裂缝自愈合

2025-01-08

裂缝自愈合（精选7篇）

裂缝自愈合篇1

1 引言

混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展, 所以及时对扩展裂缝进行修复就可以很好地减缓失效。但若采用人工修复技术不仅延误了最佳修复时间, 并且耗费人力财力。如果混凝土能在产生裂缝后立刻做出反应自行愈合, 那么结构修复的经济性和有效性就会大大提高。

1925年学者Abrams[1]第一个发现了混凝土的自行愈合现象, 开裂试件在户外放置8a后愈合了裂缝, 并提高了抗压强度。这一发现使通过混凝土自愈合而修复结构变得可行。因此, 一些学者开始进行混凝土裂缝自愈合的研究。

随着国内外学者在这方面的进一步研究显示依靠混凝土本身的愈合能力不能达到理想的修复效果。于是人们开始寻求其他的方法来实现混凝土自己愈合裂缝的目的。比如目前研究较多的仿生自愈合技术。

基于混凝土自身的愈合机理, 也有采用催化结晶涂料的自愈合方法, 这种方法是通过催化混凝土中游离的钙离子和未水化的水泥发生反应达到愈合裂缝的目的, 目前投入使用的是一些防水水泥。更有学者研究了在水泥基中掺入耐碱微生物对水泥基试件愈合性能的影响。

自愈合混凝土有其研究的价值与意义, 但是实现难度很大。国内外部分学者进行了大量实验研究, 已经初步形成了几种可行的研究方法, 对混凝土材料的革命性变化产生了积极的推动作用。本文将介绍国内外关于混凝土自愈合的研究情况, 并进行简要的总结与分析。

2 国内外研究情况

2.1 混凝土本身的愈合能力

在混凝土裂缝自愈合研究的初期阶段, 主要是基于混凝土本身潜在的愈合能力的研究, 实际体现在对于其机理和愈合效果的研究。

J.Stefan (1995) [2]将混凝土试件冻融破坏后, 放置水中2~3个月后混凝土几乎能全部恢复损失的共振频率, 并且裂缝中有钙矾石晶体和氢氧化钙晶体。

此实验是在有水环境中且产生了水泥水化产物, 这说明混凝土自愈合可能的形成原因是混凝土中未水化完全的水泥再次水化。

国内也有学者做了这方面的实验和研究, 并更进一步得到确切结论。程东辉、潘洪涛[3]对混凝土的这种自愈合现象的机理进行了研究, 得出了其愈合的四方面原因, 其中水泥浆体水化就是主要原因。且对于3mm左右的裂缝, 当其暴露于水环境大于600小时, 裂缝可以完全愈合。

但是可愈合的裂缝宽度在不同的情况下是否会改变该研究并未进行探索。于是又有学者在这方面展开了研究。

姚武、钟慧[4]的研究发现混凝土的自愈合能力存在一个损伤阈值, 损伤小于损伤阈值时随损伤的增大, 自愈合率也增大;损伤大于损伤阈值则随损伤的增大, 自愈合率减小。

李厚祥、唐春安[5]等通过试验分析得到了在一定水压梯度下, 一周后可能自愈合的混凝土裂缝宽度。结果表明, 水压梯度越大, 裂缝自愈合所容许的宽度越小。

刘小艳[6]等对混凝土自愈合的性能做了试验研究, 试验结果表明低等级水泥比高等级水泥同条件下的自愈合能力强, 掺入粉煤灰和碳纤维对混凝土的愈合能力都有提高。这表明混凝土的成分会影响其愈合能力。

通过他们的研究可以看出, 混凝土本身的愈合能力非常有限, 不仅需要合适的湿度等条件, 而且愈合较缓慢, 即使改变混凝土的成分, 对其愈合能力的提高也满足不了预期修复水平。通过激发混凝土本身的愈合能力来修复结构可行性不大。

2.2 仿生自愈合混凝土

既然通过混凝土自身的能力无法达到快速修复的目的, 人们开始探索通过人为的方法来实现。

1989年日本高木俊宜教授将信息科学融合于材料的物性和功能提出了智能材料 (Intelligent materials) 概念, 即能感知, 能作出响应, 并且具有学习能力等的新材料。而美国的R.E.Newnham教授则更具体地提出具有其中一两项功能的称为机敏材料 (Smart material) [7]。

实现材料智能化是未来的研究趋势, 研究者的目光开始转向这一领域, 因此有学者开始研究模仿生物的愈合现象来愈合材料的研究, 而这种材料就被称为仿生自愈合材料。其中仿生自愈合混凝土的研究思路大致分为三类:纤维管+胶粘剂;胶囊+胶粘剂;形状记忆合金。

2.2.1 纤维管+胶黏剂

在仿生自愈合混凝土的初期研究中, 一般的思路是模仿动物受伤后流出血液进行愈合, 于是主要的模型是在纤维管中注入高强度的胶粘剂。

美国Carolyn Dry[8]在1990年发表的文章中提出了一种混凝土裂缝自愈合的方法, 即通过预埋含有胶粘剂的纤维, 用加热的方式启动修复。可以说这是仿生自愈合混凝土研究的开始。

Dry Carolyn[9]还尝试了其他方法。他将多孔的纤维网预埋在磷酸钙水泥 (含单聚物) 中, 多孔纤维会释放出引发剂, 引发水泥中的单聚物反应形成高聚物, 反应生成的水又进一步与水泥中未水化的粒子发生水化反应。另外, 他试验了一种由甲基丙烯酸甲酯 (MMA) , 过氧化氢和钴组成的修复系统, 将MMA与后两种试剂中的一种混合注入纤维管, 与注入了余下的另一试剂的纤维管同时预埋到混凝土中, 纤维管随混凝土开裂而破裂后三种试剂混合会形成强度极大的物质从而修复裂缝。

同济大学习志臻[10]等, 分别采用聚氨酯、丙烯酸酯注入玻璃纤维管, 预埋到水泥砂浆中, 并用INSTRON试验机和声发射仪测试其愈合后的性能, 结果表明, 两者愈合效果明显, 且采用聚氨酯的自愈合系统能够更好地愈合裂缝。

哈尔滨工业大学匡亚川[11], 进行了修复纤维力学参数的确定, 然后分别以氯丁橡胶、α-氰基丙烯酸酯、环氧树脂三种胶粘剂注入玻璃纤维管预埋到混凝土梁中进行实验, 试验结果显示采用氯丁橡胶愈合效果不理想, α-氰基丙烯酸酯不能达到愈合效果, 而环氧树脂可以较好地愈合裂缝, 但是因为不能保证双管同时破裂而有待改善。

张妃二[12]等将SJ胶的大直径空心光纤预埋到混凝土中进行试验, 结果表明, SJ胶修复后的混凝土拉伸、压缩、弯曲试件强度分别是原值的1/3、2/3、5/3。

这一模式直接有效, 但是一方面难以施工, 另一方面难以实现二次修复, 并且在胶粘剂和容器的选择上还需要更为具体地研究。

2.2.2 胶囊+胶粘剂

对胶粘剂容器进行改革, 产生了一种新的仿生自愈合方法, 即以胶囊包裹胶粘剂, 分散在混凝土中。这种方法比用纤维管更能将修复剂分布均匀, 能使修复液覆盖区域更广, 从而更迅速地到达破损位置。

日本三桥博三等[9]将注有胶粘剂 (分别是水玻璃, 环氧树脂等) 的空心胶囊掺入混凝土中, 当混凝土开裂, 胶囊随之破裂, 胶粘剂流出对裂缝进行修复。

哈尔滨工业大学欧进萍、匡亚川[13]研究了一种内置胶囊混凝土, 根据混凝土破坏机理确定了胶囊的破坏应力, 并利用ANSYS对修复胶囊进行了有限元分析, 最后进行了试验, 用注入α-氨基丙烯酸脂胶粘剂的玻璃胶囊掺入混凝土中, 能够达到一定的自愈合效果。

这一方法比上一个方法有提高的地方, 比如它可以分步更均匀, 基本可以实现二次裂缝修复, 但是仍然没有很好地解决投入实际工程中将要面临的问题。比如搅拌混凝土时无法保证胶囊不破裂, 胶囊对混凝土性能的影响研究还不全面, 需要进一步确定对应力做出合适反应的胶囊容器材料等。

2.2.3 形状记忆合金

形状记忆合金 (简称SMA) 具有形状记忆效应和超弹性性能。根据需要, SMA元件可以在100℃以下的某个设定温度产生动作, 实现对设备或装置的自动控制或保护;也可以按作用力的大小设计SMA驱动元件, 驱动元件的动作反应时间可以根据需要在一定范围内调节。

因为SMA的这种性能, 它被应用到了自愈合混凝土的研究中, 以期通过温度或者应力控制来达到混凝土感知, 并进行反应的目的。

陶宝祺[14]等研究了利用SMA和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。采用直径为0.05mm的SMA丝和分别装有环氧树脂和固化剂的光纤 (称为液芯光纤) , 通过激励SMA丝对液芯光纤产生压力使胶液流出, 且通电的SMA放出热量可以促进胶液的流动和固化。

兰州理工大学狄生奎、李慧[15]等通过试验研究了混凝土梁在加载过程中Ni-Ti SMA丝电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度的关系, 及通电激励SMA丝恢复混凝土裂缝的变化规律。结果表明, 在0.3mm范围内SMA更为敏感, 通电激励SMA丝能够很好地愈合混凝土裂缝。

