內置玻璃膠囊自修復混凝土力學性能試驗研究
2006-07-25 00:00
摘 要：將自密實混凝土技術應用于自修復混凝土中，并采用正交試驗方法，分析玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和體積摻量對自密實混凝土力學性能的影響，比較各因素對其強度影響的大小關系，揭示了玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量對自密實混凝土強度的影響規(guī)律，選取了幾何參數(shù)和摻量最佳組合的玻璃膠囊。
關鍵詞：玻璃膠囊；自密實；自修復混凝土；力學性能
1 引言
仿生自修復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膠囊，膠囊內含有可流動的物質——修復膠粘劑，形成智能型自愈合網(wǎng)絡系統(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，從而實現(xiàn)混凝土裂縫的自愈合。自修復混凝土作為智能結構的重要組成部分，可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決或不能解決的技術關鍵，對確保高層建筑、橋梁、核電站等重大土木基礎設施的安全和長期的耐久性，以及減輕臺風、地震沖擊等諸多破壞因素方面有很大的應用潛力。研究和開發(fā)仿生自修復混凝土，使其能夠主動、自動地對損傷部位進行修復、恢復并提高混凝土材料的性能巳成為混凝土技術的發(fā)展趨勢。
然而。在內置玻璃膠囊自修復混凝土的施工中，若對混凝土進行振搗，將使玻璃膠囊受擾動而浮出混凝土表面，甚至導致玻璃膠囊破碎，其修復劑過早流失，達不到修復混凝土的目的。自密實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、在復雜模板中填充成型并且不產(chǎn)生離析，具有均勻自密實成型性能，同時硬化后具有優(yōu)良的力學性能和耐久性能。近年來，在自密實高性能混凝土的配合比優(yōu)化及結構的安全性能方面進行了系列的研究。因此，采用自密實混凝土作為自修復混凝土的基材，較好地解決了自修復混凝土構件制作的技術難題。
玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量的選擇對混凝土的修復效果起著非常重要的作用。一方面玻璃膠囊若選擇不當，將起不到修復混凝土的效果；另一方面，在混凝土中內置玻璃膠囊不當，將影響混凝土的力學性能。為了保證自密實混凝土的力學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 試驗研究
2。1 試驗設計
由于影響內置空心玻璃膠囊混凝土力學性能的因素很多，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）的玻璃膠囊進行試驗。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混凝土力學性能的影響規(guī)律，采用正交試驗設計方法，選用 L18（61×36）正交表 （見表1）。
2。2 試驗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里攪拌，將導致膠囊破裂，若對混凝土進行振搗，不但會導致內置于混凝土中的玻璃膠囊因為受擾動而浮出混凝土的表面，而且還容易導致它們破碎。因此試件制作采用自密實混凝土，用手工播撒的方式分層均勻地將空心玻璃膠囊放入試模混凝土中。由于玻璃膠囊的價格較高，對于考慮多因素多水平的正交試驗，試件個數(shù)多，需要大量的玻璃膠囊，因此試驗選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊以及100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊進行試驗。試驗根據(jù)GB／T50081—2002（普通混凝土力學性能試驗方法標準》的有關方法進行。各試塊帶模養(yǎng)護1 d后拆模，并測定其長度作為基準長度，然后放在標準養(yǎng)護室里養(yǎng)護28 d，再進行力學性能試驗。
3 結果與分析
3。1 試驗現(xiàn)象
膠囊在混凝土中的分布是亂向的。從破壞面來看，當膠囊方向與荷載方向接近垂直時，膠囊破碎率極高，幾乎達到百分百；而當膠囊方向接近或者比較接近與荷載平行時，其破壞率比較低，這在劈拉試驗表現(xiàn)得尤為突出。管徑越大，膠囊破壞的個數(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別沒有破碎。玻璃膠囊摻量大的試塊破壞時，可以聽到玻璃破碎的聲音。對劈拉試驗試塊破壞面進行觀察，摻量大的試塊，膠囊比較集中，而且破碎率很高。除了個別試塊在劈裂面上出現(xiàn)一兩個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，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 試驗結果殛分析
根據(jù)正交設計方案對自密實混凝土的28 d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量進行試驗，試驗結果列在表3。極差分析結果和方差分析結果分別列在表4和表5。其中表5的ST為總變差；Sq為試驗誤差。同批澆筑的未摻玻璃膠囊的同配比自密實混凝土的力學性能為：28 d抗壓強度46.9 MPa，劈拉強度3.62 MPa，彈性模量34.12 GPa。
