一種混凝土裂縫自溶型自修復系統及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于混凝土工程技術領域，涉及一種混凝土裂縫自溶型自修復系統及其制 備方法。
【背景技術】
[0002] 當今土建工程中，混凝土結構被廣泛應用于各種環境，其中，不乏使用條件苛刻的 環境，如地下結構等，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，將會誘發地下工程災害。而水泥基材料的裂縫是導致結構提前失效的根本原。
[0003] 自溶型自修復系統的研究為混凝土基體微裂縫的修復及有效延緩潛在危害，提供 了一種新的解決方法。而且自溶型自修復系統將免去有效的監測和外部修復所需的高額費 用，這就避免了人工修復帶來的結構停用等問題，可以節省結構運營費用，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方法的研究較多，大多數主要偏向于采用礦物 自修復或微膠囊自修復的方法。
[0005] 水泥基材料礦物自修復方法，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，在裂縫處產生有 效愈合產物，進而完成自修復功能。由于基體材料組成和礦物材料成分不同，其愈合產物也 不完全相同，主要包括C-S-H凝膠、碳酸鈣結晶沉淀、氫氧化鈣等。
[0006] 水泥基材料微膠囊自修復方法，即在水泥基材料體系中加入包裹有機修復劑的有 機微膠囊，在水泥基材料受外力破壞產生裂縫時，微膠囊同時受力破壞，釋放修復劑參與裂 縫修復。修復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法激勵方法不明確、修復速率不可控，而微膠囊破裂 后，囊壁材料對水泥基材料會產生負面影響。
[0008] 授權公告號為CN 102049230 B的中國發明專利公布了一種水泥材料自修復的分 子自組裝微球制備及應用，微球的制備包括以下方法:選擇具有對水泥、混凝土具有優良修 復性能的修復液；自修復微球功能單體的設計和篩選;利用分子自組裝技術，選用交聯劑、 致孔劑，在合適條件下，將獲得的功能單體和修復液聚合成具有自修復功能的微球;按照一 定比例將修復液、單體、引發劑、交聯劑、致孔劑和乳化劑在一定條件下制得自修復微球。上 述專利公布的技術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面影響。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于自溶的設 計理念，構建裝載有保護膜的自溶型載體，并在自溶型載體上負載修復劑，能有效控制自溶 速率的混凝土裂縫自溶型自修復系統及其制備方法。
[0010] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0011] -種混凝土裂縫自溶型自修復系統，該系統包括自溶型修復載體以及包覆在自溶 型修復載體表面的自溶型保護膜，所述的自溶型修復載體上還負載有修復劑。
[0012] 所述的自溶型修復載體每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]所述的自溶型修復載體優選無定形Si〇2微球。
[0017] 所述的修復劑選自硅酸鈉、C3A、C3S、C2S、硅膠或酚醛樹脂中的一種，優選硅酸鈉。
[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 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系統的制備方法，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載體，并作擴孔處理；
[0023] (2)將擴孔后的自溶型修復載體浸漬在修復劑溶液中，于20-25°C浸漬24-48小時， 后經離心分離，除去上層清液，底部修復載體經洗滌、真空干燥后，即制得負載有修復劑的 自溶型修復載體；
[0024] (3)將負載有修復劑的自溶型修復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載有修復劑的自溶型修復載體的表面 上，即制得所述的自溶型自修復系統。
[0025] 需要說明的是，以自溶型修復載體為無定形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)加入質量分數為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，并充分攪拌；
[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與水的質量比為20:5:5:70，配制復鹽溶液；
[0033] (b)將Si02微球置于坩堝中，加入復鹽溶液，控制Si02微球在復鹽溶液的質量濃度 為l-2g/mL，經超聲混合均勻，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)待焙燒處理結束后，產物經洗滌，烘干，即制得擴孔后的Si02微球。
[0035]步驟(2)中，修復劑溶液為質量分數為10-20%的硅酸鈉溶液，擴孔后的Si02微球 與修復劑溶液的質量比為1:40-60，離心分離的條件為：離心轉速為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，負載有修復劑的Si02微球與PVP溶液中 PVP的摩爾比為1:8-12;其中，PVP的相對分子質量為40000-60000。
[0037]本發明混凝土裂縫自溶型自修復系統的構建，主要基于修復系統自溶的理論，包 括自溶環境、修復載體的選擇、修復劑及保護膜的選擇、自溶修復熱力學、動力學、載體吸附 修復劑、裝載保護膜以及修復劑釋放。
[0038]本發明自溶型自修復系統，是指由保護膜包裹的修復載體微球在混凝土堿環境中 緩慢溶蝕，當混凝土破壞，外界水環境進入時，保護膜會在堿性溶液下漸漸被刻蝕，修復載 體通過表面的孔隙釋放修復劑進行修復，或者保護膜被刻蝕后修復載體自身就開始自溶修 復反應;同時因為破壞處表面水化產物溶解出的Ca 2+與修復劑和修復載體反應，修復反應平 衡向生成C-S-H凝膠，加快了 C-S-H凝膠的生成，促進修復作用。修復劑作用完后，修復載體 自身自溶繼續反應生成C-S-H凝膠，最終留下的外層保護膜也會在堿環境下漸漸被溶蝕。所 述的自溶環境包括內部環境、外部環境和環境變化。內部環境指，水泥基內部較強的堿環境 為載體自溶、保護膜刻蝕、修復劑反應生成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+。外部環境指，自愈合過程中的水環境特點。一方面，水是 自愈合過程中離子傳輸的介質，引起離子的迀移。另一方面，水的存在誘導修復載體發生自 溶反應和修復劑發生愈合反應。環境變化致使水泥基材料結構出現裂縫后，影響自溶自修 復過程的因素主要為溶液pH、溫度和初始物質濃度。
[0039] 所述的自溶型修復載體自溶依靠的熱力學理論，指先求出修復劑與Ca2+在不同溫 度下生成不同C-S-H凝膠的吉布斯自由能ΔΓ#，
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[0041] 再通過線性擬合-Γ的關系式，可以得到不同溫度下c-s-h凝膠的生成吉布斯 自由能，由此判斷反應的可行性。
[0042]所述的自溶型修復載體自溶依靠的動力學理論，指確定自溶反應的動力學方程來 判斷反應速率。
[0043] 所述的自溶型修復載體吸附修復劑的過程，是指修復載體通過浸漬法或原位負載 法負載修復劑，優選的采用浸漬法。
[0044] 所述的自溶型修復載體裝載保護膜的過程，是指吸附有修復劑的修復載體通過浸 漬法將保護膜裝載到修復載體表面。
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