崔迪[16]等将SMA绞线作为主筋埋入混凝土梁中, 对其和普通钢筋混凝土梁采用跨中单点加载试验测试对比其力学性能, 结果表明, 这种梁比普通钢筋混凝土梁在开裂后能承担的力更大, 且SMA绞线可以减小混凝土梁的残余变形和残余裂缝。

日本Yuji Sakai等[9]将直径2mm的超弹SMA预埋在砂浆梁中, 进行三点弯曲实验, 与普通梁比较, SMA提高了梁的变形能力, 卸载之后, SMA梁的变形几乎全部恢复了。

采用SMA可以对混凝土变形起到一定的恢复作用, 并且可与其他方法结合, 具有一定的发展前景。

2.3 在水泥基中掺入特殊材料

由混凝土天然愈合能力的研究引发了人们对激发混凝土潜在愈合功能的兴趣。继而有学者进行了这方面的开发研究。通过掺入抗渗结晶防水剂可以在有水环境中促使水泥浆中未水化的粒子迅速水化就是其中的一种较为成熟的方法。

余剑英、李旺林等[17]利用平板法试验使混凝土形成不同宽度的裂缝, 通过后期养护来直观表征渗透结晶型防水材料对混凝土裂缝自愈合能力的影响。结果表明, 渗透结晶型防水材料对混凝土初期宏观裂缝有明显的抑制作用。且该防水材料为水泥掺量的1%时已经具有良好的裂缝自愈合能力。

王桂明等[18]对掺有催化结晶型抗渗涂料的水泥砂浆试件进行了抗渗性能试验, 孔隙率测试, 研究了其力学性能和自修复性。试验结果说明这种涂料可以显著增强水泥基的力学性能, 并对试件具有很强的养护自愈合功能。

国外也有学者进行了在水泥基中掺入微生物已达到自愈合目的的研究[19]:

Navarro等研究微生物修复已发生老化的石灰石装饰表面裂缝的功效。继而, Bang等研究微生物修复水泥基材料表面裂缝的功效, 他采用巴氏芽孢杆菌和两种经过细胞重组的大肠杆菌, 进行对比实验, 发现尿素酶在微生物结晶过程中起到至关重要的作用。其对微生物形成的矿物沉积进行扫描电镜分析和X射线衍射分析的结果表明矿物沉积的成份是方解石。

Jonker等人采用好氧的嗜碱芽孢杆菌掺入到水泥净浆和水泥胶砂中做成试件, 将试件在培养基中进行培养, 结果表明掺了该细菌的试件表面出现大量晶体, 且力学性能大大提高。

Ramachanelran进行的试验对比了绿脓杆菌和巴氏包杆菌对水泥基试件的影响, 结果说明绿脓杆菌的矿物沉积远远低于巴氏包杆菌。

采用抗渗涂料等可以对混凝土裂缝起到较好的愈合作用。但是还不能对深裂缝进行很好的修复, 所以暂时只用于表面裂缝的修复。而加入嗜碱微生物可以促进矿物沉积从而在一定程度上修复裂缝, 但是实际应用中混凝土不能满足微生物的生存条件, 且微生物起到的修复作用还不能满足修复结构的要求。

3 结语

从发现混凝土的自愈合能力开始, 国内外学者找到了研发新型混凝土的新途径, 随之而展开的科研渐渐形成了自愈合型混凝土的雏形, 但要实现工程应用仍需要更多的深入研究, 自愈合混凝土尚未成熟。智能混凝土是未来的发展方向, 研发出可用于工程实践的机敏混凝土是第一步, 随着材料科学的发展, 更多新材料的发现与使用, 研制智能混凝土的目标终会实现。

目前所研究的自愈合混凝土中, 仍然存在着需要解决的问题:

1) 自愈合混凝土一般采用胶粘剂进行修复, 而启动修复的问题至今还没有得到完美的解决方法。有采用加热方法, 通电SMA启动, 通过容器与混凝土力学性能相匹配而进行机械力学启动等, 在实际应用中都是有难度的。

2) 胶粘剂的选择, 目前已经有一些愈合效果较好的胶粘剂, 但是并非理想, 环氧树脂效果好但是双组分给实际应用带来了不可忽略的问题。

3) 容器的选择。首先是容器的材料, 目前有采用玻璃, 也有采用光纤, 主要还是要与混凝土力学性能匹配, 并且不会对混凝土构件强度产生不利影响。然后是容器的形状, 如何能使修复试剂更快更充分地达到需要修复的位置, 并且方便施工, 这些都是是需要进一步改进的。

4) 修复剂只能一次性使用, 当二次受损将不具有自愈合的性能。

摘要：所谓自愈合是指当混凝土结构开裂其本身会自动修复裂缝。本文介绍了混凝土裂缝自愈合的相关研究, 包括对混凝土天然愈合能力的研究, 仿生自愈合的研究及在水泥基中掺入特殊材料实现自愈合的研究。然后进行了总结分析并对这一领域的研究进行了展望。

关键词：自愈合,天然愈合能力,仿生自愈合,水泥基

裂缝自愈合篇2

混凝土结构的完整性是保证混凝土建筑物正常服役的基础,裂缝的产生及发展将直接导致强度下降、抗渗性降低,严重影响其耐久性,有效修复结构混凝土裂缝是提高结构耐久性的重要手段。

混凝土裂缝矿物自愈合性能早已被人们发现,并逐渐成为研究热点。混凝土裂缝矿物自愈合的内因已被清晰地揭示[1,2],但是,影响混凝土裂缝矿物自愈合的外界因素复杂,温湿度、所处环境等都会影响其自愈合效果。杨英姿[3,4]通过试验研究指出,混凝土裂缝矿物无论经历哪种自愈合方式,都必须以水分存在为前提,即潮湿环境或水中养护是混凝土裂缝矿物自愈合发生的先决条件;E.Schlangen等[5]研究养护条件和试件预裂时间对混凝土自愈合性能的影响时指出,与单纯的CO2氛围或水氛围相比,干湿循环条件更有助于混凝土抗弯刚度的恢复,有利于混凝土裂缝矿物自愈合的进行;Yu Zhu等[6]通过试验研究表明,适当提高环境温度可以促进胶凝材料的水化,增强界面粘结性,提高混凝土裂缝矿物自愈合能力;Stefan Jacobsen等[7,8]探讨了水冻融循环损伤、水养护自愈合条件与气冻水融循环损伤、饱和Ca-(OH)2溶液养护自愈合条件下的混凝土裂缝矿物自愈合能力,试验表明,后者混凝土试件的抗氯离子渗透性能明显优于前者混凝土试件,说明后者混凝土试件的裂缝矿物自愈合性能更好。

如前所述,关于混凝土裂缝矿物自愈合性能研究中,大多数研究者采取清水和饱和Ca(OH)2溶液养护,但是混凝土应用环境复杂,处于海洋环境中的已开裂混凝土,其愈合程度受各种盐溶液的影响。而对这种环境下混凝土裂缝矿物自愈合能力的探讨极少,有必要通过进一步研究加以完善。因此,本试验探讨了人工模拟5.0%硫酸钠环境下,粉煤灰、预加载程度、短期自愈合养护龄期对混凝土裂缝矿物自愈合的影响;通过相对动弹模量和抗压强度变化,研究混凝土裂缝矿物自愈合能力;通过微观测试,分析5.0%硫酸盐环境中混凝土裂缝矿物自愈合产物成分。

1 实验

1.1 原材料

P.I 42.5基准水泥和粉煤灰技术指标分别见表1和表2,粉煤灰的需水比94.8%;聚羧酸高效减水剂的固含量为20%,减水率为23%;细砂的细度模数为1.9;碎石粒径为5~25mm;自配5.0% Na2SO4溶液;拌合水为自来水。

1.2 试验方案

实验设计了两种混凝土,一种是胶凝材料全部用基准水泥的空白混凝土(表3中的试样C),一种是内掺30%粉煤灰的粉煤灰混凝土(表3中的试样CF)。混凝土配合比设计见表3,水胶比0.4,粉煤灰掺量30%,砂率40%,混凝土设计强度C50。为探讨粉煤灰掺量对混凝土裂缝矿物自愈合的影响,采用P.I42.5基准水泥制备对比试样(空白混凝土);采用单轴预加载,加载程度为分别加载至混凝土试样28d抗压强度的0%、60%、80%、100%,持荷60s后卸载,再进行自愈合养护。

考虑两种自愈合养护环境———清水养护和5.0%Na2SO4溶液养护。测试计算混凝土试样预加载前、预加载后,以及养护过程中的相对动弹模量的变化,养护过程中,每隔7d测试一次,自愈合养护28d后结束测试;为表征混凝土自愈合前后力学性能变化,在预加载损伤前和自愈合养护过程结束后,对抗压强度进行测试;对掺30%粉煤灰水泥净浆试件进行预加载至出现裂纹,自愈合养护28d后进行微观测试(XRD、SEM、EDS),分析5.0%硫酸盐环境中混凝土裂缝矿物自愈合产物的成分。

