裂缝自修复（共8篇）
裂缝自修复 篇1
0前言
混凝土是一种在人类生产生活中发挥重要作用的人工石材, 它是由胶凝材料、水、细骨料、粗骨料按适当比例混合在一起, 还可以通过加入外加剂和矿物掺合料来调节各项性能, 经过一系列搅拌均匀、密实成型和养护硬化操作过程制备得到的。目前全世界每年混凝土用量达到75亿m3, 而中国的混凝土用量居世界首位, 占全世界的30%以上, 达到了25亿m3。由于本身的特性以及各种外因和内因的共同作用, 混凝土不可避免地会出现裂缝[1], 并且伴随着后期结构承载情况以及环境因素的变化, 裂缝将持续运动和发展, 后果就是裂缝数量不断增多、深度和宽度不断加大。这样的裂缝不但会对建筑物的耐久性及正常的使用功能造成严重的危害, 而且会对结构的安全可靠性产生不良影响, 最直接的损害就是发生渗漏。因此, 混凝土裂缝的修复, 是确保建筑物的防水性能、正常使用功能、耐久性及安全可靠性的必要措施[2,3]。
近年来国内外都在大力发展水泥混凝土裂缝自修复技术[4,5], 即在水泥混凝土成型时掺加一些有效的粘结成分, 一旦水泥混凝土结构受到损坏、出现裂缝等对混凝土耐久性能有害的状况, 混凝土材料会自行进行修复, 密实结构, 提高抗渗性能, 从而提高耐久性。可以预见, 这种水泥混凝土的自修复技术将在混凝土抗渗技术的发展中占有极其重要的地位。
自20世纪90年代中期水泥基渗透结晶型防水材料 (下称CCCW) 首次引入我国以来, 由于其抗渗性能好, 并具有较强的自修复功能, 正受到越来越多的关注。经过国内近20年的工程实践经验的检验, CCCW已奠定了其在混凝土裂缝治理方面的特殊地位。根据市场调查, 我国从事CCCW生产和销售的企业绝大部分是将进口活性母料通过与水泥、填料等混合、分装而得到最终产品, 真正掌握活性母料配方的企业为数不多。
本课题旨在从水泥水化反应原理入手, 通过调节水化反应进程、优化产品配方等技术手段, 研制出具有裂缝自修复功能的新型水泥基渗透结晶型防水涂料 (下称自修复防水涂料) , 这对于推动行业技术水平进步、培育新的行业增长点等均具有积极的意义。
1 实验部分
1.1 原材料
实验用原材料名称、规格、来源见表1。
制作基准试块的原材料如下:水泥为普通硅酸盐水泥P.O.42.5;砂为Ⅱ区中砂, 细度模数2.6;碎石子粒径为5~30 mm, 连续级配;水采用市政自来水, 符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》。
本研究采用唐山冀东水泥股份有限公司生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥 (比表面积约为300~350m2/kg) 作为自修复防水涂料的主要胶凝成分, 一方面可以提高材料自身的抗渗能力和强度, 另一方面由于组成该种水泥的混合材料较少, 有利于减少水泥中混合材对自修复防水涂料性能造成的不利影响。
活性化学物质是自修复防水涂料的主要成分, 有效活性物质的选取是自修复防水涂料能否研制成功的关键。本研究选取了3种主要活性物质, 均为白色粉状固体, 具有相当强的络合能力, 不含有Na2O和K2O等具有潜在碱危害的物质。
1.2 性能测试方法
本课题主要进行的测试包括砂浆的抗压/抗折测试、混凝土抗压试验和混凝土抗渗试验, 相关的试验方法按照GB 18445—2012《水泥基渗透结晶型防水材料》标准[6]的要求进行;活性物质含量采用HPLC法测定;渗透系数按照Darcy定律计算。
2 结果与讨论
2.1 不同渗透结晶活性物质对涂层性能的影响
自修复防水涂料的抗拉强度和抗压强度是使用过程中抵御外力损害、提供防水保障、构筑活性物质扩散基地的保证。考察活性物质对涂层力学性能的影响有助于掌握防水材料在实际工程应用中的适应性, 了解涂膜的耐久性和稳定性。
以水泥掺量 (质量) 为基准, 活性物质的比例为2%、4%、6%, 亚硝酸钙比例为2%, 胶粉比例为3%, 消泡剂p803比例为0.1%, FDN比例为0.05%, 分别测试7 d、28 d抗压、抗折强度和抗渗压力 (28 d) , 以考察活性物质对自修复涂层性能的影响。
图1是不同添加量的活性物质A对自修复防水涂层力学性能的影响曲线。从图1可以看出, 随着活性物质A添加量的增大, 自修复防水涂层的抗压强度和抗折强度总体趋势都是减小的, 而且变化趋势几乎不受养护时间的影响。这表明活性物质A对涂层强度有一定的不利影响, 由于涂层强度主要来源于水泥浆体, 也就是说, 过多的加入活性物质A对水泥浆体的力学性能有不利影响。但是从图1可以看出, 在测试范围内, 自修复防水涂层力学性能降低的幅度比较小, 只要控制活性物质A的添加量就不会对涂层产生严重的不良后果。
图2是不同添加量的活性物质B对自修复防水涂层力学性能的影响曲线。从图2可以看出, 随着活性物质B添加量的增大, 自修复防水涂层的抗压强度随之减小, 且变化趋势不受养护时间的影响;但是抗折强度虽然总趋势是减小的, 但是养护时间为7 d时, 抗折强度在活性物质B添加量为4%时达到最大值, 说明活性物质B具有混凝土早强作用。
图3是不同添加量的活性物质C对自修复防水涂层力学性能的影响曲线。从图3可以看出, 随着活性物质C添加量的增大, 自修复防水涂层的抗压强度变化不大, 基本保持恒定;但是养护28 d的抗折强度随活性物质C添加量的增大而减小, 特别是养护时间为7 d时, 抗折强度在活性物质C添加量为4%时达到最小值, 说明活性物质C具有一定程度的缓凝作用。
对于自修复防水涂料的整体性能来说, 活性物质最重要的作用是对抗渗性能的影响。表2是各种活性物质及其添加量对自修复防水涂层抗渗性能的影响, 从表2可以看出, 活性物质C的抗渗性最差, 而活性物质A的抗渗性最佳, 活性物质B的抗渗性随着添加量的增加有下降趋势。
综上所述, 3种活性物质对自修复防水涂层强度的影响均在应用许可范围内, 所以优选抗渗能力最好的活性物质A进行后续研究。
2.2 正交优化研究
自修复防水涂料的活性组分发挥着重要的作用, 但是其他组分也是必不可少的。胶粉是聚合物粉末, 具有变形能力, 可以填充在水泥浆体的毛细孔隙内, 能够赋予刚性涂膜一定的柔韧性, 减少涂膜受到拉伸作用时的应力集中现象, 有效地消弭涂膜的裂缝, 保持涂膜的整体性, 是配方中必不可少的组成成分。为了进行材料配方的优化, 以活性物质A为主, 再选出对配方最终性能影响较大的2个组分———胶粉和亚硝酸钙, 按照正交试验方法进行试验设计及筛选。以活性物质A、胶粉、亚硝酸钙为因素, 各选取3个用量为3水平, 正交试验的因素水平如表3所示。配方中水泥用量为5 kg, 消泡剂p803用量为5 g, FDN用量为2.5 g。分别测试了不同配方的7 d、28 d抗压、抗折强度和28 d抗渗压力, 结果见表4—8。
由上述结果可以看出, 亚硝酸钙对试块的早期抗折强度影响较大, 可能由于其具有早强效应的缘故;其对试块后期的力学性能影响较小, 这是因为试块的后期强度主要由硅酸盐的水化物所贡献, 化学环境的变化, 导致亚硝酸钙的作用效能不同。胶粉则使试块的抗压强度有所降低, 因为胶粉本身变形能力较强, 弹性模量较低, 所以在试块的内部具有预防开裂的作用, 同时对力学性能有所影响。活性物质A对试块的长期抗压强度有较大的影响, 这是因为活性物质A通过络合作用迁移内部离子, 通过再沉淀聚集效应, 填充内部孔隙, 所以试块力学性能有所加强。根据抗渗性能测试结果, 可以发现亚硝酸钙对抗渗性能影响不大, 而活性物质A抗渗作用最为显著。通过将最优组合A2B2C3和A2B3C3进行分析对比, 综合考虑力学性能、抗渗性能和产品性价比, 最终选择配方为A2B2C3。按照GB 18445—2012标准中Ⅱ型产品指标的要求, 对自修复防水涂料进行了各项性能测试, 结果见表9。
3 作用机理分析
由于混凝土组分的多样性、内部结构的复杂性等客观因素的影响, 一般认为沉淀反应机理和络合-沉淀反应机理[7]可以初步解释自修复防水涂料的防水作用机理。
