內(nèi)置玻璃膠囊自修復(fù)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究
2006-07-25 00:00
摘 要：將自密實(shí)混凝土技術(shù)應(yīng)用于自修復(fù)混凝土中，并采用正交試驗(yàn)方法，分析玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和體積摻量對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響，比較各因素對其強(qiáng)度影響的大小關(guān)系，揭示了玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量對自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，選取了幾何參數(shù)和摻量最佳組合的玻璃膠囊。
關(guān)鍵詞：玻璃膠囊；自密實(shí)；自修復(fù)混凝土；力學(xué)性能
1 引言
仿生自修復(fù)混凝土材料屬于智能材料范疇，它是在混凝土基體中摻入修復(fù)膠囊，膠囊內(nèi)含有可流動(dòng)的物質(zhì)——修復(fù)膠粘劑，形成智能型自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在外界荷載作用下，一旦混凝土基體開裂，部分膠囊破裂，膠粘劑流出并滲入裂縫處凝結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的自愈合。自修復(fù)混凝土作為智能結(jié)構(gòu)的重要組成部分，可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決或不能解決的技術(shù)關(guān)鍵，對確保高層建筑、橋梁、核電站等重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全和長期的耐久性，以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震沖擊等諸多破壞因素方面有很大的應(yīng)用潛力。研究和開發(fā)仿生自修復(fù)混凝土，使其能夠主動(dòng)、自動(dòng)地對損傷部位進(jìn)行修復(fù)、恢復(fù)并提高混凝土材料的性能巳成為混凝土技術(shù)的發(fā)展趨勢。
然而。在內(nèi)置玻璃膠囊自修復(fù)混凝土的施工中，若對混凝土進(jìn)行振搗，將使玻璃膠囊受擾動(dòng)而浮出混凝土表面，甚至導(dǎo)致玻璃膠囊破碎，其修復(fù)劑過早流失，達(dá)不到修復(fù)混凝土的目的。自密實(shí)混凝土是在沒有振搗的情況下僅靠自重就能穿越密集鋼筋、在復(fù)雜模板中填充成型并且不產(chǎn)生離析，具有均勻自密實(shí)成型性能，同時(shí)硬化后具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能。近年來，在自密實(shí)高性能混凝土的配合比優(yōu)化及結(jié)構(gòu)的安全性能方面進(jìn)行了系列的研究。因此，采用自密實(shí)混凝土作為自修復(fù)混凝土的基材，較好地解決了自修復(fù)混凝土構(gòu)件制作的技術(shù)難題。
玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量的選擇對混凝土的修復(fù)效果起著非常重要的作用。一方面玻璃膠囊若選擇不當(dāng)，將起不到修復(fù)混凝土的效果；另一方面，在混凝土中內(nèi)置玻璃膠囊不當(dāng)，將影響混凝土的力學(xué)性能。為了保證自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能不致受到大的影響，有必要對玻璃膠囊和混凝土基材的性能匹配進(jìn)行研究，以選出體積摻量和幾何參數(shù)最佳組合的玻璃膠囊。
2 試驗(yàn)研究
2。1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
由于影響內(nèi)置空心玻璃膠囊混凝土力學(xué)性能的因素很多，包括膠囊的體積摻量、膠囊長度和膠囊管徑，本文主要研究空心玻璃膠囊（未注入膠粘劑）和混凝土基材的性能匹配，因此選擇6個(gè)摻量（1.5% 、2.0% 、2.5%、3.0% 、3.5% 、4.0%），3種長度（20、25、30mm）以及3種管徑（4、6、8 mm）的玻璃膠囊進(jìn)行試驗(yàn)。為了系統(tǒng)考察玻璃膠囊體積摻量、長度以及管徑對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選用 L18（61×36）正交表 （見表1）。