2 结果及讨论

2.1 混凝土矿物自愈合的规律

2.1.1 预加载程度对混凝土矿物自愈合过程的影响

不同预加载程度下,混凝土裂缝矿物自愈合过程用相对动弹性模量表示。自愈合前后相对动弹模量随养护龄期的变化趋势如图1所示。

由图1可知,随预加载程度的增加,混凝土试件养护28d时的相对动弹模量恢复值渐小,而恢复幅度逐渐增大,预加载60%和80%时,相对动弹模量都能恢复至95%以上,部分加载60%的混凝土试件,其相对动弹模量甚至略高于无预加载的混凝土试件;预加载100%时,比较自愈合养护前的相对动弹模量,空白混凝土试件的相对动弹性模量在清水中提高幅度较小,仅提高约45%,5.0%Na2SO4溶液中30%粉煤灰混凝土试件提高幅度较大,提高约60%。

预加载程度较小时,产生的裂纹尺寸小、数量少,经过矿物自愈合过程,微裂纹可以完全愈合;随着加载损伤程度的增大,产生更多裂缝或增大了裂缝面积;虽然增加了未水化胶凝材料的暴露面积,且混凝土材料内外联通的通道也随损伤程度的增大而增多,也便于外部养护溶液进入混凝土内部,为裂缝自愈合提供有利条件,但是,混凝土矿物自愈合裂缝尺寸有上限,矿物自愈合对大裂纹作用微弱,尽管相对动弹模量恢复幅度较大,相对动弹模量值却难以完全恢复[12]。

2.1.2 自愈合环境对混凝土矿物自愈合过程的影响

比较图1(a)、(c)可知,在相同预加载损伤程度下,在5.0%Na2SO4溶液中的空白混凝土试件相对动弹模量恢复幅度比清水中的空白混凝土试件高,预加载60%和80%时,二者大约都提高了3%,预加载100%时,大约提高了10%。

比较图1(b)、(d)可知,在5.0%Na2SO4溶液中,预加载60%和80%条件下,30%粉煤灰混凝土试件相对动弹模量恢复幅度与清水中混凝土试件非常接近,相同加载程度下的混凝土相对动弹模量恢复幅度相差小于1%;预加载100%后,自愈合养护于5.0%Na2SO4溶液中的30%粉煤灰混凝土试件相对动弹模量恢复幅度比清水中的同种混凝土试件提高约6%。

2.1.3 粉煤灰对混凝土矿物自愈合过程的影响

比较图1(a)、(b)可知,预加载60%和80%时,在清水中自愈合养护28d,30%粉煤灰的掺入对混凝土相对动弹模量恢复幅度影响较小,相同预加载程度下,混凝土相对动弹模量恢复幅度均小于1%;预加载100%时,30%粉煤灰混凝土试件的相对动弹模量恢复幅度比空白混凝土试件大约高出10%。

比较图1(c)、(d)可知,预加载60%和80%时,在5.0%Na2SO4溶液中养护28d,30%粉煤灰的掺入对混凝土相对动弹模量恢复幅度影响较小,相同加载强度下,混凝土相对动弹模量恢复幅度仅相差2%左右;预加载100%时,30%粉煤灰混凝土试件的相对动弹模量恢复幅度比空白混凝土试件大约高6%。

不论清水养护还是5.0%硫酸盐溶液养护,混凝土试件加载损伤程度较小时,掺30%粉煤灰对混凝土裂缝矿物自愈合影响较小;当混凝土试件加载损伤增大到一定程度时,掺30%粉煤灰对混凝土裂缝矿物自愈合更能起到一定的促进作用,提高自愈合性能。

混凝土破坏后,未水化胶凝材料暴露于养护溶液中,水化活性较低的粉煤灰与Ca(OH)2反应继续水化,又由于浓度差的存在,断面处会不断析出Ca(OH)2,对混凝土裂缝矿物自愈合有积极作用;但是,当加载损伤程度较小时,未水化胶凝材料暴露量较少,相同加载程度的混凝土相对动弹模量恢复程度差异并不明显,随加载损伤程度增加,更多未水化胶凝材料暴露,对混凝土裂缝矿物自愈合程度影响差异增大[11]。

2.1.4 自愈合养护龄期对混凝土矿物自愈合过程的影响

预加载损伤混凝土自愈合养护过程中,未水化胶凝材料遇水继续水化,加之裂缝处自愈合产物的沉积作用,随着自愈合养护龄期的增长,混凝土试件相对动弹模量逐渐增大,28d自愈合养护龄期后,加载60%的混凝土试件其动弹性模量几乎可以完全恢复;加载80%的混凝土试件的相对动弹模量能恢复到95%以上,加载100%的混凝土试件相对动弹模量也能恢复到80%以上。

此外,随自愈合养护龄期的增长,混凝土试件相对动弹模量恢复速率逐渐减小,自愈合养护21d前,裂缝处未水化胶凝材料量和Ca(OH)2浓度较大,胶凝材料的继续水化作用和CaCO3生成较为剧烈,相对动弹模量恢复速率较大;自愈合养护21d后,裂缝表面已经被自愈合产物覆盖,因为Ca-(OH)2浓度差的存在,自愈合进程主要由Ca2+扩散作用控制,进程相对缓慢,相对动弹模量恢复速率较小。这一趋势表明,当达到一定自愈合养护龄期时,混凝土试件相对动弹模量将达到一个稳定值,混凝土矿物自愈合作用将不再明显。

2.2 自愈合前后混凝土抗压强度变化

混凝土自愈合前后抗压强度的变化用相对抗压强度值表示,相对抗压强度可以反映混凝土在自愈合养护后的力学性能恢复程度,其值越大,混凝土试件抗压强度恢复程度越好。

图2为混凝土自愈合前后相对抗压强度变化。由图2可知,自愈合28d养护龄期时,混凝土相对抗压强度随着预加载程度的增加而降低。混凝土试件加载60%时,养护溶液和粉煤灰对混凝土裂缝矿物自愈合影响较小,相对抗压强度均在95%左右;混凝土试件加载80%时,粉煤灰对混凝土相对抗压强度影响不明显,养护溶液对混凝土相对抗压强度有一定差异,5.0%Na2SO4溶液中混凝土试件相对抗压强度高于清水中混凝土试件,前者相对抗压强度在90%左右,后者相对抗压强度在85%左右;加载100% 时,5.0%Na2SO4溶液中混凝土试件相对抗压强度同样优于清水中混凝土试件,5.0%Na2SO4溶液中空白混凝土相对抗压强度比清水中空白混凝土高5%左右,5.0%Na2SO4溶液中30%粉煤灰混凝土相对抗压强度比清水中30%粉煤灰混凝土高3%左右,此外,掺加30%粉煤灰对混凝土相对抗压强度提高起到了促进作用,清水中30%粉煤灰混凝土试件相对抗压强度提高了7%,5.0%Na2SO4溶液中30%粉煤灰混凝土试件相对抗压强度提高了5%左右。

混凝土预加载程度较小时,大部分损伤可以在短时间内通过矿物自愈合完全修复,养护溶液和粉煤灰对相对抗压强度影响较小;加载损伤程度较大时,矿物自愈合现象仅在部分微裂纹处发生,尽管粉煤灰的火山灰效应对相对抗压强度起到一定的贡献作用,混凝土试件抗压强度值却不能完全恢复[11,15];相比于清水中的混凝土试件,硫酸盐溶液对胶凝材料水化起促进作用[16,17],自愈合养护过程中硫酸根离子参与水泥水化产生更多的水化产物,更助于混凝土抗压强度的恢复。

2.3 水泥净浆微观测试分析

自愈合养护28d后,水泥净浆裂缝处产生白色沉淀物(见图3),与清水养护净浆相比,5.0%Na2SO4溶液中水泥净浆裂缝处白色沉淀物相对较少,但裂缝已基本被完全填充。针对清水养护和5.0%Na2SO4溶液养护的自愈合水泥净浆试件,提取裂缝表面结晶产物进行XRD、SEM、EDS微观测试,分析2种养护溶液中裂缝矿物自愈合产物成分。

2.3.1 XRD测试分析结果

由图4分析可知,清水养护的水泥净浆裂缝中的矿物自愈合物质主要是碳酸钙和少量氢氧化钙;5.0% Na2SO4溶液养护的水泥净浆裂缝中的矿物自愈合物质主要是碳酸钙和少量钙矾石。比较图4(a)和图4(b)的衍射峰强度可以发现,清水养护中的水泥净浆矿物自愈合产物中的碳酸钙含量相对较高,但是5.0% Na2SO4溶液养护的混凝土矿物自愈合后的相对动弹模量优于清水养护的混凝土,因此,硫酸钠在混凝土矿物自愈合过程中起到了促进作用。

2.3.2 SEM/EDS测试

为了探究不同溶液中不同组成混凝土裂缝自愈合产物,采用SEM对裂缝处的填充产物进行定量形貌观察,并用EDS对微区的元素含量进行了分析。

借助能谱(EDS)对清水养护水泥净浆裂缝自愈合产物SEM形貌进行观察,SEM图像(见图5(a))中A点的微区成分分析显示,矿物自愈合物质微区中的元素主要有C、O、Ca,原子数比Ca∶C∶O约1∶1.4∶3.2(见图6),元素Si、Al、Na、S含量极少,说明自愈合产物主要成分是碳酸钙。由图5(a)可看出,自愈合产物中可看到大量的方解石晶体,对自愈合产物放大20000倍(见图5(b))并未观察到其它晶体形貌。