沉淀反应机理认为当CCCW涂抹于混凝土表面时, 在浓度差、压力差作用下, 活性化学物质会通过混凝土孔隙中存在的水, 渗透到混凝土毛细孔和微裂缝内, 与游离的石灰和氧化物发生化学反应, 生成不溶于水的结晶体, 堵塞混凝土中的水流通道, 发挥防水作用。当混凝土成为干燥状态时, 活性化学物质和混凝土内部的Ca2+便不能以游离态的离子形态存在, 即处于所谓的“休眠”状态。当混凝土受不均匀载荷、地基沉降、温差变化等物理作用再次产生微裂纹时, 水便会再次沿着裂纹进入混凝土中, 相应的活性化学物质也重新溶解, 随水向混凝土内部渗透, 并再次生成堵塞通道的结晶体。
络合-沉淀反应机理认为, CCCW中存在着可与Ca2+络合的活性化学物质, 活性化学物质会在浓度差的驱动下分布到混凝土基体内部。活性化学物质可以和混凝土中的Ca (OH) 2形成易溶于水的、不稳定的钙络合物。络合物随水在混凝土孔隙中扩散, 遇到活性较高的未水化水泥或水泥凝胶体时, 络合物中的Ca2+会和硅酸根、铝酸根发生结晶、沉淀反应, 生成更稳定的晶体, 填充混凝土孔隙中, 而活性化学物质则继续随水向内部迁移。混凝土干燥时, 由于缺少扩散介质———水, 该活性物质处于休眠状态, 当有水渗入时, 该物质将会再度激活, 催化发生新的结晶反应, 从而使混凝土结构致密防水。
这两种理论都给自修复防水涂料的作用机理奠定了初步基础, 在一般情况下, 混凝土中水的渗透速度很小, 而且流经途径的管径尺寸很小, 其雷诺数很低, 所以其渗流过程可以看作是一种水流流线互相平行的流动———层流, 因此其渗透阻力可以用哈根-泊谡叶 (Hagen-Poiseuille) 方程来计算[8,9], 混凝土中水的渗透孔道可以用具有相同渗透阻力的直管来模拟:
式中, Δpf为渗透阻力;μ为水的黏度;l为管道长度;u为水的流速;d为管道直径。
在抗渗试验中, 混凝土试块的抗渗压力是用试块出现渗水现象的压力来表示的, 可以认为试块刚发生渗水现象时水的流速是相同的, 其管道长度和管径也可以认为不随水的压力而变动, 在大孔径管道中水的黏度一般认为是不变的, 与体相水相同。所以从式 (1) 中可以看出, 渗透阻力与管道直径的平方成反比。由于自修复防水涂料的渗透深度为0.8 cm, 仅占试块厚度15 cm的5%, 而活性化学物质含量仅占扩散范围内混凝土的2%, 如果按照化学活性物质均匀地在孔表面结晶沉淀, 则试块的渗透阻力仅增加不到4%, 与渗透压力比433%的试验结果相比, 相差甚远。按照活性化学物质在孔道中生成结晶聚集体堵在混凝土孔道的局部, 造成局部孔径的急剧减小来计算, 只要局部管道的孔径减少到原来的3%, 渗透压力比就可增加到500%, 与试验结果相符。一般混凝土中孔径大于100 nm的孔道对水的渗透起决定性作用, 通过活性化学物质的离子络合能力, 通过迁移、桥联作用, 形成粒径在数百nm以上的结晶聚集体是符合结晶化学规律的, 这样就可以将孔道堵塞, 极大提高水的流通阻力, 增强混凝土试块的抗渗性。
采用扫描电镜可以观察材料的微观结构特征, 图4是混凝土涂覆自修复防水涂料前后内部断面的SEM图。从图4可以看出, 自修复防水涂料的活性组分可以使混凝土内部结构变得更为致密。这是由于材料中含有的活性化学物质以水作为载体, 在混凝土微孔及毛细管中渗透、充盈, 催化混凝土中的微粒及未完全水化的水泥成分再水化, 形成不溶于水的枝蔓状结晶体, 堵塞毛细孔道, 与混凝土结合成为整体, 使混凝土致密而抗渗, 充分提高混凝土的密实度达到防渗、防污、补强、保护钢筋等多方面的效果。
4 自修复防水涂料的适用范围、施工注意事项及工程应用
4.1 适用范围
1) 适用于有腐蚀性液体场合的防水抗渗, 如有防渗要求的石化、化工设备基础地面, 垃圾、废物贮存场的抗渗防水, 以及污水处理池等。
2) 适用于要求无毒、无味、无污染的防水工程, 如自来水塔、自来水管道、游泳池等。
3) 可用于迎水面和背水面, 可在潮湿面上施工, 如卫生间、水池及地下工程中大面积毛细渗漏的防治施工;特别适用于基层细裂缝渗漏的修复, 并起到永久防水防渗作用。
4.2 施工工艺
1) 拌合
在自修复防水涂料中加入约35% (质量比) 的水, 用电动搅拌器充分搅拌3 min成泥浆状, 稍放置后再搅匀即可涂刷。
2) 涂刷
用水充分湿润基层后, 用辊子或毛刷沿一定方向反复涂刷, 第1道尽可能让浆料渗进基层毛细孔, 均匀遮盖基层, 当第1道涂层呈硬化状态 (一般约2~3h) 后, 开始涂刷第2道, 第2道沿着与第1道垂直的方向进行, 第3道与第1道方向相同。
3) 养护
施工完4~6 h (以终凝硬化能上人为准) , 开始洒水养护。每隔4 h左右喷水一次, 也可以覆盖塑料薄膜, 防止水分过快蒸发, 至少连续潮湿养护3 d以上, 不得采用蓄水或浇水养护。
4.3 工程应用案例
神华鄂尔多斯煤制油分公司位于内蒙古鄂尔多斯市伊旗 (阿镇) 乌兰木伦镇马家塔, 拥有中国第1条煤制油生产线。由于前期规划的需要, 该公司生产线5个单元的罐体和管道已安装完毕并投入使用, 但是厂区的地坪尚未浇筑完成, 生产过程中废弃的液体和油污可能会渗入地下, 对地下及周围环境产生污染。为满足国家环保的要求, 厂方决定对煤制油厂区的地坪采用防渗混凝土进行防污染、防渗处理。在对各种防渗材料进行对比筛选之后, 厂方最终选用了本课题研发的自修复防水涂料———WP-501内掺型水泥基渗透结晶型防渗保护剂 (简称WP-501保护剂) , 厂方采用WP-501保护剂配制了防渗混凝土, 同时加入适量多锚点钢纤维提高混凝土地坪的抗裂性能, 对厂区3万m2地坪进行了防渗处理, 效果良好, 见图5。
5 总结与展望
本课题在对CCCW作用机理和应用性能分析研究基础上, 研制成功了一种以硅酸盐水泥为基础的CCCW———裂缝自修复功能防水涂料, 选择能与水泥混凝土中未水化水泥及部分水化产物反应的活性物质和其他辅助成分, 利用正交设计方法, 研究不同组分对防水涂料防水性能的影响, 并详细分析了原料化学成分、掺量及养护条件等参数的变化对防水涂料渗透结晶性能的影响。按照GB 18445—2012标准的要求, 对该涂料进行了一系列的性能研究。结果表明, 该自修复防水涂料的抗渗压力、二次抗渗压力、强度、自愈合性能、耐腐蚀性等均达到或超过标准的性能指标要求。
在对自修复防水涂料进行性能研究的基础上, 采用元素分析测试手段, 从材料的微观结构方面分析了自修复防水涂料的防水机理, 证明了自修复防水涂料是通过渗透结晶反应来提高混凝土的防水抗渗能力。自修复防水涂料为无机刚性防水涂料, 无毒无污染、生产和施工工艺简单, 适应大面积复杂表面的混凝土工程, 在地下工程、水利工程、公路桥梁、蓄水池、污水处理厂等工程防水中, 具有良好的应用前景。
摘要：研制了一种裂缝自修复功能防水涂料, 探讨了活性物质种类和添加量对涂料抗折、抗压、抗渗性能的影响;采用正交试验方法优化了涂料的配方;分析了该涂料渗透结晶的防水防渗作用机理并研究了其微观结构。文章还介绍了该防水涂料的应用技术和工程案例, 并展望了其应用前景。
关键词：防水涂料,裂缝自修复,渗透结晶,活性物质,抗渗性能,正交试验,防水机理,微观结构
参考文献
[1]内维尔A M.混凝土的性能[M].刘数华, 冷发光, 李新宇, 等译.北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[2]吉伯海, 张宇锋.环保型裂缝修复材料对混凝土构件基本性能的影响[J].混凝土与水泥制品, 2009 (3) :26-29.
[3]王铁梦.钢筋混凝土结构的裂缝控制[J].安徽建筑, 2001 (1) :10-13.
[4]柴鹏.混凝土裂缝自愈合影响因素研究[D].重庆:长江科技学院, 2008.
[5]蒋正武.水泥基材料裂缝自愈合的研究进展[J].材料导报, 2003, 17 (4) :39-41.
[6]杨斌, 张永明.《水泥基渗透结晶型防水材料》国家标准的修订[J].中国建筑防水, 2013 (9) :32-38.
[7]陈光耀, 吴笑梅, 樊粤明.水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理分析[J].新型建筑材料, 2009 (8) :68-71.