2。2 試驗(yàn)原材料及混凝土配合比
2。3 試件制作
在混凝土中摻入玻璃膠囊，如果直接將膠囊與拌合物一起放在攪拌機(jī)里攪拌，將導(dǎo)致膠囊破裂，若對混凝土進(jìn)行振搗，不但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)置于混凝土中的玻璃膠囊因?yàn)槭軘_動(dòng)而浮出混凝土的表面，而且還容易導(dǎo)致它們破碎。因此試件制作采用自密實(shí)混凝土，用手工播撒的方式分層均勻地將空心玻璃膠囊放入試?；炷林?。由于玻璃膠囊的價(jià)格較高，對于考慮多因素多水平的正交試驗(yàn)，試件個(gè)數(shù)多，需要大量的玻璃膠囊，因此試驗(yàn)選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊以及100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)GB／T50081—2002（普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)方法進(jìn)行。各試塊帶模養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，并測定其長度作為基準(zhǔn)長度，然后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里養(yǎng)護(hù)28 d，再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。
3 結(jié)果與分析
3。1 試驗(yàn)現(xiàn)象
膠囊在混凝土中的分布是亂向的。從破壞面來看，當(dāng)膠囊方向與荷載方向接近垂直時(shí)，膠囊破碎率極高，幾乎達(dá)到百分百；而當(dāng)膠囊方向接近或者比較接近與荷載平行時(shí)，其破壞率比較低，這在劈拉試驗(yàn)表現(xiàn)得尤為突出。管徑越大，膠囊破壞的個(gè)數(shù)也越多。管徑為4mm，且分布的方向基本與荷載方向垂直的膠囊只有個(gè)別沒有破碎。玻璃膠囊摻量大的試塊破壞時(shí)，可以聽到玻璃破碎的聲音。對劈拉試驗(yàn)試塊破壞面進(jìn)行觀察，摻量大的試塊，膠囊比較集中，而且破碎率很高。除了個(gè)別試塊在劈裂面上出現(xiàn)一兩個(gè)膠囊和混凝土脫離而沒破碎，其余的玻璃膠囊都能破碎。沒有破碎的膠囊分布方向大都與荷載相平行，且處于劈裂面附近。試塊破壞時(shí)，作用在膠囊上的力不足以使膠囊破碎，而且玻璃膠囊表面光滑與混凝土的粘接強(qiáng)度較小，所以也出現(xiàn)沒有被撕裂的現(xiàn)象。摻量較小的試塊，破壞面上膠囊個(gè)數(shù)明顯較少，也比較分散，破碎程度與摻量大的基本一致，破碎率都很高。
3。2 試驗(yàn)結(jié)果殛分析
根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案對自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列在表3。極差分析結(jié)果和方差分析結(jié)果分別列在表4和表5。其中表5的ST為總變差；Sq為試驗(yàn)誤差。同批澆筑的未摻玻璃膠囊的同配比自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能為：28 d抗壓強(qiáng)度46.9 MPa，劈拉強(qiáng)度3.62 MPa，彈性模量34.12 GPa。
根據(jù)表4中正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差結(jié)果可以看出，各因素對混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響大小依次為：膠囊長度和管徑交互作用B×C>膠囊摻量A>膠囊管徑C>摻量和管徑的交互作用A×C>膠囊長度B>摻量和長度的交互作用A×B。由表5的方差分析結(jié)果知道，對于混凝土28 d抗壓強(qiáng)度。膠囊長度和管徑交互作用的影響最為顯著，摻量有一定的影響，其它因素取值都在比較合理的范圍之內(nèi)，因此看不出有明顯的差別。將影響明顯較小的摻量和長度的交互作用A× B與空列D一起作為誤差分析。
由表4可看出，對于混凝土28 d劈拉強(qiáng)度，各因素的影響大小關(guān)系依次為：膠囊長度B>膠囊管徑C>膠囊摻量A>空列D>膠囊長度和管徑交互作用B× C>摻量和管徑的交互作用A ×C>摻量和長度的交互作用A × B。由表5的方差分析結(jié)果可看出，膠囊長度有顯著的影響，其次是管徑，摻量有一定的影響，交互作用影響很小，和空列一起做誤差分析。