借助能谱(EDS)对SEM图像(见图7(a))中的B点进行微区成分分析发现,矿物自愈合物质微区中的元素主要有C、O、Ca,还有少量的Si、Al、Na、S(见图8),根据XRD分析,表明自愈合产物主要成分是碳酸钙和少量钙矾石,还可能含有CSH凝胶和硫酸钠晶体。由图7(a)可看出,自愈合产物中可看到大量的晶型为方解石的结晶体,对自愈合产物放大20000倍(见图7(b)),还可观察到针状的钙矾石。

比较图5(a)和图7(a)发现,清水养护中的水泥净浆裂缝自愈合产物成分中的碳酸钙晶体更大,主要是硫酸钠溶液中碳酸钙的溶解度更大,清水中更有利于碳酸钙的结晶沉淀[18],但试验数据显示,硫酸盐溶液中混凝土相对动弹模量和抗压强度恢复性能优于清水溶液中混凝土,表明硫酸盐促进胶凝材料水化和结晶膨胀物的生成对混凝土矿物自愈合的促进作用强于硫酸盐促进碳酸钙晶体溶解所带来的抑制作用。

3 结论

(1)相对清水养护自愈合环境,硫酸盐溶液对预加载混凝土相对动弹模量和抗压强度的恢复具有促进作用,表明硫酸盐环境中更有利于混凝土裂缝矿物自愈合。

(2)粉煤灰对硫酸盐环境中混凝土裂缝矿物自愈合的影响因预加载程度的不同而不同,当加载预损伤程度较小时,是否掺加粉煤灰并不会明显改变混凝土裂缝矿物自愈合程度,当加载损伤程度增大时,30%粉煤灰的掺入会适当提高混凝土裂缝矿物自愈合程度。

(3)硫酸盐环境中,随着预加载程度的增大,混凝土矿物自愈合程度逐渐降低,预加载小于抗压强度的80%时,相对动弹模量几乎可以完全恢复,相对抗压强度也能达到90%以上,预加载达到抗压强度的100%时,相对动弹模量和相对抗压强度都有明显降低。

(4)自愈合养护龄期结束后,混凝土抗压强度都得到一定程度的恢复,且随自愈合养护龄期的增加,预加载混凝土相对动弹模量逐渐增大,但增大速率会逐渐降低,混凝土相对动弹模量最终将趋于稳定,混凝土矿物自愈合作用不再明显。

沥青混合料疲劳自愈合特性研究篇3

关键词：道路工程,沥青混合料,四点弯曲疲劳试验,自愈特性,影响因素

1 概述

沥青混凝土路面以其强度高、舒适性好等优点而广受道路建设者的青睐。然而近年来, 我国高等级公路沥青路面的破坏问题日益显现, 其中疲劳开裂已成为沥青路面破坏的主要形式之一[1]。研究表明[2,3,4], 在一定条件下粘弹性的沥青混凝土具有一定的疲劳损伤自愈合能力。研究人员在实验室研究愈合方面已经做了大量的试验, 证明了沥青自愈合现象的存在以及其对沥青混合料疲劳性能的重大影响[5,6]。通常现场观察到的路面疲劳性能与实验室试验有显著的区别。尽管导致这种差异的原因可能是多方面的, 但试验中被忽视的沥青材料的自愈性能具有显著的影响。瑞典皇家工学院道路和铁道工程研究所的Butt等人[7]调查表明, 沥青的自愈潜能还没有在路面寿命预测中考虑, 也没有考虑到它对养护计划及能源消耗的影响。

目前国内外对沥青混合料的疲劳自愈特性研究已有一定的成果, 但还不够系统全面, 且研究者采用的试验材料不同, 与我国实际使用情况也不一致。国内外在沥青混合料设计时较少考虑混合料的自愈合能力, 偏于保守的工程设计, 导致混合料出现空隙率过低、泛油严重、成本浪费等问题, 因此有必要对沥青混合料自愈合能力进行系统研究。

2 试验概况

本文通过四点弯曲疲劳试验, 采用“疲劳-愈合-再疲劳”的试验方式和单因素对比的分析方法, 探究了养护时间 (2 h、4 h、6 h) 、温度 (15℃、35℃、50℃) 、集料级配 (AC-13、PA-13) 及沥青胶结料种类 (70#、SBS) 对沥青混合料的自愈合能力的影响。

2.1 原材料

研究采用70#道路石油沥青及SBS改性沥青, 采用常见的AC-13型密级配沥青混凝土和PA-13型开级配沥青混凝土, 通过马歇尔试验确定最佳沥青用量分别为5.3%和4.8%。采用轮碾法制作车辙板, 切割成型。

2.2 试验方案

为探究养护时间、温度、集料级配及沥青胶结料种类对沥青混合料疲劳自愈合能力的影响, 试验共制备了7组小梁试件:70#沥青制备的AC-13型1组;SBS改性沥青制备的AC-13型3组;SBS改性沥青制备的PA-13型3组。每组试件有3个平行试件 (若3次测定值的变异系数不大于20%, 取其中最接近平均值的一组数据作为测量结果, 否则增加试件数量, 直到满足要求为止) , 采用“疲劳-愈合-再疲劳”的试验方式, 即将试件在应变控制模式下进行试验, 弯曲劲度模量降低到初始弯曲劲度模量的50%, 制作受损试件。受损后, 引入间歇期, 设定不同的愈合时间与环境温度, 待达到愈合时间后, 开始第二次疲劳测试, 弯曲劲度模量降低到初始弯曲劲度模量的50%, 即为破坏, 结束试验。四点弯曲疲劳试验的原材料和试验条件见表1。

3 自愈合评价指标的选择

为了定量评价沥青混合料的自愈能力和各种因素对沥青混合料自愈性的影响, 首先需要确定合理的自愈性评价指标。目前, 研究者们主要通过比较间歇前后沥青性能的变化 (模量、相位角等) [8,9], 评价沥青的自愈性, 以间歇前后模量或相位角的变化率作为自愈性评价指标, 如式 (1) 所示。类似地, 对于沥青混合料, 也可以从模量或相位角的角度来评价沥青自愈性。

式中:HI为愈合指数;为间歇后动态模量;为间歇前动态模量。

沥青混合料是典型的粘弹性材料, 在荷载作用下, 应力和应变关系呈非线性关系, 劲度模量可以描述沥青混合料处于粘弹状态下的力学特性[10]。加载过程中使模量下降的因素有:损伤、空间软化和发热;愈合过程使模量上升的因素有:损伤恢复、空间硬化和冷却。其中, 空间硬化和冷却会导致劲度模量的快速增加, 但从损伤角度来看, 劲度模量的增加没有物理意义。因此, 通过式 (1) 简单地比较沥青混合料愈合前后模量恢复的大小来判断其自愈合效果, 不能确定总愈合中和损伤相关的愈合, 即没有除去愈合数据中空间硬化和冷却的影响, 以确定总愈合中恢复的纯损伤;并且该指标不能反应沥青混合料抵抗荷载作用的恢复能力。

间歇前后沥青混合料疲劳曲线的变化情况能够反映沥青混合料的自愈性能, 间歇后的疲劳曲线越接近间歇前的曲线, 表示其自愈能力越强。通过比较间歇前后疲劳曲线的接近程度, 在愈合过程中由于空间硬化和冷却造成的模量上升会在再次疲劳试验的加载过程中抵消掉, 不需要区分总愈合中和损伤相关的愈合, 因此更加精确, 并可以反映沥青混合料抵抗荷载作用的恢复能力。

因此, 定义损伤速率D (damage) 为劲度模量随加载时间衰减曲线的斜率。具体计算公式如下:

式中:D为到达设定疲劳破坏比例 (本文为50%) 时对应的模量损伤速率;S0为初始劲度模量;St为终止劲度模量;t为劲度模量数由S0变化到St所需的时间。

损伤速率D值越大, 表明沥青混合料劲度模量衰减越快。每一条劲度模量衰减曲线都对应了一个D值, 将间歇前后沥青混合料模量曲线的D值相比较就可以直观评价不同影响因素对沥青混合料自愈合能力的影响。在此基础上, 可以利用相应的结果指数, 也就是愈合指数HI来表征在给定的愈合时间条件下, 沥青混合料微结构的重建效果。愈合指数越大表示沥青混合料自愈合效果越好, 愈合指数HI为1, 表明沥青混合料的性能完全恢复。愈合指数HI定义为愈合前损伤速率与愈合后损伤速率的比值[11], 具体计算公式如下:

如图1所示, 在15℃, 500με的试验条件下, 首先对AC-13型基质沥青混合料进行疲劳测试, 待其劲度模量衰减至初始值的50%时立即停止疲劳测试, 引入间歇期也就是愈合时间。到达设定时间后 (本次试验为2 h) , 立即开始疲劳测试, 也就是历经愈合期之后的再疲劳测试。图中实线表示在引入愈合时间之前, 基质沥青混合料试件劲度模量衰减至初始模量值的50%时对应的损伤速率;箭头表示经过2 h的愈合时间 (15℃下) , 试件恢复的劲度模量值;虚线表示在引入愈合时间之后, 基质沥青混合料试件劲度模量衰减至初始模量值的50%时对应的损伤速率。在下文分析温度、养护时间、混合料级配以及沥青材料本身性质对沥青混合料自愈合效果的影响时, 将利用以上提出的评价指标。