[8]王琨.微通道内流体混合过程强化的数值模拟研究[D].杭州:浙江大学, 2010.
[9]培渝, 郑峰.水泥基材料的水化动力学模型[J].硅酸盐学报, 2006, 34 (5) :555-559.
揭秘美军武器装备自修复技术 篇2
电影往往映射着现实。随着高新科技的发展，美国军方所希望研制的智能武器是一种能够模仿生命系统、感知环境变化、实时做出反应，从而可与变化后的战场环境高度适应的复杂武器系统，而且在这些智能武器的实际试用中，军方要求它们必须具备的一项重要功能就是自修复。虽然美军武器装备的自修复技术目前仍属于深度探索与初步应用阶段，与T-1000、T-X这些“终结者”相比仍然是“小巫见大巫”，但这并不影响美军对该项技术的热衷与追求。
生化防护服自修复
顾名思义，自修复即物体在受损时能够进行自我修理、恢复原有属性，从而保持自身功能完整的一项新型技术。2015年11月19日，美国陆军网透露，美国陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心、马萨诸塞大学洛厄尔分校与粹通系统公司三家机构正在合作研发用于生化防护服的自修复技术。
众所周知，穿上一套生化防护服的士兵能够与外界及神经毒气、病毒、细菌等诸多有害物质隔离;当士兵执行任务时，其生化防护服若被灌木、荆棘、树丛、石头或针状金属刺透，则会产生针孔大小的破损，虽然肉眼不易觉察，但如果真是在沾染地区活动，遭到像VX等杀伤力极高的毒气，士兵很可能还没反应过来就会丧命。对于人体而言，划伤能使皮肤表面出现裂口、出血，但我们的身体有能力使其止血、结痂并愈合;为此，美国陆军引入同样的理念用于自修复面料或涂层，这种面料或涂层中含有微型胶囊修复流体，当面料或涂层因外力出现切口或破损时，就可以进行自我修复。根据防护服类型，自修复涂层可以是喷覆涂层或连续涂层。防护服自修复技术采用自修复微型胶囊进行间隙填补的创新方法，当微型胶囊被撕破时，它将被激活来修复切口、刺孔或破损处;当切口、刺孔或破损处被修复如初时，自修复涂层中含有的反应剂会解除因破损所带来的潜在危险或威胁。这种自修复技术有助于对致命的化学品、细菌和病毒建立物理屏障，从而为参战士兵提供及时、不间断的生化防护。
自修复技术将使军服面料上的切口、裂口、破洞、刺孔能够快速自修复。这意味着军服的防护质量不再受破洞、刺孔等的影响。该技术将被应用到三军轻便一体化服装技术项目和三军飞行员防护套装项目中。其中，前者是基于一种携带活性碳球的无纺布料，特点是穿着舒适，透气干爽，但是不易于内嵌微型胶囊，为此必须在其表面喷涂微型胶囊和发泡剂。后者的防护机理是基于一种选择性渗透膜，当微型胶囊被嵌入到选择性渗透膜中或一个辅助性的反应式选择性渗透膜层内时，辅助性的反应式选择性渗透膜将充当自我修复的辅助性阻隔材料。战斗中，当薄膜破裂时，这些微型胶囊将自动打开，在大约60秒的时间内修复破裂口，并借助于间隙填补技术进行裂口修补，从而有能力阻止化学制剂等有害物质。选择性渗透膜结构表现得像一种制剂屏障，但是允许汗液等温/热性水、气体排出，即湿气能够从人体被输送到防护服之外。
军用车辆防锈自修复
我们知道，美军武器装备大多是以金属制品为主，而金属锈蚀会给武器装备造成极大的危害。它会破坏武器装备的外表光泽与表面结构;若是机械配合件，锈蚀后会导致螺丝、螺母等配合件松动或者锈死;锈蚀中含有水、空气、电解质等，会加速武器氧化，进而造成损坏。据概略统计，美军每年因金属锈蚀而报废的军事设备与材料占总装备的5%以上，而且金属锈蚀还会造成武器装备维修与保护费用的巨额增加。据美国国防部披露，美国海军部门每年因锈蚀问题造成约70亿美元的巨大损失，其中有5亿美元用于修复锈蚀的海军陆战队地面车辆。为此，美国海军率先为军用车辆研发自修复防锈涂料添加剂。
2014年3月20日，美国海军技术网报道称：美国海军研究局和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室联合开发了一种新的涂料添加剂，可以使海军陆战队联合轻型战术车辆等军用车辆的涂料具有类似于人体肌肤的自愈合功能，从而防止车辆锈蚀。
这种粉末状添加剂被称为“聚成纤维原细胞”，可以添加到现有的商用底漆中，它由填满油状液体的聚合物微球组成，一旦划伤，破损包膜处的树脂便会在外露的钢材外形成蜡状防水涂层，防止车辆表面锈蚀，这种技术特别适合在恶劣环境下使用的军用车辆。该项目开始于2008年，经过海军研究局三任项目经理的不懈努力，最终在该领域获得突破，通过了实验测试，并将技术转移至海军陆战队地面系统项目。此项目的研发是基于美国海军陆战队在《海军陆战队2025年远景与战略》中的承诺，即实现“装备后勤现代化，从而扩大远程作战能力，维持海上作战能力”。
军用车辆腐蚀的主要原因是在舰艇上运输或储存过程中，受到了海洋盐雾环境的影响。为此，美军技术人员在实验室测试中将表面涂有涂层的钢材置于充满盐雾的房间内，结果表明：涂有聚成纤维原细胞涂层的钢材能够保持6周时间内不生锈。与其他的自我修复涂料相比，聚成纤维原细胞底漆能够防止军用车辆在各种环境下被腐蚀。该项目的首席科学家本克斯科介绍说：“我们不关心它对车辆是否美观，我们只关心如何防止腐蚀。”美国海军研究局远征机动作战与反恐作战部后勤研究项目负责人弗兰克·弗曼也表示：“军用车辆防锈自修复技术能够降低维修费用，而更重要的是，它能够延长海军陆战队车辆在战场上的运用时间。”
nlc202309090011
军用电子线路自修复
物竞天择，自修复属于生物界在长期进化过程中所获取的一种自我防御能力。与此相类似，在一定人为干预的条件下，以金属芯为主的电子线路也会出现一种自修复的能力，具有“生命”特征与“再生”机能。美军试图揭开电子线路自修复的神秘面纱，因为这种能力一旦被军方所掌握，便可能派生出许多崭新功能，从而应用在军用电子线路的研制、生产、维修等诸多方面。
对于武器装备中电子线路的自修复能力，美军尝试通过人工干预来寻找最有效的金属材料。2013年初，美国科研人员就发现了一种使用液态金属和特殊聚合物来制造野战被覆线的方法，他们将铟和镓的液态合金以微型胶囊的形式放置于同样具有可延展功能的聚合物之中，当金属芯因外界压力破损时，该力同样会碾破若干个载有修复材料的微型胶囊，释放出的液态金属能及时填充在破损导致的间隙之中，从而使得电流或电信号重新恢复联通。
实验结果表明，这种盛装液态金属的微型胶囊能“治愈”大部分测试电子线路，用时只需1微秒，几乎是瞬间即可让电压恢复到正常值。该自修复技术的重要意义有三：一是可以研制出寿命更长的可充电电池。眼下的可充电电池在多次重复使用后会因设备内部的损害中断电流而引发故障，一旦这个问题被解决，军用充电电池的寿命将大幅度延长，维护成本也将明显减少。二是可以迅速修复装甲目标受损部位。美国五角大楼曾试验一项可自我修复的新材料，这种材料由镁、铝等金属与其他特殊元素混合构制，其内部呈泡沫结构，熔点相对较低。若用在坦克、步兵战斗车的外层表面，一旦遭到火箭弹等重型武器攻击，这种材料中的泡沫便会破裂，裂缝会被气流携带的金属液体迅速填补愈合，凝固后就能使“创口”愈合，恢复如初，仿佛《终结者》中的T-1000再现。三是这种液态金属电线可以供便携式无线设备使用。因为包裹在特殊材料中的液态电线，不仅可自我修复，还具备可根据其接收的无线电波来进行自我调整的能力。如果将这样的液态电线与小型录音设备相连，嵌置于重要战术工事之内，电线会随着压力变化而伸收，这样工事结构的安全性便可以被实时监测。
防御工事自修复
防御作战中，为减少伤亡、阻敌进攻而在有利地形上构筑的筑城工事，我们称为“防御工事”，包括射击工事、交通工事和掩蔽工事。其中，射击工事有掩体、堑壕、火器座等;交通工事有暗壕、堑壕、交通壕等;掩蔽工事有掩壕、掩蔽部、猫耳洞等。这些工事以钢筋混凝土材料建造时最为坚固。然而，战斗中，即使最坚固的防御工事也会遭到进攻方的猛烈轰炸，出现破损、裂纹等现象在所难免。为此，以美军为代表的西方军队开始研制自修复混凝土技术，相继出现了水泥基导电复合材料、水泥基磁性复合材料、损伤自诊断水泥基复合材料、自动调节环境温度/湿度的水泥基复合材料等。