對混凝土28 d彈性模量，各因素的影響大小依次為：膠囊管徑C>膠囊長度和管徑交互作用B×C>膠囊摻量A>摻量和管徑的交互作用A×C>空列D>摻量和長度的交互作用A×B>膠囊長度日。由表5的方差分析結(jié)果可看出，摻量和管徑以及長度和管徑的交互作用都有顯著的影響，其中管徑的影響最顯著。將影響顯著性被空列誤差淹沒的摻量和長度的交互作用A×B和膠囊長度B與空列D一起做誤差分析。
根據(jù)表4極差分析和表5方差分析結(jié)果，按照指標(biāo)重要性和因索影響顯著性來考慮，即由于混凝土主要承受壓力，所以必須首先滿足抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)考慮因素影響的顯著性大小。對于混凝土抗壓強(qiáng)度，由于膠囊長度和管徑交互作用影響的顯著性，超過了摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，所以在選擇最佳摻量水平之前。要先根據(jù)膠囊長度和管徑交互作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出膠囊長度和管徑的最佳組合。這里根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出膠囊長度和管徑的最佳組合為B2C2，然后考慮摻量水平影響顯著性大小。初步確定玻璃膠囊摻量和膠囊?guī)缀螀?shù)的最佳組合為正交設(shè)計(jì)18種組合中的第8種組合，即A3B2C2，摻量為2.5% ，長度取25 mm，管徑取6 mm。此時(shí)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到46.66 MPa，劈拉強(qiáng)度為3.59MPa，彈性模量為33.85 GPa。與未摻玻璃膠囊的同配比自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能相比，削弱很小，因此所選組合較合理。此外，本試驗(yàn)所選的摻量水平對混凝土強(qiáng)度影響不明顯。
4 玻璃膠囊對混凝土力學(xué)性能的影響及其機(jī)理
玻璃是典型的脆性材料，沒有屈服延伸階段，不存在塑性變形，其抗壓強(qiáng)度在500～2 000 MPa?？估瓘?qiáng)度在50～100 MPa。都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)外界荷載較小時(shí)，混凝土未開裂。由于混凝土和玻璃之間存在著膠著力、握裹力以及摩擦力等粘結(jié)作用，使玻璃能在一定程度上和混凝土一起承受荷載，此時(shí)已有一定的拉應(yīng)力作用在玻璃上。隨著荷載的增加，混凝土開裂。開裂部分的混凝土脫離工作，其原先承擔(dān)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)由玻璃承擔(dān)，作用在玻璃上的拉應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致玻璃表面產(chǎn)生大量不可視的微裂紋。隨著荷載繼續(xù)加大，細(xì)微裂紋產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋尖端處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均應(yīng)力。當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)，引發(fā)裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致玻璃破損，修復(fù)膠粘劑流出，填充裂縫，起到修復(fù)作用。同時(shí)，玻璃的尺寸和摻量如果在比較小的范圍內(nèi)，對混凝土的力學(xué)性能影響并不大。此外，玻璃的線膨脹系數(shù)α 大約為1.0 *10-5，而混凝土的線膨脹系數(shù)大約為1.0 * 10-5～ 1.5×10-5 ，它們的線膨脹系數(shù)很接近。當(dāng)溫度變化時(shí)，玻璃和混凝土不至于產(chǎn)生相對的溫度變形而破壞它們之間的粘結(jié)。玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性可抵抗水、酸、堿以及其它化學(xué)試劑溶液或氣體的侵入，能長期保存在混凝土中而不影響混凝土的性能。