4 试验结果与分析

4.1 养护温度影响

沥青是温度敏感性材料, 不同温度下检测得到的沥青混合料疲劳寿命是有差异的[12]。本文将AC-13型SBS改性沥青混合料受损小梁试件放置在不同温度的恒温烘箱中保温2 h, 然后在试验温度15℃下放置4 h, 进行再次疲劳试验, 研究沥青混合料在不同养护温度下的自愈合效果, 试验结果见表2。

注:AC.SBS-1表示试件AC.SBS-1劲度模量衰减至初始劲度模量70%时制作的受损试件;AC.SBS-1-15℃表示受损试件AC.SBS-1在15℃下养护2 h后的试件;其他试件代号类似;愈合指数HI15℃=0.598, HI35℃=0.662, HI50℃=0.742。

由表2可以看出, AC-13型SBS改性沥青混合料愈合指数随着养护温度的提高而提高, 即愈合效果随养护温度的提高而更加明显。在一定温度范围内, 此时沥青还未老化, 流动范围有限, 温度越高, 分子活性越大, 扩散能力越强, 对于填补裂缝以及黏结集料表面都有一定的促进作用。由于本次试验只进行了15℃、35℃、50℃下的保温措施, 结果只能表明在15~50℃这个范围内, 沥青混合料自愈合效果随养护温度升高而提升, 并非越高越好。分析可知:随着温度的增加, 沥青会逐渐变软, 固态的沥青会变为一种固-液二相胶体材料, 胶体中液态部分的结合性能比固体材料要强很多, 因而温度的升高会有利于沥青混合料的自愈合, 但沥青在过高的温度下会产生老化, 轻质组分变少, 沥青质增加, 会导致沥青变硬, 延展度变差, 疲劳性能则会相应有所下降, 从而影响其自愈合的效果。

4.2 时间影响

沥青混合料是典型的粘弹性材料, 具有时间依赖性, 其自愈特性同样受时间影响。PA-13型SBS改性沥青混合料不同养护时间下“疲劳-愈合-再疲劳”测试结果见表3 (均在15℃下养护) 。

由表3可知, PA-13型SBS改性沥青混合料愈合指数随着养护时间的增加而提高。沥青混合料在前期的养护时间内愈合速度更快, 随着时间的增加, 趋于缓慢。沥青混合料疲劳损伤可归结于重复荷载作用下沥青混合料内部裂纹萌生与扩展, 在裂纹萌生与扩展过程中, 伴随着裂纹区域的应力松弛以及为降低裂纹表面能自发进行的界面自愈合[13]。若能在荷载作用中引入休息期, 将大大降低沥青混合料内部裂纹产生与发展的速率, 延长沥青混凝土的疲劳寿命。因此, 沥青混合料的自愈合效果将随养护时间的增加而增加。

注:PA.SBS-1-2 h表示受损试件PA.SBS-1在15℃下养护2 h后的试件, 其他试件代号类似, 愈合指数HI2h=0.638, HI4h=0.745, HI6h=0.788。

4.3 集料级配影响

级配类型不同导致沥青混合料的空隙率不同, 其疲劳性能也有差异。Monismith[14]认为由于密级配沥青混合料劲度模量大, 空隙率小, 因此密级配沥青混合料较开级配沥青混合料的疲劳性能好。但集料级配对混合料自愈合能力的影响尚无研究, 本文比较了在工程实践中常见的两种集料级配AC-13型和PA-13型沥青混合料的自愈合能力, 将试件代号为AC.SBS-1与PA.SBS-1的愈合结果进行汇总, HIAC-13=0.598, HIPA-13=0.638。

由此可以得到, PA-13型级配的沥青混合料在养护温度为15℃和养护时间为2 h的相同养护条件下, 其愈合指数要比AC-13型沥青混合料略高一点, 说明PA-13型级配的沥青混合料比AC-13型的自愈合效果更佳。AC-13型沥青混合料为密实型混合料, 集料表面积较大, 结构沥青在全部沥青用量中所占比重较大, 可以获得更大的颗粒黏着力, 因而强度更高;但自由沥青在全部沥青用量中所占比重较小, 密实型混合料孔隙率小, 沥青流动性差, 在疲劳破坏后, 不能很好地移动填入混凝土孔隙, 重新黏结集料。PA-13型沥青混合料与AC-13型沥青膜厚正好相反, 其自由沥青所占比重大, 流动性更好, 因而在疲劳破坏后, 能更好地粘结集料, 重新获得强度, 具有更好的自愈合能力。

4.4 沥青胶结料种类影响

使用改性剂是改善沥青混凝土使用性能的重要手段, 研究表明SBS改性沥青可以大大改善沥青混合料的疲劳性能[15]。但尚无专门针对基质沥青和改性沥青混合料自愈合能力的研究, 本文比较了同种级配 (AC-13型) 下70#基质沥青和SBS改性沥青混合料的疲劳自愈合能力, 试验结果见表4 (均在15℃下养护2 h) 。

注:愈合指数HI70#=0.788, HISBS=0.548。

由表4可以得到, 采用70#基质沥青制备的AC-13型沥青混合料的愈合指数比SBS改性沥青制备的高。SBS改性沥青混合料的使用性能及疲劳寿命高于基质沥青混合料, 但并不能说明其损伤后, 自我愈合恢复的能力要强于基质沥青混合料。SBS改性剂为高分子聚合物材料, 试验研究证明, SBS聚合物-沥青为多项混合体系。SBS微粒能吸收沥青中的饱和酚和芳香酚而溶胀。这是因为SBS和沥青混合之后, 由于二者在表面张力、粘度和分子量等方面相差悬殊, 所以SBS不可能完全溶胀并扩散于沥青中, 与沥青成为一相而实现共混或互溶, 它只能以一定尺寸的粒子分散于沥青中 (一般剂量不超过5%时) [16]。Phillips[17]将沥青的自愈合过程分为3步: (1) 沥青具备流动性, 在一定应力条件下能够使宏观裂缝闭合 (“润湿机理”) ; (2) 当距离小到一定程度时, 裂缝的两个面会在表面能的驱使下闭合; (3) 沥青大分子链的扩散、缠结引发材料的力学性能的恢复 (“扩散机理”) 。通过以上分析可知, SBS改性沥青在受损后, SBS改性剂阻碍了沥青分子的运动, 沥青分子流动性劣于基质沥青分子, 而自愈就是沥青分子流动、重新黏结集料, 力学性能恢复的过程。但是这样的结论似乎有违于对SBS改性沥青的认识和实际经验 (SBS改性沥青混合料的疲劳性能大大优于基质沥青混合料) 。经过分析和资料检索发现, 沥青混合料的自愈分为短期自愈和长期自愈, Qiu等人[18]的研究表明:改性沥青在休息期初期 (50~90 min) 的自愈能力确实低于基质沥青, 但随着时间推移, 改性沥青的自愈能力逐渐超过基质沥青。Bhasin[19]认为沥青的短期自愈与“润湿机理”有关, 而长期自愈与“扩散机理”有关。本研究中休息期为2 h, 可以认为是短期自愈。因此, 70#基质沥青制备的AC-13型沥青混合料的短期自愈合能力优于SBS改性沥青混合料。在进一步的研究中, 可增加休息期时间, 深入研究SBS改性沥青混合料与基质沥青混合料的自愈能力。

4结论

(1) 定义了愈合指数HI作为评价沥青混合料疲劳损伤愈合程度的指标, 其不依赖于试件个体的模量高低, 可以反映出沥青混合料自愈合能力的高低。

(2) 在一定温度范围内, 沥青混合料的愈合程度, 随养护温度提高而提高。

(3) 沥青混合料的愈合程度呈时间依赖性, 同样条件下, 愈合时间越长, 愈合指数HI越大, 同等疲劳破坏比例下沥青混合料模量恢复程度越高, 表明愈合效果越好, 且初期愈合效果更明显。

(4) 在同样条件下, PA-13型沥青混合料自愈合能力优于AC-13型沥青混合料。

(5) 在同样条件下, 用70#基质沥青制备的AC-13型沥青混合料, 其短期自愈合能力优于用SBS制备的AC-13型沥青混合料。

混凝土损伤自愈合能力影响因素篇4

1.1 实验原料

水泥:P·O42.5普通硅酸盐水泥;

矿粉:S95矿粉;

粉煤灰:II级粉煤灰;

粗骨料:5～25 mm连续级配花岗岩碎石, 符合JGJ52-2006的要求;

细骨料:符合JGJ52-2006要求的细度模数为2.4的中砂, 含泥量为2%;

外加剂:聚羧酸系高性能减水剂, 1.5%掺量时的减水率约为30%。

1.2 实验方法

按照不同的水灰比和砂率配制尺寸为100mm×100 mm×100 mm的混凝土试件, 水灰比分别为0.40、0.45、0.50、0.55、0.65, 将配制好的混凝土试件放入标准养护室 (温度20±1℃, 湿度为95%) 养护至28 d, 测定其抗压强度并预制裂纹, 预制裂纹的试件再养护28 d后测定其抗压强度, 愈合前后的抗压强度变化表征混凝土损伤的自愈合能力。