自修复混凝土是一种具有感应与修复性能的混凝土，是智能混凝土的初级阶段，却是混凝土材料发展的高级阶段。由这种材料构建的混凝土结构出现裂纹或损伤后，可以进行及时而有效的修复与愈合。研究混凝土裂纹的自修复最早可以追溯到1925年，科技人员发现混凝土试件在抗拉强度测试开裂后，将其放在户外8年，裂纹竟然愈合了，而且强度比先前提高了2倍。后来挪威一名学者的研究也表明，混凝土在冻融循环损伤后，将其放置在水中203个月后，混凝土的抗压强度有了5%的恢复。美国科研人员受生物界的启示，模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后具有自修复和再生功能。
目前，美国军方对钢筋混凝土裂缝实施修复进行了深入研究，并取得了一定实验性成果：他们在100×100×200毫米混凝土试件上预制裂纹，可以是表面裂纹也可以是穿透裂纹，然后将带有预制裂纹的试件浸泡在氯化镁溶液中，施加直流电源;在通电的前两个星期内，裂纹闭合速度最快，4～8个星期后，裂缝几乎完全闭合。早在20世纪末，美军科研人员就将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，当混凝土结构在使用过程中出现裂纹时，短管内的修复剂流出渗入裂缝，通过化学作用而使修复胶粘剂固结，从而抑制开裂，修复裂缝。
飞行控制自修复
飞行控制系统是航空器在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制的系统。现代航空技术发展异常迅速，航空器的设计变得既精密又复杂，直接关乎操作可靠性、运行安全性的飞行控制系统也成为航空器当仁不让的核心技术。甚至可以说，操作面损伤、卡死或浮松等硬故障可能成为航空器飞行控制系统的致命问题。为此，飞行控制自修复作为发展智能飞行控制技术的重要组成部分，成为能够进行自主维修诊断、故障重构和主动实时告警的自动控制系统。
20世纪80年代，美国空军对在越南战争中的战斗机进行了统计分析后得出结论：若当时具有自修复技术，则会对提高战斗机的安全性、可靠性和生存能力具有重要意义。随后飞行控制自修复技术引起了世界范围内的广泛关注，美国空军遂将“自修复飞行控制系统设计”作为研究重点之一，尔后美国国家航空航天局首次提出“自修复控制”概念。1984年之后，美国空军飞行动力学实验室开始实施自修复飞行控制系统（RESTORE）计划，洛克希德·马丁公司将“自设计飞行控制器”用于RESTORE计划，并在F-16飞机上试飞成功。目前，以美国为代表的航空技术先进国家已经对飞行控制自修复关键技术开展了大量研究和试飞验证，特别是基于在线神经网络和动态逆的自修复控制系统也由波音公司在RESTORE项目中进行研制，并以X-36飞机为载机成功试飞。2002年，美军又明确提出研制具有故障自愈调控功能的无故障、少故障或免维修、少维修的新一代军用航空器自修复飞行控制系统，标志着飞行控制自修复技术已发展到更高的水平。由此可见，飞行控制自修复技术必将成为信息化时代战斗机与无人机系统的核心技术之一，并将备受美国、俄罗斯、英国等军事强国的高度重视。
责任编辑：葛 妍
摘编自《环球军事》
深海沉箱隧道裂缝修复技术 篇3
深海沉箱施工是隧道施工的重要组成部分之一, 沉箱的好坏直接影响隧道的施工质量。沉箱病害, 常见的有沉箱裂缝、蜂窝等, 如何治理沉箱病害, 已引起国内外专家的关注, 沉箱综合治理越来越被工程界所重视。我国大量的过江过海隧道都采用了沉箱结构, 其防渗治理情况千差万别, 治理起来十分困难。目前, 采用化学灌浆法治理沉箱病害是较为先进的技术。20世纪60年代, 高渗透灌浆材料得到开发, 美国、德国、日本将化学灌浆法应用于建筑工程。化学灌浆法采用低黏度液态化学浆料进行粘结补强, 对细缝的可灌性和渗入性良好, 固化时间可调, 所以化学灌浆现已成为建筑、地矿、水利等工程中常用的粘结补强方法。本文结合香港某深海沉箱病害特点和治理要求, 采用化学灌浆对隧道渗漏水病害进行治理。
1 工程概况
香港某海底隧道, 采用预制大沉箱的做法, 沉箱集中在珠海近海的岛屿上预制。这些岛屿的山石, 共同特点是都为强风化的花岗岩, 达到了制备高强度海底沉箱的天然取材条件。沉箱的预制地点为珠海桂山岛的山坳, 2012年8月预制完毕, 图1为沉箱预制施工现场。所制的沉箱长度约为120 m, 宽度为60m;沉箱底板及天面板厚度为1.2 m, 墙身厚度达1.4m。在浇注混凝土结构过程中, 发现混凝土底板面、天面及侧墙的裂缝缝宽都在0.1~1.0 mm之间 (图2) , 局部为贯通裂缝。裂缝存在, 势必影响混凝土结构质量, 甚至会危及结构的正常运行安全。因此, 必须对出现的缺陷或裂缝进行修补, 恢复结构的整体性, 实现结构的致密、防渗和耐久。
2 裂缝原因分析
该沉箱是在珠海陆地上建造施工的, 从现场察看和建设资料分析, 引起裂缝的原因是多方面的。采用高筋高强混凝土浇注, 虽然采取了一系列措施, 但是水泥在水化放热的过程难以控制好温度, 在底板面、天面及侧墙都出现缺陷和裂缝, 缺陷的深度为5~30mm, 部分混凝土表层出现砂斑、砂线、蜂窝、麻面、露石、气泡现象, 裂缝宽0.1~1.0 mm。
3 裂缝治理工艺
3.1 治理材料
裂缝治理方法和材料都比较多, 本工程主要针对裂缝采用化学灌浆技术进行治理。
该沉箱设计要求箱体防水等级为一级, 即不允许有渗漏, 沉箱进入海底后结构表面无湿渍。沉箱底板及天面板厚度为1.2 m, 墙身厚度达到1.4 m, 部分裂缝已贯通, 必须选择渗透性和可灌性好、粘结强度高、耐老化的材料进行治理, 本工程采用了高渗透性、粘结强度高的改性环氧树脂灌浆材料及聚氨酯灌浆材料等作为粘结补强材料。
3.2 裂缝治理方法
1) 本工程沉箱采用化学灌浆粘结补强技术, 通过专用设备, 向裂缝中注入高渗透性高分子化学灌浆材料, 使裂缝部位形成“树枝”状的胶结体, 将裂缝粘结形成整体, 达到补强和加固的目的。
2) 沉箱是在陆地浇注的, 裂缝多为干缝, 只要对表面进行清污处理, 然后封闭裂缝、安装灌浆塞 (止水针头) 、灌浆即可。具体灌浆工艺步骤如下:施工准备→查缝定位→布孔、钻孔→清孔→安装灌浆塞 (止水针头) →缝面用高强度改性环氧树脂封闭→连接灌浆泵→灌浆→清理施工现场。图3为沉箱裂缝治理工艺示意图。
3) 灌浆塞 (止水针头) 为采用膨胀机理加工而成的膨胀型灌浆塞, 替代了传统的需用环氧砂浆固定的灌浆嘴, 能够有效避免采用环氧砂浆固定灌浆塞过程中堵塞灌浆孔的现象。灌浆塞内部设有两道单向阀, 灌浆结束后, 单向阀能够有效防止灌入的浆材倒溢, 保证了灌浆的质量。
4) 采用电钻钻孔, 最大孔深达60 cm, 孔径Φ12, 安装灌浆塞。图4为安装灌浆塞施工现场。
4 治理方案概述
裂缝病害中, 有些较宽或贯通的裂缝表现为下雨时漏水, 而有些细微裂隙则暂时不发生漏水, 甚至肉眼难以发现。根据现场情况, 对病害采取针对性的治理方案:
1) 清理裂缝表面, 标记裂隙位置。
2) 安装止水针头, 但要注意施工时不能破坏主缝的灌浆效果。
3) 采用高强度改性环氧树脂水泥砂浆封闭裂缝。
4) 使用灌浆泵将化学浆从灌浆嘴处灌入, 灌浆压力需缓慢增加。当灌浆压力上升到0.3 MPa后, 在没有加压的前提下, 若灌浆泵的压力表指示针在2~3min内基本不下滑, 即可停止该灌浆嘴灌浆并将其封闭, 移至下一灌浆嘴续灌。在灌浆过程中, 若出现灌浆嘴通浆情况, 或出现封缝部位漏浆, 即应停止灌浆, 用封漏材料将漏浆部位堵住。灌浆时最高压力保持在0.1~0.3 MPa, 让缝隙充分渗透浆液, 最后达到使裂缝完全充满浆液的目的。
5) 检查贯通裂缝, 注意浆液走向, 防止跑浆、冒浆, 保证灌浆质量。
5 治理效果