從抗壓強(qiáng)度來看，由于膠囊長度和管徑交互作用的顯著影響，超過了摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，因此抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增大，出現(xiàn)了波浪式的變化，雖然總的趨勢是減小的，但卻不是嚴(yán)格的單調(diào)遞減。主要是由于膠囊長度和管徑交互作用并不是膠囊長度和管徑分別作用的簡單相加，當(dāng)摻量一定時(shí)，長度變化不僅簡單導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的變化，同時(shí)引起管徑對?昆凝土強(qiáng)度的影響。反之亦然。玻璃膠囊摻量的影響并不是特別顯著，所取的水平都是處在比較合理的范圍，對混凝土強(qiáng)度削弱不多，強(qiáng)度降低的最大百分?jǐn)?shù)為7.1% 。以前那種認(rèn)為摻量一定，長度和管徑對混凝土強(qiáng)度起互補(bǔ)作用，即可相互抵消影響，是沒有考慮膠囊長度和管徑交互作用的影響。從劈拉強(qiáng)度來看，膠囊長度是影響劈拉強(qiáng)度的最主要因素，其次是膠囊管徑，膠囊摻量。而所有的交互作用都在誤差（空列）之內(nèi)，可見交互作用對劈拉強(qiáng)度影響不大，這一點(diǎn)與抗壓強(qiáng)度不同。從各水平對應(yīng)的劈拉強(qiáng)度平均值來看，摻入長度為25mm的膠囊對劈拉強(qiáng)度的削弱最小，削弱百分?jǐn)?shù)為5%。最大削弱百分?jǐn)?shù)為11.2% 。摻入管徑為6 mm的膠囊對劈拉強(qiáng)度的削弱最小，削弱百分?jǐn)?shù)為6.1%，最大削弱百分?jǐn)?shù)為11.3%。對于彈性模量而言，膠囊管徑的影響作用最大，然后依次是膠囊長度和管徑交互作用，膠囊摻量以及摻量和管徑的交互作用，其它在誤差之內(nèi)可忽略不計(jì)。從得出的平均值可以看出 彈性模量隨著管徑的增加而降低，即管徑為4 llLrn對其削弱程度最小，削弱百分?jǐn)?shù)為1%，最大削弱百分?jǐn)?shù)為4.5%。
由方差分析結(jié)果得出的誤差值，與直觀分析的空列對應(yīng)的誤差值接近，因此分析結(jié)果是可信的。將數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法運(yùn)用于自修復(fù)混凝土中玻璃膠囊和自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能匹配的研究，對自修復(fù)混凝土的研究及其應(yīng)用都具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
5 結(jié)語
1）將自密實(shí)混凝土技術(shù)應(yīng)用于自修復(fù)混凝土中，可以解決玻璃膠囊在施工振搗中上浮及易破碎的問題。
2）采用正交試驗(yàn)分析方法研究玻璃膠囊體積摻量、長度和管徑對自修復(fù)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律及其影響的顯著性。研究結(jié)果表明，膠囊長度和管徑的交互作用對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，膠囊體積摻量的增加使抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，但并非最主要影響因素，所取水平影響并不顯著，同時(shí)為了保證有足夠的修復(fù)劑，選取膠囊摻量在2.0%~ 4.0%較合適。玻璃膠囊長度對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響最為顯著，摻入長度為25 mm的膠囊對混凝土劈拉強(qiáng)度的削弱最小。而玻璃膠囊管徑對混凝土彈性模量的影響最為顯著，管徑為4 mm的膠囊對彈性模量的削弱程度最小。
3）按照極差分析和方差分析結(jié)果，綜合考慮抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量3指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)各因素交互作用的影響，得出玻璃膠囊與自密實(shí)混凝土力學(xué)性能相匹配的體積摻量及幾何參數(shù)，即膠囊摻量為2.5% 、長度為25 mm和管徑為6mm。
4）目前自修復(fù)混凝土還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，與實(shí)際工程還有一定距離，但從長遠(yuǎn)看，自修復(fù)混凝土具有優(yōu)越的智能性和安全性，有著廣闊的發(fā)展前景。
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