2 结果分析

2.1 水灰比对混凝土损伤愈合前后抗压强度的影响

不同水灰比与混凝土愈合前后抗压强度和自愈合能力的关系如图1和图2所示。由图1、图2可知, 在水灰比为0.4、0.45、0.5、0.55和0.6情况下的混凝土损伤愈合前后抗压强度增长率分别为1.5%、2.2%、2.6%、9.3%和4.7%, 混凝土损伤愈合能力随着水灰比的增加表现为先增长后降低的趋势。当水灰比为0.55时, 混凝土损伤自愈合能力最强。但需要指出的是, 因为水灰比较高, 混凝土整体强度较低。当水灰比为0.55时, 混凝土内部存在部分残留水分, 混凝土受损产生裂纹后, 未水化的胶凝材料与残留水分接触, 进行水化, 填补裂纹等损伤, 裂纹进行自愈合。其次, 混凝土28 d水化完成后, 残留未进行水化的矿粉或者水泥粗颗粒, 经养护仍可水化, 填补损伤。因此, 水灰比较高条件下, 混凝土早期强度较低, 但可增强混凝土损伤的自愈合能力。

2.2 水灰比对混凝土试件损伤愈合前后超声波波速变化的影响

不同水灰比混凝土试件损伤愈合前后超声波波速的变化如表1所示。由表可见, 伴随水灰比的增加, 混凝土试件愈合前后超声波波速增长率表现为先增长后降低, 水灰比为0.55时增长率为22.3%, 超声波增长率达到最大, 表明自愈合能力最强, 研究结果与通过抗压强度得到的结果相同。

2.3 不同水灰比的混凝土试件损伤愈合后裂纹宽度分析

水灰比对混凝土损伤裂纹宽度的影响如图3 (a) 所示。由图3 (a) 可见, 不同水灰比条件下的混凝土试件损伤裂缝均有不同程度恢复;由图3 (b) 可以看出, 随水灰比的逐渐增加, 裂纹回复率呈现出先增大后减小的趋势, 当水灰比为0.55时最大, 为85.0%, 这与通过抗压强度和超声波波速变化分析得出的结论类似。

3 结论

通过抗压强度、超声波波速变化和混凝土裂纹损伤宽度等方面的测定结果, 研究了不同水灰比对混凝土损伤自愈合能力的影响。研究结果表明, 当水灰比为0.55的条件下, 混凝土的损伤自愈合能力最强, 但混凝土整体抗压强度较低。

摘要：混凝土所具有的脆性大且易开裂的缺陷, 直接影响混凝土的使用寿命。混凝土的自愈合性能可以在不影响混凝土结构尺寸和美观的条件下, 使混凝土的裂缝产生愈合, 从而恢复和提高混凝土的性能。介绍了不同的水灰比对混凝土自愈合性能的影响。研究结果表明, 水灰比为0.55时混凝土的自愈合能力最强。

关键词：混凝土,自愈合,裂缝,水灰比

参考文献

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[5]赵晓鸥, 周本濂.具有自修复行为的智能材料模型[J].材料研究学报, 1996, 10 (1) :101-104.

裂缝自愈合篇5

疲劳开裂是沥青路面应用过程中出现的主要问题之一，目前多采用力学法研究沥青路面的疲劳性能，构建沥青的疲劳模型，预测路面的疲劳寿命[1]。在构建沥青疲劳模型的过程中，沥青的自愈合性能是一个必须考虑的因素，受自愈合因素的影响，沥青路面的实际疲劳寿命通常大于实验室条件下的测试数据，因为在路面承受荷载的间歇期内，由荷载产生的微裂缝能自动愈合[2]。正确评价沥青的自愈合性能在沥青疲劳模型中所占的比重对于准确预测沥青路面疲劳寿命至关重要。

评价沥青自愈合性能在沥青疲劳模型中所占的比重，需对以下问题进行研究:

1)研究沥青的自愈合机理;

2)对沥青的自愈合性能进行定量评价;

3)发展合适的沥青自愈合性能测试方法。

本文以分子模拟技术作为主要分析工具，在沥青自愈合机理研究的基础上，选择两个在实验室条件下可以直接测得的指标，对能否用这两个指标评价沥青自愈合性能进行分析。

1 沥青自愈合机理研究

研究表明，沥青存在明显的自愈合特性，而且沥青的自愈合性能对沥青的疲劳寿命具有重要影响[3,4,5,6]。Bhasin[7]构建了沥青的自愈合模型，将沥青的自愈合分为润湿和本体愈合两个过程。润湿是指裂缝较宽时两个断裂面流动到一起的过程，本体愈合又可分为两个阶段，本体愈合第一阶段是指裂缝较窄(nm级)时断裂面重新接触到一起的过程，本体愈合第二阶段是指断裂面重新接触到一起之后力学性能随着时间增长的过程。沥青的润湿特性由其力学性能和表面自由能决定，本体愈合阶段的特性主要受断裂面处沥青分子的扩散性能影响，因为在断裂面位置，沥青分子存在浓度差，受布朗运动的影响，沥青分子会从高浓度处往低浓度处扩散，使沥青裂缝逐渐愈合，力学性能逐渐恢复。

沥青的性能主要由其化学结构决定，因此，准确理解沥青自愈合机理，需从沥青的化学结构着手。已有研究者对沥青化学结构与自愈合性能间关系进行研究，如Kim等[8]定义了两个参数CH2/CH3原子团比和氢碳原子比H/C来描述沥青的化学结构，研究沥青化学结构与自愈合性能间关系，CH2/CH3可用来表征沥青分子支链的长度和数目，CH2/CH3值越大，表示支链长度越长，支链的数量越少;H/C描述了沥青分子支链的数目，H/C值越大，支链数量越大。由于这两个参数可以从傅里叶红外分析中得出，因此可以通过试验手段测量。

Kim的研究表明具有较长支链且支链数目较少的沥青分子自愈合能力较好，Bhasin等采用分子扩散运动的观点解释了Kim的试验结论，沥青的自愈合性能与时间关系受沥青分子的扩散能力影响，沥青分子的扩散能力受扩散D系数决定，D可以由下式计算得出:

其中，r为分子在时间t内运动的距离。

沥青疲劳过程中产生大量的微裂缝，微裂缝的自愈合对沥青性能的恢复起主要作用，而当裂缝扩展到一定程度后愈合需要较长时间[9]，因此按照Bhasin的自愈合模型，沥青的本体愈合阶段特性决定沥青的自愈合性能，而沥青本体愈合阶段特性主要由沥青分子扩散能力决定，因此可以认为沥青分子的扩散能力决定沥青的自愈合性能。本文在Kim和Bhasin的研究基础上，运用分子模拟技术，构建沥青裂缝模型，以扩散系数作为沥青自愈合性能的评价指标，对采用H/C和CH2/CH3评价沥青自愈合能力的可行性进行研究，提高对沥青性能与化学结构间关系的认识，并探索利用分子模拟这种技术手段对沥青进行研究的可能性。

2 模型的构建与分析

运用分子模拟技术对沥青进行研究，首先需建立沥青的分子模型。目前有两种构建沥青分子模型的方法:第一种是建立沥青分子平均结构模型，如Jennings等[11]，利用SHRP计划的沥青分子结构的分析数据，构建了多种沥青平均分子结构模型;第二种是建立每一组分的平均分子模型，按每一组分的质量比组装在一起作为沥青的分子模型，如Zhang等[12]以沥青的三组分分析法为基础，将每一组分分子单独建模，组装在一起建立沥青分子模型。

本研究引用上述两种建模方法，对沥青化学结构与自愈合性能的关系进行分析，采用第一种方法构建分子模型时，引用了6种Jennings构建的平均分子模型，如图1所示，可以直接计算平均分子结构模型的H/C和CH2/CH3指标，采用第二种建模方法时，采用变化三组分质量比和饱和分分子链长度的方法取得不同的H/C和CH2/CH3指标，三组分比例和饱和分分子链长度如表1所示，最后通过分子动力学模拟取得H/C和CH2/CH3指标与沥青自愈合性能间关系。

3 构建裂缝模型

本研究的主要目的是采用分子模拟方法研究沥青的自愈合性能，因此需构建裂缝模型。首先在已达到平衡状态的沥青分子模型基础上扩展一定量空间，然后将分子模型在空间中复制，就得到了沥青裂缝模型，两个沥青分子模型的相邻面就是裂缝的断裂面，模型中每个沥青分子模型立方体的边长为3 nm，两个沥青分子模型的空间距离为4 nm。

将构建的沥青裂缝模型进行分子动力学模拟，提取模拟过程的轨迹文件，轨迹文件里包含了模拟过程中模型内原子的组态、运动速率、能态等随时间的变化值，从轨迹文件中可以计算出分子质心的均方位移，利用分子的均方位移采用上式可以计算分子的扩散系数，以评价沥青的自愈合性能。

选取与沥青自愈合性能最直接相关的断裂面区域分子作为研究对象，计算其扩散系数，但断裂面区域选择的大小不同，得出的平均扩散系数值也不相同，因为分子在沥青模型中所处的位置不一样，扩散系数存在差异。计算表明，模型中心处分子的扩散系数仅为断裂面处分子扩散系数值的1/3，本研究中仅计算断裂面处0.5 nm范围内分子的扩散系数值，因为不同沥青模型的尺寸是相同的，所以可以用裂缝周围固定范围内分子平均扩散系数值代表沥青模型的自愈合性能。

对模型进行1 000 ps的分子动力学模拟，这是分子模拟软件所能计算的时间尺度，在实际情形下，沥青的自愈合过程至少发生在分钟这个时间尺度上，因此根据化学变化的时温效应原理，在研究中提高模拟温度至800 K，使得我们在分子模拟的时间尺度范围内观测到沥青的自愈合全过程。