经过灌浆处理, 浆液充满了缝隙, 实现了良好的粘结补强效果。图5为沉箱治理后的表面情况。
沉箱粘结补强后, 进行试水试验, 结果显示:
1) 采用化学灌浆技术治理沉箱缺陷或裂缝, 是成功的、科学有效的。
2) 沉箱经修复、加固后, 符合相关规范及设计要求, 并达到一级防水等级。
3) 经试水试验检测, 混凝土粘结补强后整体性得以恢复;浆液的防腐、耐老化作用, 满足了沉箱耐久性、安全性要求。
4) 沉箱修复过程中, 施工单位严格把关, 修复过程有效监控, 修复质量可靠。
6 工程体会
沉箱隧道裂缝治理是隧道工程成功与否的关键, 尤其是海底隧道, 要求更高, 如果忽略细微裂缝的处理, 由于海水的侵蚀, 会造成钢筋腐蚀, 轻则影响工程质量, 重则会造成工程隐患, 影响工程的使用寿命。高渗透性改性环氧树脂灌浆材料除了具有粘结补强作用外, 还具有钢筋防腐作用, 能保护钢筋、延长工程使用寿命, 因此, 采用化学灌浆法治理隧道裂缝效果显著。采用化学灌浆粘结补强具有以下优点:
1) 粘结强度高, 适合不规则裂缝粘结补强, 达到恢复沉箱整体质量的效果。
2) 可灌性好, 材料可渗进宽度小于0.01 mm的裂缝, 将混凝土粘结成整体。
3) 损伤小, 只要在裂缝处装上止水针头, 对裂缝封闭就可以灌浆, 不需破坏沉箱的主体结构。
4) 材料本身具有防腐、防渗、耐老化性能, 经补强加固的沉箱可以与混凝土使用寿命相同。
香港某深海沉箱粘结补强获得成功, 标志着化学灌浆治理隧道裂缝有了新的突破。化学灌浆是目前治理地下工程裂缝比较成熟的技术, 采用高性能的化学灌浆材料恢复了深海沉箱隧道的整体质量, 治理效果显著, 为化学灌浆治理桥梁、隧道、沉箱病害提供了成功的范例, 也表明采用渗透性强、粘结强度高的化学灌浆材料是治理建筑病害的有效途径之一。
摘要：结合香港某深海沉箱隧道病害治理, 介绍了化学灌浆技术对细微裂缝进行粘结补强修复的施工技术, 指出采用低黏度液态化学灌浆材料治理地下工程混凝土病害, 能收到粘结强度高、损伤小、防腐、防渗、耐老化、成本低的效果。
裂缝自修复 篇4
从很多统计到的数据资料可以得出住宅楼板出现裂缝的形状分布和发生的时间, 这是因为负荷量和变形两个因素相互影响形成的, 并且这与施工时的时间长短、施工技术、自然环境、施工现场环境这些因素相关。就像利用砖混合物的建筑物它的裂缝一般是在施工时就会出现的, 在寒冷或者炎热的季节过后又会在别的地方大面积的产生, 即使在同一小区建筑楼房, 但因为施工人员的不同, 可能建筑物出现的裂缝面积和分布情况都会相差很大, 所以只是用单一的原因去考虑是不全面的。在我国江浙沪地区对建筑楼群研究发现, 建筑物的施工建筑大多是以人工来完成的, 机械设备只是起着辅助作用。但大多数的建筑工人一般都是由农民工组成的, 建筑房屋的技术水准不高, 工作经验不足, 对建筑中的规范法则了解的不多, 所以导致建筑队的整体工作水准下降。我们在施工管制中观测发现:一个时间在同一地段, 地基差不多的情况下, 使用的设计单位和混凝土提供商都是同一家的, 但是雇佣不同的建筑队出现的裂缝的可能性差别就很大, 使用钢管支撑的比使用木支撑的出现的裂缝少, 对构造层建筑时间长的比时间短的出现的裂缝少, 混凝土养护好的比差的少, 建筑文明高的比低的少。通过对比结论给了我们很多的启发, 当我们把注意力都集中在对现场建筑中时, 就能发现其实建筑物出现的很多裂缝在我们施工建筑的过程中可以通过一些措施方法来降低减少还有可能会消除掉裂缝的。譬如在混凝土搅拌比例的调配、保护混凝土、使用钢筋代替木材、控制施工建筑的负荷、利用模版支撑等这些细节都可以使楼板裂缝的现象减轻。在很多混凝土构造、砌体构造的建筑物中在施工中或者完成后出现的裂缝是一个很平常的现象, 也是技术工作人员一直想要解决的难题。
2 混凝土裂缝产生机理
混凝土是由很多原材料经过物理以及化学反应组合而成的一种复合型用于建筑的物质, 因为其组成的原因, 它的物理性能是由很多因素组成的, 最大的特点就是混凝土具有很好的抗压性, 但是抗拉性能不好, 抗压性能是抗拉的八倍到二十倍, 而且抗拉性能不会跟随这抗压性能的增加而增加, 没有什么可抗拉的功能, 所以很容易形成裂缝。使用精密的仪器能够发现, 混凝土在受负荷前水分已经蒸发后的能够在其内部监测到很多小细纹, 分布的不规律, 特别是在胶原料和骨原料的地界。当混凝土在承受负荷后或者因为外界的环境影响会产生可以肉眼看得见的宏观裂缝, 现在我国的规章制度都是针对宏观裂缝的。当使用在混凝土上配件的抗拉性大于混凝土的抗拉性时, 如混凝土上的受弯配件所在的混凝土部分会有裂缝或者弯曲现象。混凝土的另一种产生裂缝的原因是混凝土在刚形成的时候水泥会散发大量的内热, 导致混凝土产生温度应力, 当这个温度应力大于混凝土本身的抗拉强度, 就会产生裂缝。
3 变形作用引起的楼板裂缝分析
3.1 温度应力引起的裂缝分析
3.1.1 温度应力的分析
根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:
第一、在早期:自己浇灌的混凝土内部水泥热量散发结束差不多需要一个月的时间。水泥放热这个阶段有两点, 一是水泥释放的热量会很大, 二是放热会导致混凝土的内部发生变化产生残余应力。第二、中期:水泥散热差不多结束后到混凝土开始冷却并保持在一定的温度后, 这段时间, 混凝土的冷却以及外部环境的变化产生温度应力和之前水泥放热的阶段中形成的残余应力相结合, 这个阶段中, 混凝土的弹性模量变化就很小。第三、晚期:混凝土已经冷却好之后的运转阶段。主要是因为外界的环境才引发的温度应力, 其和之前的阶段所形成的残余应力相结合, 依据温度应力可以分为两种情况: (1) 自生应力:外界没有一丁点的限制或者说外界是相对静止的构造, 如果混凝土自身的温度不是线性结构的, 因为混凝土本身的相互限制才形成的温度应力。 (2) 约束应力:混凝土因为受到外界环境的影响, 不论是小部分的还是全部的, 自身的应力受到限制才形成的应力。这两种状态的应力都会和混凝土冷却后干缩所形成的应力发生共同反应。依据已经知道的温度要想准确的推测出温度应力的分布和大小是很繁琐的事情。在很多情况下, 都是依靠模拟实验或者数值计算出来的。在计算混凝土温度应力的时候, 还要考虑到混凝土的徐变, 这对温度应力也有一定的影响。
3.1.2 温度的控制和防止裂缝的措施
为了防止裂缝, 减轻温度应力可从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
(1) 控制温度的措施: (1) 减少混凝土中最不稳定的水泥的用量可以改进骨料原料, 使用干硬性质的混凝土添加气剂或者塑化剂、掺入混合材料; (2) 降低混凝土的入模时的温度, 在搅拌的时候浇水或者把已经冷却过的碎石在搅拌时放入; (3) 在夏季浇筑混凝土的时候不要浇筑太厚, 天气热不容易冷却利用浇筑的平面来散热; (4) 对于拆模时间要指定的计划, 当气温突然变冷的时候要做好保温措施, 防止混凝土因为温度的剧烈变化而产生温度应力; (5) 在气温很低的时候要对混凝土实施保温手段。
(2) 改善约束条件的措施:比较常用的措施就是合理地分缝分块, 设立后浇带。
3.2 混凝土收缩引起的裂缝
裂缝收缩就是因为当混凝土冷却之后硬化了水分都已经消失混凝土的体积变小。如果把混凝土放在一个不被外界因素所干扰的地方混凝土自身的收缩是不会形成裂缝的, 但是在施工中, 混凝土总会因为或这或那的因素所限制, 例如两段的限制、混凝土中间安置钢筋的限制等。因为混凝土的收缩会受到外界的制约, 所以它的内部就会形成拉应力, 当混凝土的抗拉强度小于拉应力的时候, 混凝土的收缩就会形成裂缝。一般来说, 混凝土硬化后受到的外界环境因素影响越大, 在收缩时形成的裂缝就会越多越宽。因为混凝土在硬化后体积缩小是因为水分消失的原因造成的, 所以产生的裂缝一般也叫做干缩裂缝。
