(fù)帶來的軌道交通線路停運等問題，可以節(jié)省結(jié)構(gòu)運營費用，且大大提高其安全性和耐久性，地鐵的使用壽命也將延長。
[0003]目前，已提出許多水泥基材料自修復(fù)方法，這些方法對實現(xiàn)水泥基材料裂縫自修復(fù)具有重要的實際意義。根據(jù)自愈合機理，可將這些混凝土自修復(fù)分為兩大類:自然愈合和工程愈合。自然愈合主要是指未水化水泥熟料的繼續(xù)水化和碳化作用在裂縫中形成的碳酸鈣愈合。工程愈合又可分為兩類:自動愈合和主動修復(fù)；自動愈合主要包括以下幾種:粉煤灰的火山灰效應(yīng)、特殊礦物材料和滲透結(jié)晶自愈合等;主動修復(fù)可包括以下幾類:微膠囊智能修復(fù)、玻璃纖維管修復(fù)、熱塑管的熔化修復(fù)、形狀記憶合金自修復(fù)和復(fù)合材料傳感器自修復(fù)。
[0004]然而，上述自修復(fù)方法都存在如下缺點和不足:
[0005](I)自然愈合。修復(fù)裂縫時間長，愈合裂縫寬度小于150μπι，對于齡期大于28d的混凝土自愈合能力很弱，二次愈合能力幾乎沒有。
[0006](2)主動修復(fù)(自主愈合)。自主自愈合主要機理是將內(nèi)含高分子修復(fù)劑的修復(fù)容器預(yù)埋在混凝土中，當(dāng)混凝土開裂，修復(fù)容器隨之破裂，修復(fù)劑流出，填充、修復(fù)裂縫。從混凝土自修復(fù)的發(fā)展和應(yīng)用來看，尚有許多問題需要解決和完善。例如，高分子修復(fù)劑屬于有機材料，不耐久、容易老化，并且與混凝土基體的相容性較差;修復(fù)容器的制備復(fù)雜，與混凝土材料共同攪拌、振搗而破碎;使用形狀記憶合金價格太過于昂貴;使用細(xì)菌時，不能保證它的時效性等。
[0007](3)自動愈合。自動愈合是對自然愈合的加速，并且愈合產(chǎn)物與基體的相容性較好，但仍存在如下問題。例如，粉煤灰、礦渣等種類材料，可以與鈣離子反應(yīng)形成二次水化，但是愈合能力不顯著，愈合裂縫寬度小于150μπι，由于二次水化消耗鈣離子，使得基體水化產(chǎn)物溶解并且碳酸鈣形成受到限制;滲透結(jié)晶技術(shù)雖然可提高開裂混凝土抗?jié)B性，但是對水泥基材料力學(xué)性能恢復(fù)不明顯，同時愈合產(chǎn)物穩(wěn)定性較差;特殊礦物材料指的是具有不同功能的礦物材料，例如膨脹劑，檸檬酸，草酸，膨潤土，硅基材料，碳酸鈉等，這些材料雖然可以愈合較大裂縫寬度(0.4mm)，但是不能有效愈合裂縫內(nèi)部，力學(xué)性能恢復(fù)不顯著，大部分礦物因早期即參與反應(yīng)，使得愈合能力減弱，二次愈合能力一般。
[0008]申請?zhí)枮?01210580233.4的中國發(fā)明專利公布了一種內(nèi)置好氧型微生物的復(fù)合膠囊地下結(jié)構(gòu)混凝土自修復(fù)系統(tǒng)，包括混凝土基體，所述混凝土基體內(nèi)設(shè)有微生物復(fù)合膠囊，所述微生物復(fù)合膠囊內(nèi)包覆有好氧型微生物及適合所述好氧型微生物生長的培養(yǎng)基。該專利公布的混凝土自修復(fù)系統(tǒng)雖然不用外加培養(yǎng)基，混凝土即可以實現(xiàn)智能修復(fù)，但制備過程較為繁瑣，而且實際應(yīng)用較為不便。

【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結(jié)合自然愈合及自動愈合的原理，建立能夠自修復(fù)混凝土微裂縫，同時可以在長時間內(nèi)有效，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂縫時能夠快速愈合內(nèi)部裂縫，大幅度提升力學(xué)性能和傳輸性能的水環(huán)境下混凝土自溶型快速自修復(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 ] 一種水環(huán)境下混凝土自溶型快速自修復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括混凝土基體以及填充在混凝土基體中的自溶型復(fù)合微球，該自溶型復(fù)合微球的表面包覆有自溶型保護(hù)膜，中心為硅酸三鈣與鋁酸三鈣混合而成的復(fù)合礦物。
