一种混凝土裂缝自溶型自修复系统及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于混凝土工程技术领域，涉及一种混凝土裂缝自溶型自修复系统及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 当今土建工程中，混凝土结构被广泛应用于各种环境，其中，不乏使用条件苛刻的 环境，如地下结构等，其自身在多因素长期作用下，性能会不断劣化，一旦损坏不易或不可 更换，将会诱发地下工程灾害。而水泥基材料的裂缝是导致结构提前失效的根本原。
[0003] 自溶型自修复系统的研究为混凝土基体微裂缝的修复及有效延缓潜在危害，提供 了一种新的解决方法。而且自溶型自修复系统将免去有效的监测和外部修复所需的高额费 用，这就避免了人工修复带来的结构停用等问题，可以节省结构运营费用，并能大大提高其 安全性和耐久性，使用寿命也将延长。
[0004] 目前，对于不同水泥基材料自修复方法的研究较多，大多数主要偏向于采用矿物 自修复或微胶囊自修复的方法。
[0005] 水泥基材料矿物自修复方法，即在水泥基材料体系中加入部分矿物材料，在裂缝 处有水渗入的情况下，能够促进和激励其中有效离子的扩散、迀移和反应，在裂缝处产生有 效愈合产物，进而完成自修复功能。由于基体材料组成和矿物材料成分不同，其愈合产物也 不完全相同，主要包括C-S-H凝胶、碳酸钙结晶沉淀、氢氧化钙等。
[0006] 水泥基材料微胶囊自修复方法，即在水泥基材料体系中加入包裹有机修复剂的有 机微胶囊，在水泥基材料受外力破坏产生裂缝时，微胶囊同时受力破坏，释放修复剂参与裂 缝修复。修复剂通过粘接固化作用使裂缝愈合。
[0007] 然而，目前基于矿物自修复法激励方法不明确、修复速率不可控，而微胶囊破裂 后，囊壁材料对水泥基材料会产生负面影响。
[0008] 授权公告号为CN 102049230 B的中国发明专利公布了一种水泥材料自修复的分 子自组装微球制备及应用，微球的制备包括以下方法:选择具有对水泥、混凝土具有优良修 复性能的修复液；自修复微球功能单体的设计和筛选;利用分子自组装技术，选用交联剂、 致孔剂，在合适条件下，将获得的功能单体和修复液聚合成具有自修复功能的微球;按照一 定比例将修复液、单体、引发剂、交联剂、致孔剂和乳化剂在一定条件下制得自修复微球。上 述专利公布的技术方案制得的自组装高分子微球最终会残留在水泥基材料基体中，而且随 着龄期的增加，微球会对基体强度和耐久性造成负面影响。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自溶的设 计理念，构建装载有保护膜的自溶型载体，并在自溶型载体上负载修复剂，能有效控制自溶 速率的混凝土裂缝自溶型自修复系统及其制备方法。
[0010] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0011] -种混凝土裂缝自溶型自修复系统，该系统包括自溶型修复载体以及包覆在自溶 型修复载体表面的自溶型保护膜，所述的自溶型修复载体上还负载有修复剂。
[0012] 所述的自溶型修复载体每lmg所吸附的吸附剂的量为49-69mg。
[0013] 所述的自溶型修复载体选自无定形Si02、磷酸钙骨水泥或水化硅酸钙中的一种或 几种。
[0014] 所述的自溶型修复载体为多孔状微球载体或中空状微球载体。
[0015] 所述的多孔状微球载体的直径为0.5-2μπι，所述的中空状微球载体的外径为1-2μ m〇
[0016]所述的自溶型修复载体优选无定形Si〇2微球。
[0017] 所述的修复剂选自硅酸钠、C3A、C3S、C2S、硅胶或酚醛树脂中的一种，优选硅酸钠。
[0018] 所述的自溶型保护膜为分子主链上含有酯键的不饱和聚酯保护膜。
[0019] 所述的不饱和聚酯为聚乳酸、聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、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中的一种，优 选聚乙烯基吡咯烷酮K15。
[0020] 所述的自溶型保护膜的厚度为20-50nm。
[0021 ] -种混凝土裂缝自溶型自修复系统的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
[0022] (1)通过溶胶-凝胶法制备自溶型修复载体，并作扩孔处理；