4 楼板裂缝的常规修复
4.1 混凝土裂缝的修复时机
在对开裂的墙缝进行修复的时候要注意的是, 不管是什么原因引起的裂缝, 不管是内应还是外应引起的, 都必须在裂缝绝对稳定的情况下进行修复, 比如说收缩性裂缝就必须等到收缩全部完成之后才可以修复。
4.2 混凝土裂缝的修复方法
4.2.1 宽度≤0.3mm, 混凝土裂缝的修复
A.修复性质:封闭性修复
B.修复目的:恢复使用功能和耐久性;
C.修复方法:a) 表面封闭法:沿裂缝表面涂刷聚合物或环氧类封闭材料。b) 浅层封闭法:沿裂缝将混凝土凿成三角槽, 三角槽内混凝土界面处理, 在槽内嵌入修复材料。修复材料可视裂缝变形情况分别采取无机刚性修复材料和聚合物微变形或有机柔性修复材料。c) 化学 (环氧类) 灌浆法:采用的灌浆修复材料为低粘度亲水性环氧树脂, 此方法最大的优点是修复材料能在空气压力作用下灌入混凝土裂缝深处, 并填充于混凝土裂缝中, 从而从根本上达到封闭裂缝的修复目的。
所以, 在灌浆时加入这些材料的用处是, 对裂缝实行了密闭式的修复, 再次同时也有加固的效果。此外, 要想使混凝土进行修复时有质量保证以及整体的高质量, 就必须在调配化学灌浆时精密操作, 采用这种材料, 使其柔韧性增强。
4.2.2 宽度>0.3mm, 混凝土裂缝的修复
A.修复性质:封闭与加固性修复
B.修复目的:恢复混凝土结构的承载力、使用性能、耐久性能。
C.修复方法:粘钢板加固-防腐、防火处理
化学 (环氧类) 灌浆封闭裂缝-粘贴碳纤维布加固或粘贴碳纤维板加固-防火处理。
自修复效果在线检测方法 篇5
润滑在线自修复技术是一项针对设备零部件摩擦副磨损表面进行修整复原的技术, 它是一项新型技术。特点是在机械设备不停机、无需解体的情况下, 对摩擦副表面进行修复。通过对磨损表面微损伤的原位动态修复和补偿, 达到预防或抑制部件失效的目的。
传统设备零部件摩擦副修复效果的检测, 一般是检测摩擦副表面的平面度、粗糙度、硬度和摩擦副之间间隙的大小等项目, 以及用修前、修后数值的变化来评定修复后的效果, 而对磨损的摩擦副表面自修复效果的检测, 主要采用自修复膜的测定、自修复膜表面分析和摩擦因数的变化, 来判断自修复效果的好坏。这些检测方法, 都需要将摩擦副拆解后才能进行。
自修复效果在线检测, 无需拆卸设备, 无需停机就能进行检测。
二、在线检测方法
1. 振动检测
设备上运动的零部件, 会引起设备的振动。有相对运动的摩擦副零部件之间的配合, 是一种有间隙的配合, 而有间隙就会在运转过程中增大设备的振动量。随着运动时间的增加, 摩擦副表面磨损也增加, 摩擦副相互之间的间隙也相应增大, 进而运转过程中产生的振动量也将增加。在零部件转速不变的情况下, 振动频率不会改变, 但振幅将产生较大变化。用Ti-Si复合超微粒子作为自修复添加剂, 选用智能信号采集处理器, 在线采集试验件 (止推环) 在模拟正常工况、磨损工况及自修复工况条件下的振动信号。
在磨损工况下, 测得振动最大峰值已超过注意量级和危险量级。在自修复工况, 振动检测最大峰值超过注意量级, 但未超过危险量级。说明经过自修复作用后, 自修复添加剂将危险量级的工况修复至注意量级, 达到自修复添加剂阻止磨损扩展、修复磨损部位的作用。另外, 在检测振动信号的同时, 采用测定摩擦因数设备, 考察自修复工况时摩擦因数的变化情况。在自修复工况下, 摩擦因数先明显减小, 后逐渐趋于平稳, 到20min时基本完成磨合过程, 进入稳定磨损阶段。试验进行到70min时, 摩擦因数虽有小幅起伏, 但变化不大, 这是摩合期的正常波动。说明止推环经过Ti-Si复合粒子自修复添加剂的自修复作用后, 抗磨减摩性能得到了很大提升, 修复作用明显。
2. 噪声检测
振动和噪声是反映设备零部件动态特性的指标, 是相互关联的物理量。随着摩擦副磨损量的增加, 摩擦副间隙增大, 振动也相应增大, 设备的噪声也相应增大。采用测声设备, 如传声器、声级计、频谱分析仪、校准器和记录仪、示波器等, 对在正常工况、磨损工况和自修复工况下的噪声检测, 然后进行检测数值的比较分析, 就能反映出自修复添加剂的自修复能力, 即自修复效果。当然, 测量噪声时, 电源、风、气流、磁场、温度、湿度及环境噪声, 都会对测量结果造成影响, 所以要采用正确的方法。另一方面, 由于噪声检测的影响因素较多, 有些场合不一定适用。所以, 采用噪声检测时, 应考虑实际环境的适应性。
3. 密封性检测
采用密封性检测方法, 对润滑油添加剂自修复性能在线检测。选择反映发动机环、套摩擦副密封性能的曲轴箱漏气量, 作为密封性检测的检测数值, 分别检测发动机机油中没有加入和加入自修复添加剂后, 发动机在相同运转条件下曲轴箱的漏气量。试验结果表明, 没有加入自修添加剂时的曲轴箱漏气量较大, 加入添加剂并进行磨合处理后曲轴箱的漏气量明显减小, 在高转速时表现尤为明显, 漏气量最大减小达7.7%。说明摩擦副表面发生了物质及体积的增长, 从而减小了活塞环与缸套之间的间隙, 提高了密封性, 证明添加剂具有明显的自修复作用。因此, 密封性检测同样是一项自修复效果检测的有效方法。
4. 润滑剂温度检测
设备摩擦副表面, 随着磨损的增加, 摩擦副表面粗糙度增大, 摩擦因数增加, 摩擦力增大, 发热量也将增加, 最终引起润滑剂温度相应升高。根据这一原理, 在相同的运转情况下, 分别检测润滑剂中没有添加和加入自修复添加剂时润滑剂的温度, 然后进行比较分析。当润滑剂中加入自修复添加剂后检测的温度, 低于润滑剂中没有添加自修复添加剂时检测的温度并且检测温度较为稳定时, 就证明摩擦副表面的粗糙度、表面的摩擦因数有了下降, 摩擦力也相应有减小, 自修复添加剂发挥了作用。
使用温度检测方法, 应根据设备工况、精度要求和检测仪表量程等进行选择, 可选用接触式如热膨胀式、热电偶、热电阻, 或非接触式如热敏电阻探测器和光子探测器等进行温度检测。
5. 润滑剂中金属元素检测
随着设备零部件摩擦副表面摩擦磨损的增加, 润滑剂中金属元素的含量会有所变化, 当润滑剂中加入自修复添加剂并经过一段自修复运转后, 持续检测润滑剂中金属元素的含量, 当各金属元素的含量变化趋于平缓时, 就证明摩擦副表面的磨损已减少, 即证明自修复添加剂发挥了自修复作用。
采用检测润滑剂中金属元素的变化来判断自修复添加剂的自修复效果的试验, 在三台内燃机车润滑油中加注自修复添加剂, 在机车行走8000km、15000km、25000km及30000km时, 分别对三台机车润滑油中的金属含量进行原子光谱分析。试验表明, 随着内燃机车的运行, 润滑油中铁、铜、铝元素的含量有所增加, 其中铁含量增加最明显, 铝含量次之, 铅含量基本保持不变。当机车运行至8000km及15000km时, 各金属元素的含量在正常值范围内, 即铁路企业规定的机车润滑油中铁的含量<40mg/L, 铜含量<30mg/L, 铅含量<20mg/L以及铝含量<10mg/L。当机车运行25000km及30000km时, 各金属元素的磨损量仍在正常值范围内, 且各金属元素的浓度变化趋向平缓, 说明金属元素磨损量的变化趋向平缓, 自修复添加剂发挥了自修复作用。由此也证明, 通过检测润滑剂中金属元素含量的变化, 能判断自修复添加剂的修复效果。
6. 润滑剂中磨粒检测
设备零部件摩擦副表面由于摩擦磨损会产生磨粒并进入润滑剂中。通过检测润滑剂中磨粒的数量和特征, 可以获得摩擦副表面磨损状态的信息。为此, 可以通过检测润滑剂中磨粒在加入自修复添加剂前后两种情况下的不同特点, 来判断自修复添加剂的自修复效果。根据上述原理, 采用铁谱分析方法, 来检测润滑剂中磨粒的变化, 在机车润滑剂中加入自修复添加剂后运行8000km时, 磨损磨粒浓度未有较大变化。当机车运行15000km时, 磨粒浓度有较大程度的增加, 分析铁谱谱片上可观测到磨粒粒度发生了较大的改变, 在粒度增大的同时还有较多的切削磨粒。当机车运行至25000km和30000km时, 磨粒浓度维持在一个较低的范围内, 粒度较15000km时有所减小, 分析铁谱谱片上磨粒粒度也呈细小而均匀的链状分布。说明当机车行驶到25000km时, 磨粒粒度在载荷作用下已逐步细化, 金属接触表面的磨损没有进一步恶化, 说明自修复添加剂修复后形成的保护层具有较好的抗磨性能, 起到了自修复的作用。