4 结果与讨论

采用分子动力学模拟方法，计算选定区域内沥青分子的扩散系数，表征沥青分子模型的自愈合性能。因为在构建模型时CH2/CH3和H/C值已经确定，所以可以得出分子的扩散系数与H/C和CH2/CH3值间关系。研究中采用了两种方法构建沥青的分子模型，分别是平均分子结构建模法和三组分建模法，对两种模型自愈合性能与分子结构指标间关系分别进行研究。

4.1 平均分子结构建模法

采用SHRP计划中沥青平均分子结构构建的沥青分子模型H/C和CH2/CH3值与扩散系数关系如图2和图3所示。

CH2/CH3值表达的是分子支链长度和数目信息，CH2/CH3值越大，表示沥青分子支链越长，支链越少，由图2可以看出，断裂面处分子的扩散系数值随着CH2/CH3值的升高而增大。H/C值越大，表示分子支链越多，由图3可以看出，随着H/C值的增大，扩散系数降低，图2与图3表示出相同的规律，并且与Kim等的试验结论相同。

4.2 三组分建模法

采用三组分建模法构建的沥青分子模型CH2/CH3和H/C值与扩散系数关系如图4和图5所示。由图4和图5可以看出，采用三组分建模法构建的沥青分子模型分子扩散系数随CH2/CH3和H/C值的变化规律与采用平均分子模型法构建的沥青分子模型相同，都是随着CH2/CH3值的升高而增大，随着H/C值的增大而减小，这也与Kim等的试验结果相同，说明H/C和CH2/CH3值可以作为衡量沥青自愈合性能的指标。

5 结语

本文以分子模拟作为分析工具，对沥青自愈合性能与化学结构的关系进行研究，分析利用CH2/CH3和H/C值作为评价沥青自愈合性能指标的可行性。研究结论表明，沥青自愈合性能与CH2/CH3和H/C值存在明显的线性关系，且变化趋势与Kim等的试验结果相同。因此研究认为可以采用CH2/CH3和H/C值评价沥青的自愈合性能，由于这两个指标可以直接从傅里叶红外分析试验中获得，所以这种评价方法具有较好的实用价值。

摘要：以分子模拟作为研究手段,对采用化学结构指标H/C和CH2/CH3值作为沥青自愈合性能评价指标的可行性进行了分析,研究结论表明,采用两种不同建模方法构建的沥青分子模型的CH2/CH3和H/C值都与沥青的自愈合性能表现出较好的线性关系,且与试验结论的趋势相同,因此认为可以用CH2/CH3和H/C值作为沥青自愈合性能的评价指标。

裂缝自愈合篇6

沥青混合料的疲劳开裂是指在重复荷载作用下其力学性能逐渐衰减, 疲劳裂纹不断产生、发展, 最终汇集贯通成宏观裂缝直至破坏的行为历程, 而沥青混合料自愈合则指混合料在一定条件下通过自身作用使得混合料强度、刚度的恢复以及疲劳寿命的延长, 它是疲劳破坏的逆过程[1]。

自1967年Bazin等[2]发现沥青混合料具有自愈特性以来, 沥青混合料自愈合性能研究受到道路科研工作者的广泛关注, 人们希望能够弄清沥青混合料自愈合的形成机理和影响因素, 找到合适的方法提升沥青混合料的自愈能力, 以抵抗沥青混合料的疲劳开裂, 延长沥青路面的服务寿命。目前, 国内外学者的成果内容主要集中在损伤愈合行为特征理论、损伤愈合影响因素、损伤愈合性能评价及提高方法等方面。

1 损伤愈合行为理论

自愈合行为理论一直被认为是沥青混合料自愈合研究的基础工作。根据现有研究成果, 沥青混合料自愈合行为理论主要有基于裂缝表面能、基于裂缝表面分子扩散与基于毛细流理论三种。三种理论试图从不同的角度去解释沥青混合料的损伤愈合行为, 取得了一定的效果, 但由于沥青混合料损伤愈合特性形成机理极其复杂, 三种理论解释都存在较大的局限性。

Schapery基于裂缝表面能提出了断裂力学基本方法, 用以解释沥青混合料的自愈合行为, 认为沥青混合料自愈的动力为裂缝表面能的降低[3]。在裂缝表面能理论中, 沥青混合料的疲劳开裂和愈合表现为混合料中的裂缝表面积变化。混合料在产生裂缝的过程中, 由于拉伸蠕变作用所耗散的能量转变为新裂缝的表面能, 而裂缝的自愈合过程是它的逆过程, 促使这种逆过程的动力则为混合料裂缝表面能的降低。此种理论较好地从能量角度解释了混合料自愈特性产生的原因, 但是断裂力学多应用于脆性材料, 对于沥青混合料这种复杂的粘弹性材料应用具有局限性, 同时也不能解释混合料愈合的发展过程和发展规律。

裂缝表面分子扩散理论从沥青分子扩散的角度将混合料的愈合过程分解为表面湿润与固有愈合两个进程, 并考虑了沥青材料的粘弹性, 引入了弹性和粘弹性的对应法则[4,5], 认为混合料自愈合是裂缝损伤区域的分子运动及重新组合的逆过程。裂缝表面分子扩散理论在材料特性的考虑上有了一定的改进, 但模型只适用于简单分子聚合物微小裂缝的自愈情况, 无法解释沥青混合料这类复杂高分子材料在产生较大宏观裂缝也能自愈的现象。

裂缝表面能理论及裂缝分子扩散理论均认为沥青混合料自愈合的动力为沥青质在混合料微裂缝中的流动和扩散。但是, 通常这种在微裂缝中的流动和扩散作用在裂缝宽度较大时无法运行, 这与沥青混合料中的较大裂缝在适当的温度环境中通过较长的时间仍能够完全愈合的情况相矛盾。针对这一事实, Garcíalvaro[6]提出了基于毛细流动理论的混合料自愈理论模型, 该理论模型综合分析了裂缝表面分子扩散能与毛细动力作用, 很好地解释了沥青混合料在颗粒之间未接触也能愈合的现象, 但是模型要求沥青处于牛顿液体状态, 不适于较低温度下的沥青混合料损伤自愈行为的分析。

2 损伤愈合影响因素

影响沥青混合料损伤愈合性能的因素众多, 根据影响因素的作用特点可分为内部影响因素和外部影响因素两大类。混合料内部影响因素主要有沥青物理性质、沥青化学成分、表面自由能、混合料体积特性、添加剂等;外部影响因素主要有间歇时间、周边环境、荷载、损伤程度、侧压应力、沥青老化程度等。

沥青的物理性质主要考虑沥青针入度与软化点, 它们能够综合反映沥青的粘弹性、塑性等各项物理力学性能。研究认为具有高针入度与低软化点的沥青损伤愈合性能较好[7,8,9]。

Williams, Kim, Santagata等通过考虑两性氧化物, 芳香族有机物, 蜡含量, 硫、氧、氮等杂原子含量, 低分子化合物含量各不相同的沥青, 证实了沥青的化学组成对于沥青的损伤愈合性能有显著的影响[10,11,12]。Grant和Kim的研究成果表明沥青混合料的集料级配和表面特性对沥青混合料的损伤愈合性能有重要影响[13]。

Lee在实验中发现沥青玛脂碎石混合料 (SMA) 的自愈能力要比其他普通沥青混合料强得多[14]。改性剂对沥青混合料损伤愈合性能影响的说法存在较大的差异, 一般认为当混合料损伤十分微小时, 改性剂的本构关系能够约束裂缝的开展与传播, 对混合料损伤愈合起有利作用, 但当裂缝发展到一定的程度时, 改性剂却因制约沥青流动而对沥青混合料自愈产生不利影响[15,16]。

同济大学孙大权等[17]采用动态剪切流变仪, 对分别添加SBS、岩沥青、表面活性剂3种改性剂的基质沥青进行间歇疲劳加载试验研究, 发现添加SBS改性剂使沥青混合料自愈能力明显大于基质沥青;而添加岩沥青使得沥青变硬, 不利于沥青质的流动, 使得混合料自愈能力减弱;添加表面活性剂的沥青与基质沥青相比, 自愈能力稍有增强。

荷载作用是影响沥青混合料损伤愈合性能的重要因素, 荷载间歇期越长, 混合料愈合越彻底;同时, 沥青的愈合能力随着加载次数增多, 损伤积累而不断下降[2]。影响沥青混合料的环境因素主要有温度和湿度, 当环境温度足够高时沥青混合料能够快速、彻底的自愈。

Zollinger的研究表明湿度过大对沥青的粘合作用不利[18]。Little和Van等通过室内与室外实验发现新建路面的自愈能力明显大于旧路面[16,18]。

3 损伤愈合性能评价方法

沥青混合料自愈性能的评价方法主要有试验评价以及理论评价两大类。基于评价指标与试验目的之间的差异, 评价沥青混合料损伤愈合能力的试验方法不尽相同。间歇加载疲劳试验 (Fatigue related healing tests with intermittent loading, FHI) 是在疲劳试验中引入一定的间歇时间, 在此间歇时间内沥青混合料性能能够得到一定恢复, 试验中使用混合料劲度模量的恢复速率和疲劳加载次数的增幅来表征混合料的损伤愈合性能[19]。恢复疲劳加载试验 (Fatigue-healing test with storage periods, FHS) 则是通过荷载作用使沥青混合料产生疲劳破坏, 然后引入不同长度的养护时间, 观察养护之后沥青混合料的力学性能恢复情况, 同样使用劲度模量与加载次数来评价损伤愈合水平[20,21]。裂缝恢复试验 (Fracture related healing test, FRAH) 直接在试件中引入裂缝, 观察试件在不同条件下裂缝的愈合程度以及劲度模量的恢复水平[22,23]。