[0023] (2)将扩孔后的自溶型修复载体浸渍在修复剂溶液中，于20-25°C浸渍24-48小时， 后经离心分离，除去上层清液，底部修复载体经洗涤、真空干燥后，即制得负载有修复剂的 自溶型修复载体；
[0024] (3)将负载有修复剂的自溶型修复载体浸渍在自溶型保护膜溶液中，并于90-120 °C，浸渍2-5小时，使得自溶型保护膜充分包覆在负载有修复剂的自溶型修复载体的表面 上，即制得所述的自溶型自修复系统。
[0025] 需要说明的是，以自溶型修复载体为无定形Si02为例，步骤(1)中，溶胶-凝胶法制 备自溶型修复载体包括以下步骤：
[0026] (1-1)将异丙醇和去离子水混合均匀，加入十六胺，超声混匀；
[0027] (1-2)加入质量分数为25-28%的氨水溶液，于20-25Γ下，搅拌均匀；
[0028] (1 _3) -次性注入正硅酸乙酯，并充分搅拌；
[0029] (1-4)于20-25°C，静置12-36小时，过滤，保留固体，洗涤，干燥，后在空气氛围下， 控制温度为500-700°C，焙烧4-8小时，即制得Si02微球。
[0030] 其中，异丙醇与去离子水、氨水溶液、正硅酸乙酯的体积比为10 :9:0.14:0.58，十 六胺与正硅酸乙酯的质量比为1:5.4。
[0031] 步骤(1)中的扩孔处理包括以下步骤：
[0032] (a)按NaCl、LiCl、KN〇3与水的质量比为20:5:5:70，配制复盐溶液；
[0033] (b)将Si02微球置于坩埚中，加入复盐溶液，控制Si02微球在复盐溶液的质量浓度 为l-2g/mL，经超声混合均匀，浸渍30-40分钟，烘干，再于空气氛围下，控制温度为300-400 °C，焙烧3-5小时；
[0034] (c)待焙烧处理结束后，产物经洗涤，烘干，即制得扩孔后的Si02微球。
[0035]步骤(2)中，修复剂溶液为质量分数为10-20%的硅酸钠溶液，扩孔后的Si02微球 与修复剂溶液的质量比为1:40-60，离心分离的条件为：离心转速为8000-9000r/min，离心 时间为10_20min。
[0036] 步骤(3)中，自溶型保护膜溶液为PVP溶液，负载有修复剂的Si02微球与PVP溶液中 PVP的摩尔比为1:8-12;其中，PVP的相对分子质量为40000-60000。
[0037]本发明混凝土裂缝自溶型自修复系统的构建，主要基于修复系统自溶的理论，包 括自溶环境、修复载体的选择、修复剂及保护膜的选择、自溶修复热力学、动力学、载体吸附 修复剂、装载保护膜以及修复剂释放。
[0038]本发明自溶型自修复系统，是指由保护膜包裹的修复载体微球在混凝土碱环境中 缓慢溶蚀，当混凝土破坏，外界水环境进入时，保护膜会在碱性溶液下渐渐被刻蚀，修复载 体通过表面的孔隙释放修复剂进行修复，或者保护膜被刻蚀后修复载体自身就开始自溶修 复反应;同时因为破坏处表面水化产物溶解出的Ca 2+与修复剂和修复载体反应，修复反应平 衡向生成C-S-H凝胶，加快了 C-S-H凝胶的生成，促进修复作用。修复剂作用完后，修复载体 自身自溶继续反应生成C-S-H凝胶，最终留下的外层保护膜也会在碱环境下渐渐被溶蚀。所 述的自溶环境包括内部环境、外部环境和环境变化。内部环境指，水泥基内部较强的碱环境 为载体自溶、保护膜刻蚀、修复剂反应生成C-S-H凝胶提供了丰富的0H'水泥基体的溶解提 供了生成C-S-H凝胶所需要的Ca 2+。外部环境指，自愈合过程中的水环境特点。一方面，水是 自愈合过程中离子传输的介质，引起离子的迀移。另一方面，水的存在诱导修复载体发生自 溶反应和修复剂发生愈合反应。环境变化致使水泥基材料结构出现裂缝后，影响自溶自修 复过程的因素主要为溶液pH、温度和初始物质浓度。
[0039] 所述的自溶型修复载体自溶依靠的热力学理论，指先求出修复剂与Ca2+在不同温 度下生成不同C-S-H凝胶的吉布斯自由能ΔΓ#，
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[0041] 再通过线性拟合-Γ的关系式，可以得到不同温度下c-s-h凝胶的生成吉布斯 自由能，由此判断反应的可行性。
[0042]所述的自溶型修复载体自溶依靠的动力学理论，指确定自溶反应的动力学方程来 判断反应速率。
[0043] 所述的自溶型修复载体吸附修复剂的过程，是指修复载体通过浸渍法或原位负载 法负载修复剂，优选的采用浸渍法。
[0044] 所述的自溶型修复载体装载保护膜的过程，是指吸附有修复剂的修复载体通过浸 渍法将保护膜装载到修复载体表面。
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