7. 节省润滑剂效果检测
设备零部件摩擦副表面随着摩擦磨损的增加, 摩擦因数增大, 相应摩擦功增大, 产生的热量也增多。而随着润滑剂温度的升高, 氧化和轻组分的蒸发也加快, 戊烷等不溶物增加, 使磨损加剧。另外, 润滑剂氧化后的高分子混合物使润滑剂的黏度、酸值、机械杂质增加, 也将增加摩擦副的磨损, 并产生结胶。这些都将增加润滑剂的消耗。还有一种情况, 随着发动机内缸套与活塞环磨损的增加, 相应的配合间隙加大, 作为润滑剂的机油吸附在缸套内壁上, 由于间隙增大, 活塞环不能将润滑油很好地密封在缸套的摇杆端, 使较多的润滑油进入缸套的压缩室, 随同燃油一起燃烧, 形成烧机油现象, 造成润滑油大量损耗。为此, 可以将自修复添加剂加入机油中, 经过一段时间的自修复运转后, 检测润滑油的消耗情况, 并且将自修复添加剂加入润滑剂中的前后润滑油消耗情况进行对比分析, 如果添加自修复添加剂后, 润滑油消耗呈现减少和稳定的状态, 就证明摩擦副表面的磨损没有进一步恶化, 同时也证明自修复添加剂在摩擦副表面建立了自修复层, 起到减摩抗磨作用, 并同时降低了润滑油的消耗。可见, 通过对节省润滑剂效果的检测, 也能判断自修复添加剂的自修复效果。
8. 节能效果检测
设备零部件摩擦副表面随着摩擦磨损的增加, 摩擦因数、摩擦阻力也相应增加, 为此设备为克服摩擦阻力会无形增加功率的损耗, 当自修复添加剂加入润滑剂中, 在零部件摩擦副表面形成了自修复膜, 降低了摩擦因数和摩擦阻力, 设备就会相应减少功率的消耗。北京铁路分局内燃机务段在北京型内燃机车上进行了金属磨损自修复材料应用试验, 机车运行了28万km, 在此期间油耗由每万吨公里51.2kg, 减少到每万吨公里46.5kg, 油耗下降9.2%。同样, 金属磨损自修复材料在北京交运七公司17台公交车上进行试验, 运行4个月后, 所有试验车的汽缸压力平均上升20%, 基本恢复到标准值, 尾气平均值下降50%, 节油率7%以上。由此可见, 自修复添加剂在起到自修复作用同时, 能产生节油节能效果。故此, 从节油节能效果的统计分析, 可判断自修复添加剂的自修复效果。
9. 接触电阻检测
设备零部件摩擦副在润滑剂的充分润滑条件下, 由于摩擦副表面被一层润滑膜隔开, 如果润滑剂不导电, 摩擦副零件之间的电阻值应趋于无穷。当摩擦副表面润滑膜产生破坏, 两配合件直接产生金属接触时, 电阻值将会变得非常小。如果在润滑剂中加入自修复添加剂, 设备运转过程中, 随着自修复添加剂在摩擦副表面形成新的自修复润滑膜, 由于其成分既不同于纯润滑剂, 又不同于纯摩擦副材料。摩擦副之间的电阻值会产生变化, 通过检测这种接触电阻有无变化, 就能判断摩擦副表面是否形成新的润滑膜, 进而证明自修复添加剂的自修复效果。根据上述原理进行试验, 结果证明, 通过检测接触电阻, 能够适时体现自修复添加剂在摩擦副表面的成膜过程。
摘要：自修复效果在线检测与传统检测方法不同, 它无需拆卸设备, 无需停机就能进行。自修复效果在线检测的项目不能直接反映摩擦副表面自修复层的特征参数, 但能检测项目参数的变化, 与摩擦副表面自修复层的生成有对应关系。所以, 通过这些项目的检测, 能够反映自修复添加剂的自修复效果。
美开发新型军用自修复涂层 篇6
近日,美国海军研究局和约翰霍普金斯大学应用物理实验室开展研究,采用一种粉末修复车辆的划伤或油漆脱落,使其表层实现像人类皮肤一样自愈。该粉末被称为polyfibroblast,是由微观聚合物构成,其中包含一种油性树脂,它可被添加到油漆底漆中,以完全覆盖车辆的外表面,当底漆被划伤时,该区域破裂可引起树脂在内部流出,树脂形成“蜡状防水涂层”,从而保护暴露在外的钢材。
车辆的腐蚀问题,主要是在船只上运输和储存过程中,受到海洋盐雾环境的影响。为此,在实验室测试中,研究人员将表面涂有涂层的钢材置于充满盐雾的房间内,结果表明,涂油涂层的钢材能够保持6 周时间内不生锈。与其他的自我修复涂料相比,polyfibroblast底漆的目的是防止军用车辆在各种环境下被腐蚀。
裂缝自修复 篇7
1 混凝土特点
解决混凝土裂缝问题首先要了解混凝土的特点。混凝土作为道桥工程中的基础材料, 主要有如下几方面的特点:第一, 经济实惠。混凝土的取材较为广泛, 成本低, 价格较为实惠。从养护上来说, 作为道桥工程中最为常见的材料, 混凝土的养护费用相较其他方面来说较低。第二, 抗压性和可塑性强。混凝土抗压性强, 同时拥有可以浇筑为各种各样形状的可塑性。第三, 抗拉能力较弱。在经过众多的理论与实践相结合的研究分析后不难发现, 日常所用的混凝土的结构件均是具有裂缝的, 区别只是裂缝有大有小而已, 甚至有的裂缝细小大几乎用肉眼看不到的程度。虽然都具有裂缝, 但是非常细小的裂缝是不足以影响混凝土的使用和安全性能。但是, 某些混凝土裂缝会随着外部的作用力而使裂痕不断的增大或者产生更多裂缝, 使混凝土的耐久性以及强度降低。这种情况容易降低工程施工质量。
2 道桥工程产生裂缝的原因
2.1 由荷载而引起的道桥工程混凝土裂缝
因外荷载的原因而导致的混凝土裂缝主要有两种情况, 即直接应力裂缝以及次应力裂缝两种。其产生的主要原因表现在以下几个方面:
第一, 导致产生直接应力裂缝的原因主要为:a.设计阶段因设计员而导致裂缝。在计算阶段, 因为设计员在进行结构计算、计算模型等时发生漏算或者计算不合理, 使得荷载漏算, 造成最后使用的结构因尺寸不当而导致裂缝的产生。b.在道桥施工阶段, 因为施工人员忽略了预制结构的受力状况, 没有合理的安放施工设备, 在施工时也脱离了施工设计图而致使裂缝的产生。c.在道桥正式进入使用时, 产生裂缝的原因多样化, 比如, 通过的车辆载荷超出来道桥设计时所预期的载荷、天气条件的恶劣、自然灾害等都是道桥产生直接应力裂缝的原因。
第二, 次应力裂缝产生的原因主要为:a.当实际的结构物工作的状态公式计算得出的常规结构有些许出入时, 由于外载荷的作用下导致了一些结构的开裂。b.当道桥工程的结构体需要进行诸如开洞、牛腿设计等时, 其实际的受力状况与图纸中模拟出的计算结构产生一定的出入时, 常常导致混凝土次应力裂缝的产生。
2.2 由水分收缩而引起的道桥工程混凝土裂缝
在当今现实生活中, 大多数的混凝土裂缝都是因为混凝土中水分子的蒸发或其保湿方法不合适而导致的裂缝产生。主要包括以下四种情况:a.塑性收缩。塑性收缩主要是指混凝土在浇筑的过程所需要花费时间为四个小时, 在这期间水泥水产生了激烈的化学反应, 使得水分子快速的蒸发产生失水收缩现象, 这种情况就形成了混凝土的塑性收缩。b.缩水收缩。当混凝土变硬后, 表面的水分会慢慢蒸发, 混凝土内部的水分湿度也逐渐降低, 致使混凝土的体积变小, 产生收缩。c.自生收缩。自主收缩主要是由于混凝土在结硬时, 其内部发生的水泥同水之间的化学反应而形成的。d.炭化收缩。炭化收缩产生量较小, 一般出现在湿度为50%的情况下, 这主要是应为炭化收缩是因为需要空气中的二氧化碳同混凝土中的某些成分而发生了化学反应, 导致了混凝土的收缩。
2.3 由于地基而引发的道桥工程混凝土裂缝
地基作为道桥工程施工中的重要部分, 对道桥工程的建设起到重要的作用。而如果地基下沉或者地基水平方向发生位置移动, 会造成混凝土的结构抗拉的能力不足以支撑因地基变化而产生的附加应力, 致使混凝土裂缝的产生。地基变形常见的原因主要由两个方面。一方面, 在道桥工程施工前期的考察阶段, 因为没有细致的查看地质情况, 致使考察的结果并不准确, 无法掌握好该地区的地质特点, 不能准确地结合地质情况进行施工, 引发地基的变形。另一方面, 冻土也会引发地基的变形, 主要表现在冻土可使地基沉降或者发生水平位移。除了上述两方面原因, 在道桥使用后, 也会因为外部的荷载力问题而引起地基的变形。