荷兰代尔夫特理工大学邱健[1]通过引入弹性基础小梁试验模型, 采用间歇加载等一系列的试验方法对沥青及混合料自愈性能进行研究, 取得了较丰富的研究成果。上述试验方法都采用了试件劲度模量的恢复来评价沥青混合料损伤愈合水平, 但在越来越多的研究中发现, 混合料劲度模量的恢复并不意味着混合料相同程度的强度提高与疲劳寿命延长, 采用劲度模量作为评价指标的可靠性值得怀疑。

湖南大学谭练武[24]采用小梁试件的弯曲强度作为混合料愈合情况的主要评价指标, 发现混合料小梁破坏时, 弯曲劲度模量与弯曲强度的恢复在相同养护条件下趋势相同, 但混合料小梁弯曲劲度模量恢复比例与弯曲强度的恢复比例并不相同, 验证了混合料劲度模量的恢复并不意味着混合料相同程度的强度提高的观点。

沥青混合料自愈性能理论评价主要由湖南大学黄立葵等[25]提出, 其在总结分析沥青混合料损伤愈合性能影响因素的基础上, 采用隶属度函数对定量连续型与定性离散型指标进行量化, 引入依次、共同评价原则以及改进的层次分析法 (IAHP) , 采用模糊综合评判理论, 将定性指标与定量指标的分析结合起来, 建立了多层次、多因素的沥青混合料损伤愈合性能评价指标体系, 用于评价沥青混合料的自愈能力以及各种影响因素对混合料损伤愈合性能的影响。

4 损伤愈合性能提高方法

选择高损伤愈合能力的沥青混合料和对沥青混合料进行被动供能或物质补给是提高混合料损伤愈合能力的两种途径[26]。前者通过选择合适的沥青、集料、改性剂以及体积特性参数来主动提高混合料的损伤愈合能力[27], 但由于混合料自愈性能影响因素复杂繁多并相互影响, 因此该方面研究有待进一步的深入;后者根据生命体损伤自愈合原理, 采用加热、掺加含有界面粘合剂的胶囊等方法加速裂缝的愈合或封闭, 从而实现沥青混合料自愈合能力的被动增强[28]。被动功能或者物质补给技术能够显著提高混合料的自愈合能力, 但有一系列的技术难题有待解决。比如被动加热技术中, 加热的具体方法、加热的最佳时机、加热的适当问题以及加热的持续时间都是影响加热成功与否的关键因素。

5 结语

裂缝自愈合篇7

目前国内防水市场上应用较多的高分子非硫化类材料主要包括:三元乙丙非硫化型防水卷材,氯化聚乙烯-橡胶共混非硫化型防水卷材,丁基橡胶非硫化型防水卷材及各种复合非硫化型防水卷材。这些材料虽然防水性能、耐老化性能好,但无黏性、无自愈合性,卷材接缝及与基层粘结问题不能得到很好解决,尤其是冬季无法施工难度大。本公司根据建筑设计部门的要求和市场的需要,在非硫化橡胶防水材料的基础上研制生产了压敏型自愈合非硫化橡胶防水材料,解决了以上问题,特别是冬季环境温度在-15℃以下仍可以施工,使建设周期大大缩短。

1 材料设计

1.1 主体材料及配合剂的选择

选择具有耐老化性能的主体材料与超细粉体配合剂的结合是本项目的设计要点。

1)主体材料的选择

压敏型自愈合非硫化橡胶防水材料的主体材料选用耐老化性能优异的三元乙丙橡胶及丁基橡胶。

三元乙丙橡胶基本上是一种饱和橡胶,主链由化学稳定的饱和烃组成,侧链中含有不饱和双键,无极性取代基,橡胶在较宽的温度范围内保持柔性,因而具有独特的耐老化、耐化学药品、低温柔性等性能。

丁基橡胶的化学不饱和度低,加上聚异丁烯链的不活泼性,使得丁基橡胶的透气性在烃类橡胶中是最低的,其耐热、耐氧化性远优于其它通用橡胶。

这两种主体材料的分子内没有极性取代基,键节比较柔顺,用其制成的橡胶防水材料具有优良的耐老化、耐酸碱性能,且在低温下弹性好,冷冻到-40℃才有变硬现象,特别适用于地下防水工程。

2)主要配合剂———超细粉体海泡石的选择

海泡石是一种富镁纤维状硅酸盐黏土矿物,其化学式为Mg8(H2O)4(Si6O15)(OH)48H2O,其中SiO2含量在54%～60%之间,MgO含量在21%～25%之间,并含有可置换的阳离子。海泡石属链状结构,但也存在层状结构的小单元,因此,具有比凹凸棒更加优越的理化性质和工艺特性。它的三维立体键结构和化学键Si—O把细链拉在一起,使其具有特殊的晶型,且颗粒呈棒状。结构中开式沟枢与晶体长轴平行,使其保留了一系列晶道,因此,具有极大比表面积(最大可达150 m2/g),赋予了防水材料吸附性强、热稳定性高、绝缘性好、抗盐度高等良好特性。具体物理性能指标见表1。

由表1可知,无论压敏型三元乙丙橡胶防水卷材还是压敏型丁基橡胶防水卷材,由于添掺了超细粉体海泡石,使其具有突出的耐臭氧性能及耐候性能。

1.2 正交试验设计

本项目通过正交试验设计,计算各因子的水平均值和极差值,选出最佳水平组合。

试验表明,当条件合理,制备的防水材料不但具有优异的加工性能,而且还具有较好的物理机械性能。

2 材料性能

2.1 材料的主要性能指标

本公司研发生产的压敏型非硫化橡胶防水材料的物理性能指标完全满足GB 18173.1—2006《压敏型橡胶防水卷材物理性能测试》和Q/12HG 4559—2006《丁基橡胶防水卷材》的指标要求,如表2所示。

2.2 优异的耐候性

橡胶的大气静态老化试验以太阳辐射作用为主要因素,将裁好的哑铃试片放置在曝晒架上曝晒365d,曝晒角度45°。

试验表明,经过365 d曝晒,用合成橡胶制备的压敏橡胶防水材料的外观无裂纹,而用天然橡胶制备的压敏橡胶防水材料的外观出现龟裂现象。

2.3 优异的低温性能

压敏型非硫化橡胶防水材料不仅适于夏季高温条件,而且能经受严寒低温抗裂考验,其低温弯折的温度可达到-20℃以下,在低温下仍具有很好的弹性、延伸性和柔韧性,适于冬季施工。

2.4 材料粘结性能

由于本课题所选用的压敏橡胶材料属于非硫化橡胶,具有极好的粘结性能,经清洗剂处理后能与同种材料融为一体;与基层粘结性也很好,随着与基层接触时间的延长,其粘结剥离强度增加并趋近于一定值,见表3。

3 材料制备工艺

压敏型非硫化橡胶防水材料的生产制备采用如下工艺流程:原材料准备(准确配比)→塑炼→密炼机混炼→半成品检验→热炼(粗炼)→热炼(细炼)→挤出或压延成型→覆隔离膜→自动卷曲→成品检验→包装入库。在上述工艺流程中,胶料的挤出是关键工序。挤出过程分为以下两部分:1)挤压系统,用以推送胶料;2)口型系统,用以将胶料成型。在挤出工艺参数设计中要考虑以下几个因素:

注:与基层的剥离形式均为180°方向上的剥离。

1)挤出压力与螺杆转速的关系。挤出过程中,胶料所受压力来自于螺杆旋转的推力和机头口型阻力的综合作用,而螺杆转速对机头压力影响不大。

2)胶料挤出膨胀率与口型长径比的关系。胶料挤出膨胀率在一定剪切速率下,随长径比的不同取值而变化,即挤出膨胀率随口型长径比增大而减小。

3)胶料挤出膨胀率与温度的关系。在恒定口型长径比条件下,胶料挤出膨胀率随温度升高而降低。由此可知采用较高的挤出温度,可以降低挤出物的膨胀率,使挤出物尺寸稳定。

4 影响压敏型非硫化橡胶防水材料性能的因素探讨

4.1 配合剂用量及种类

配合剂(超细粉体、增黏剂等)用量小时,材料的外观粗糙,物理性能指标低;当用量增加到一定数值,材料外观平整,各项性能指标达到最佳;如果此时再增加配合剂用量,材料的物理性能又将下降,加工变得困难,也容易使材料发生断裂。

由表4可知,添掺海泡石可以缩短混炼压延时间、降低成本、节约能源,且外观平整细腻。

4.2 增塑剂

从表5可知,如果过高地追求自粘防水材料的初粘性能指标,过量使用增塑剂、增黏剂,不但会加工困难,也容易造成施工不当,因此增塑剂应选择最佳配比。

4.3 增塑剂的迁移

随着时间的推移,在温度的影响下,增塑剂品种不同也会影响橡胶材料的使用寿命,如选择不当,会使增塑剂不断迁移离析,自粘卷材的黏弹性、自愈性也会随之下降,逐渐失去自粘材料的特性和功能。