[0012]所述的自溶型復(fù)合微球占混凝土基體中膠凝材料的質(zhì)量百分比為8_12wt%。
[0013]所述的硅酸三鈣與鋁酸三鈣的質(zhì)量比為2-4:1。
[0014]所述的自溶型復(fù)合微球的外徑為1_2μπι。
[0015]所述的硅酸三鈣包括TC3S晶型硅酸三鈣、MC3S晶型硅酸三鈣或RC3S晶型硅酸三鈣中的一種或多種。
[0016]其中，所述的TC3S晶型硅酸三鈣不摻入外來離子，純的硅酸三鈣以Tl形式存在，當(dāng)有外來離子摻雜時，其他相才可能在室溫下穩(wěn)定存在;所述的MC3S晶型硅酸三鈣摻入了氧化鎂，工業(yè)水泥熟料最常觀測到的是Ml和M3;所述的RC3S晶型硅酸三鈣為復(fù)摻少量氧化物(例如氧化氟、氧化鋁或氧化鎂)的硅酸三鈣。
[0017]上述三種晶型硅酸三鈣在水化初期會由于極少量的摻雜離子的不同，而導(dǎo)致體系水化速率及微觀形貌有明顯不同，加入微量元素能加速早期硅酸三鈣的水化，較快形成鈣礬石。但從長期來看，三種晶型硅酸三鈣的水化產(chǎn)物的微觀形貌相差無幾。
[0018]所述的鋁酸三鈣為單礦鋁酸三鈣，合成方式有高溫固相燒結(jié)法、聚合有機-無機合成法、溶膠-凝膠法。
[0019]所述的自溶型保護(hù)膜的厚度為20-50nm。
[0020]所述的自溶型保護(hù)膜為分子主鏈上含有酯鍵的不飽和聚酯保護(hù)膜。
[0021]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。
[0022]—種水環(huán)境下混凝土自溶型快速自修復(fù)系統(tǒng)的制備方法，該方法具體包括以下步驟:
[0023](I)按硅酸三鈣與鋁酸三鈣的質(zhì)量比為2-4:1，將硅酸三鈣與鋁酸三鈣進(jìn)行干混，制得硅酸三鈣與鋁酸三鈣的復(fù)合礦物；
[0024](2)按不飽和聚酯與復(fù)合礦物的摩爾比為8-15:1，將復(fù)合礦物浸漬在不飽和聚酯溶液中，并于45_60°C保持浸漬l_2h，使得不飽和聚酯充分裝載到復(fù)合礦物表面，形成自溶型保護(hù)膜，即制得所述的自溶型復(fù)合微球；
[0025](3)先在水中加入自溶型復(fù)合微球，超聲分散均勻，再依次加入膠凝材料和粗細(xì)骨料，攪拌均勻后，澆筑，拆模，養(yǎng)護(hù)，即制得所述的混凝土自溶型快速自修復(fù)系統(tǒng)。
[0026]步驟(2)中所述的不飽和聚酯的相對分子量為10000-50000。
[0027]優(yōu)選的，將Ig復(fù)合礦物浸漬在分子量為10000的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)K30的酒精溶液中，PVP和復(fù)合礦物的摩爾比為10:1，混合物在50°C保持Ih，讓PVP有足夠的時間裝載到復(fù)合礦物表面。
[0028]步驟(3)所述的養(yǎng)護(hù)為標(biāo)準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)，溫度為20±2°C，濕度為95%以上。
[0029]需要說明的是，本發(fā)明中所述的硅酸三鈣采用以下方法制備而成:
[0030]試樣中Ca、Si物質(zhì)的量之比均為3.0Ja2S13.9H20、Na2CO3Ja(NO3)2.4H20分別溶于10mL的蒸餾水中，NH4F溶于50mL的蒸餾水中，分別用氨水調(diào)pH值為12.0。將Ca(NO3)2溶液倒入反應(yīng)瓶中，把Na2Si03、NH4F和Na2CO3溶液依次以20滴/min的速度滴入反應(yīng)瓶中，強力攪拌約2h，整個過程pH值維持在12-13左右。反應(yīng)完畢，陳化24h至懸浮液的pH為設(shè)定值不再變化為止。減壓抽濾，抽濾過程中用蒸餾水洗三次。放入烘箱，80°C下Sh烘干后，移至高溫爐中升溫至所需要的溫度1300°C，保溫4h，取出空氣中急冷，制備出硅酸三鈣。裝入球磨機干磨3h，研磨至粉狀，過篩，即可得到C3S粉末。
[0031]所述的鋁酸三鈣采用以下方法制備而成:
[0032]按照C3A化學(xué)式3Ca0.Al2O3設(shè)計原材料配料比例為N(Ca(NO3)2):N(A1(0H)3膠體)=3:1。將稱好的原材料置于300ml錐形瓶中混合均勻，并加入適量的去離子水，形