2.4 温度引发的裂缝
温度变化因素有:年平均温差引起的均匀温差;日照引起的昼夜温差;季节引起的温差;蒸汽养护或施工时措施不当引起的温差;不可抗拒力引起的温差。温差会导致混凝土的强度发生变化, 导致钢筋与混凝土之间的粘结力下降, 影响到道桥结构的稳定性。
3 裂缝修复措施
3.1 对裂缝进行温度控制并进行温度预测分析
通过先进的诸如计算机仿真技术来对混凝土现场进行温度监控, 并通过分析, 为混凝土寻找较为合适的温度环境, 保证混凝土处于合适的温度环境内, 从而制定一套特定的养护方案来对施工中的混凝土进行养护, 使其避免裂缝的烦扰。
3.2 采用混凝土浇筑
在浇筑裂缝之前, 需要进行严格而精密的计算, 根据科学的计算结果, 再对裂缝进行浇筑修复。在混凝土的振捣过程中, 需要强于常规的振捣。在这期间, 对混凝土的温度也要进行严密监控, 以及对插入的深度和移动距离的严格控制, 保证浇筑在裂缝中的混凝土是最合格的。在所有修复工作完成后, 有效的养护方案也应该随即投入实施。
3.3 采用通水冷却方案
在修复裂缝的过程中, 混凝土的分层浇筑需要借助薄壁钢管, 这些钢管中有一些冷却水管。冷却水管的一个重要作用是防止管道的漏水和阻塞, 通过试水可以迅速判断是否存在漏水和阻塞等问题。同时, 冷却水在内部的流量和温度也是对混凝土内部温度进行监控的一种途径。
3.4 压力灌浆水泥灌注法
此种方法的实施措施是:裂缝应先进行检测, 实施灌浆前应对需要修复的部位裂缝进行细致的检测, 以此确定裂缝的数量和范围, 设计钻孔位置和灌浆的用量;然后进行钻孔和清理, 水泥浆液是通过砌筑体或者混凝土中不同的方法成孔, 并从孔中灌入到裂缝中。孔眼钻好后, 随后就需要进行清理, 用水从上到下的清理钻孔。然后利用空气压缩机对其进行吹干。钻孔清理应从上至下逐层清理;灌注过程中灌入到砌体或者混凝土中就会通过大裂缝或者孔隙流到结构表面, 因此, 将裂缝和孔隙封闭起来, 防止灌浆外溢。
摘要：在道路桥梁工程中如果出现混凝土裂缝问题, 那么工程的质量就会受到直接的影响, 为了保证道桥工程的质量, 还需要做好混凝土质量的预防和控制, 在根本上避免裂缝问题的发生。主要介绍了混凝土裂缝产生的原因以及防范混凝土裂缝的主要措施, 以供参考。
关键词：道桥工程,混凝土裂缝,原因,修复措施
参考文献
[1]胡存国.桥梁荷载、温度变化裂缝产生原因浅析[N].伊犁日报 (汉) , 2009.
[2]路明.混凝土桥梁裂缝产生的原因及预防把持措施[J].山西建筑, 2007 (4) .
[3]杨彦中.混凝土桥梁裂缝成因[J].黑龙江科技信息, 2003 (9) .
沥青混凝土路面裂缝修复新技术 篇8
关键词：沥青混凝土路面,裂缝修复,魁道路面材料
1 概述
公路养护是保持路况完好、延长公路使用寿命, 发挥公路社会与经济效益, 为经济建设提供良好服务的重要内容。在整个公路养护工作中, 路面养护是公路养护工作的中心环节。沥青混凝土路面是我国公路和城市道路路面的主要结构形式。随着公路通车里程的增长和使用时间的延长, 公路养护工作量会越来越大, 所需要的养护资金会越来越多。为了适应大量交通不间断、快速、舒适和安全地通行, 就必须提高路面养护质量, 使路面的服务水平得到有效保证。裂缝类破损为沥青路面的主导性损坏方式, 对路面裂缝的修补是沥青混凝土路面养护的经常性工作。公路担负着繁重的交通流, 一旦出现裂缝不允许长时间地中断交通或压缩通行断面来进行修补, 有针对性地研究裂缝修补的新方法是有积极意义的。
裂缝是最为常见的病害, 出现裂缝的原因非常多, 由其引起的对路基路面的破坏或导致的其他损失, 目前还没有科学的数据分析, 这看似小问题而又不会立竿见影导致严重后果的裂缝病害 (慢性病) , 通常不会引起业界的高度重视, 加上传统的惯性行为, 即使不断采用新材料、新技术、新工艺, 但因实施时间滞后、对裂缝的认识不足、缺乏科学的工艺和必要的评价检测手段, 限制了必要处治手段的实施和技术的发挥效果。
虽然不能把裂缝比喻为不治之症, 但防治不当而引发的对道路的破坏却是致命的。通过裂缝结构的受力分析及恶化分析, 使用简单、经济、有效的完全封层裂缝防治技术, 可以使裂缝稳定, 不再恶化, 减轻或停止裂缝带来的道路破坏, 减少将来的大修费用。
目前高速公路较多采用沿裂缝开槽以新混合料填补压实的方法。另外, 坑槽的维修是挖除坑凼及周边松散料再填入新混合料压实整平;车辙的维修是将出现车辙的面层切削或铣刨清除再重铺沥青面层。实际上, 这些处理方法都存在着明显的新旧沥青混合料交界面, 会带来沿路面接缝处路面破损问题, 而且由于工作面小, 修补后的路面强度、压实度、平整度都难以得到有效保证, 关键是该部位是路面结构中最薄弱的地方, 最容易发生损坏。目前, 国内外已开发出许多沥青路面养护维修的新材料、新工艺, 为了使这些新材料、新工艺得到推广应用, 就必须进行深入的研究。
2 沥青混凝土路面裂缝分类
按照国际上的一般认识, 沥青路面裂缝大体上有以下一些类型:
(1) 横向裂缝:主要包括温缩裂缝及半刚性基层沥青路面的反射裂缝; (2) 纵向裂缝及网裂:分为自上而下的表面裂缝和自下而上的疲劳裂缝; (3) ) 块状裂缝; (4) 边缘裂缝; (5) 沉降或沉陷裂缝; (6) ) 构造物接头裂缝。各类裂缝的成因是非常复杂的, 由于成因的不同, 裂缝在路面结构的垂向深度相差较大, 很多专著已有详细论述, 同时也在防治措施方面做了很多研究。同时, 往往由于裂缝的存在, 路面结构 (或沥青面层) 下卧层在刚度或荷载传递上是不连续的, 因而仅对路面结构 (或沥青面层) 的处理上是不彻底的, 修补效果较差。但沥青混凝土路面在使用过程中不出现裂缝往往又是不可避免的, 关键是对出现裂缝后我们的态度。只要一发现裂缝就立即对其封缝处理是最要紧的, 防止雨水下渗影响路面基层及土基的强度引起恶性循环, 这已在业内成为共识。
3 工程概况及施工要点
连霍高速公路商丘段, 车流量大, 超重车多, 工程于2001年建成通车。由于施工过程中不能中断交通, 只能采取半幅施工方案, 纵向接缝处理极为困难, 设计及施工时依据施工规范进行了相应处理, 虽精心施工, 连接部位裂缝迟早都要反射到面层上来。最早情况是施工完成后不久即出现这种裂缝, 大多在2年左右出现。
深圳魁道公司提供材料, 采用魁道路面封缝材料对上述两路段的裂缝进行了封缝处理, 经过了6个月现场试验使用, 效果较为明显。
施工配置, 除安全设施外, 仅需一工人, 加热设备靠一煤气罐即可。施工要点如下:
1) 清洁缝边路面的灰尘、脏物和松散的砂子。
2) 根据缝宽确定裁取封缝带宽度, 准备好封缝带。
3) 用喷灯或喷枪将封缝带加热, 沿裂缝位置将封缝带紧贴于缝口, 加热的温度以其表面变得油滑就可以了。
4) 为了克服封缝带与原路面的色差影响观瞻效果, 可在封缝带未完全冷却时在其上面撒一些细砂、细泥或粉煤灰。
5) 当裂缝宽大于20 mm时, 首先用普通材料填满特大缝大约至缝宽1.5倍的高度, 即填充料至缝面的距离大约是缝宽的1.5倍。把大缝封缝料熔化后浇在缝里, 并加入适量干净的碎石料, 如此反复直到缝满, 这个过程要进行人工捣实, 再在其上贴封缝带;当裂缝小于10 mm时, 可直接贴封缝带;当裂缝间于10~20mm之间时, 应用细砂进行填实后再贴封缝带。
6) 施工现场应做好交通管制, 确保施工安全。
4 结语
采用封缝带进行沥青路面裂缝处理, 提高了营运公路的服务水平, 减少养护对交通的干扰, 尤其是养护便捷简单, 对养护管理决策具有特别重要的意义。通过这两个项目的采用, 此种材料在河南高速公路及地方公路处理路面裂缝病害上, 得到了广泛的推广和应用。
参考文献