根據(jù)表4中正交試驗數(shù)據(jù)的極差結果可以看出，各因素對混凝土28 d抗壓強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的方差分析結果知道，對于混凝土28 d抗壓強度。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，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劈拉強度，各因素的影響大小關系依次為：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方差分析結果，按照指標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度指標，同時考慮因素影響的顯著性大小。對于混凝土抗壓強度，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)試驗數(shù)據(jù)計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計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。此時混凝土28 d抗壓強度達到46.66 MPa，劈拉強度為3.59MPa，彈性模量為33.85 GPa。與未摻玻璃膠囊的同配比自密實混凝土的力學性能相比，削弱很小，因此所選組合較合理。此外，本試驗所選的摻量水平對混凝土強度影響不明顯。
4 玻璃膠囊對混凝土力學性能的影響及其機理
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，其抗壓強度在500～2 000 MPa?？估瓘姸仍?0～100 MPa。都遠遠高于混凝土的強度。當外界荷載較小時，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作用，使玻璃能在一定程度上和混凝土一起承受荷載，此時已有一定的拉應力作用在玻璃上。隨著荷載的增加，混凝土開裂。開裂部分的混凝土脫離工作，其原先承擔的拉應力轉由玻璃承擔，作用在玻璃上的拉應力急劇增加，導致玻璃表面產(chǎn)生大量不可視的微裂紋。隨著荷載繼續(xù)加大，細微裂紋產(chǎn)生應力集中，裂紋尖端處的應力遠遠超過平均應力。當達到臨界應力時，引發(fā)裂縫繼續(xù)擴展，最終導致玻璃破損，修復膠粘劑流出，填充裂縫，起到修復作用。同時，玻璃的尺寸和摻量如果在比較小的范圍內，對混凝土的力學性能影響并不大。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。當溫度變化時，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。玻璃的化學穩(wěn)定性可抵抗水、酸、堿以及其它化學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度的影響，因此抗壓強度隨著摻量的增大，出現(xiàn)了波浪式的變化，雖然總的趨勢是減小的，但卻不是嚴格的單調遞減。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，當摻量一定時，長度變化不僅簡單導致混凝土強度的變化，同時引起管徑對?昆凝土強度的影響。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，對混凝土強度削弱不多，強度降低的最大百分數(shù)為7.1% 。以前那種認為摻量一定，長度和管徑對混凝土強度起互補作用，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。從劈拉強度來看，膠囊長度是影響劈拉強度的最主要因素，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，可見交互作用對劈拉強度影響不大，這一點與抗壓強度不同。從各水平對應的劈拉強度平均值來看，摻入長度為25mm的膠囊對劈拉強度的削弱最小，削弱百分數(shù)為5%。最大削弱百分數(shù)為11.2% 。摻入管徑為6 mm的膠囊對劈拉強度的削弱最小，削弱百分數(shù)為6.1%，最大削弱百分數(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，其它在誤差之內可忽略不計。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，削弱百分數(shù)為1%，最大削弱百分數(shù)為4.5%。
由方差分析結果得出的誤差值，與直觀分析的空列對應的誤差值接近，因此分析結果是可信的。將數(shù)理統(tǒng)計方法運用于自修復混凝土中玻璃膠囊和自密實混凝土的力學性能匹配的研究，對自修復混凝土的研究及其應用都具有現(xiàn)實的指導意義。
5 結語
1）將自密實混凝土技術應用于自修復混凝土中，可以解決玻璃膠囊在施工振搗中上浮及易破碎的問題。
2）采用正交試驗分析方法研究玻璃膠囊體積摻量、長度和管徑對自修復混凝土力學性能的影響規(guī)律及其影響的顯著性。研究結果表明，膠囊長度和管徑的交互作用對混凝土抗壓強度的影響最為顯著，膠囊體積摻量的增加使抗壓強度呈下降趨勢，但并非最主要影響因素，所取水平影響并不顯著，同時為了保證有足夠的修復劑，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果，綜合考慮抗壓強度、劈拉強度和彈性模量3指標，同時根據(jù)各因素交互作用的影響，得出玻璃膠囊與自密實混凝土力學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）目前自修復混凝土還處于實驗室研究階段，與實際工程還有一定距離，但從長遠看，自修復混凝土具有優(yōu)越的智能性和安全性，有著廣闊的發(fā)展前景。
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