一种自修复材料和带该自修复材料的混凝土及其制备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种自溶混杂矿物自修复材料和带该 自修复材料的混凝土及其制备。
【背景技术】
[0002] 城市轨道交通隧道结构设计寿命为100年，其所处岩土赋存条件复杂，周边环境敏 感，列车运行密度极高，使用条件苛刻，结构自身在多因素长期作用下性能不断劣化，一旦 损坏不易或不可更换，并将会诱发地下工程灾害。水泥基材料的裂缝是导致结构提前失效 的根本原因。水泥基材料自修复材料为混凝土基体微裂缝的修复和有效延缓潜在的危害提 供了一种新的方法，一个自修复材料将免去有效的监测和外部修复所需的高额费用，避免 了人工修复带来的轨道交通线路停运等问题，可以节省结构运营费用，且大大提高其安全 性和耐久性，地铁的使用寿命也将延长。
[0003] 目前，已提出许多水泥基材料自修复方法，这些方法对实现水泥基材料裂缝自修 复具有重要的实际意义。根据自愈合机理，可将这些混凝土自修复分为两大类：自然愈合和 工程愈合。自然愈合主要是指未水化水泥熟料的继续水化和碳化作用在裂缝中形成的碳酸 钙愈合。工程愈合又可分为两类：自动愈合和主动修复；自动愈合主要包括以下几种:粉煤 灰的火山灰效应、特殊矿物材料和渗透结晶自愈合等;主动修复可包括以下几类:微胶囊智 能修复、玻璃纤维管修复、热塑管的熔化修复、形状记忆合金自修复和复合材料传感器自修 复。但上述这些自修复方法都存在如下缺点和不足。
[0004] (1)自然愈合。修复裂缝时间长，愈合裂缝宽度小于150μπι，对于龄期大于28d的混 凝土自愈合能力很弱，二次愈合能力几乎没有。
[0005] (2)主动修复（自主愈合）。自主自愈合主要机理是将内含高分子修复剂的修复容 器预埋在混凝土中，当混凝土开裂，修复容器随之破裂，修复剂流出，填充、修复裂缝。从混 凝土自修复的发展和应用来看，尚有许多问题需要解决和完善。例如，高分子修复剂属于有 机材料，不耐久、容易老化，并且与混凝土基体的相容性较差;修复容器的制备复杂，与混凝 土材料共同搅拌、振捣而破碎;使用形状记忆合金价格太过于昂贵;使用细菌时，不能保证 它的时效性等。
[0006] (3)自动愈合。自动愈合是对自然愈合的加速，并且愈合产物与基体的相容性较 好，但仍存在如下问题。例如，粉煤灰、矿渣等种类材料，可以与钙离子反应形成二次水化， 但是愈合能力不显著，愈合裂缝宽度小于150μπι，由于二次水化消耗钙离子，使得基体水化 产物溶解并且碳酸钙形成受到限制;渗透结晶技术虽然可提高开裂混凝土抗渗性，但是对 水泥基材料力学性能恢复不明显，同时愈合产物稳定性较差;特殊矿物材料指的是具有不 同功能的矿物材料，例如膨胀剂，柠檬酸，草酸，膨润土，硅基材料，碳酸钠等，这些材料虽然 可以愈合较大裂缝宽度(〇.4mm)，但是不能有效愈合裂缝内部，力学性能恢复不显著，大部 分矿物因早期即参与反应，使得愈合能力减弱，二次愈合能力一般。
[0007] 中国专利CN103073212 A公开了一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂， 在水泥基材料中添加所述矿物外加剂，当水泥基材料产生裂缝时在一定环境诱导条件下其 在水泥基材料裂缝中生成不溶性的沉积物，填充、封闭水泥基材料裂缝，实现水泥基材料裂 缝的自愈合。但该发明可控性差，无法实现反复修复，并且发生修复时混凝土基体稳定性 差，矿物的长期有效性较弱，力学性能恢复不显著。
【发明内容】
[0008] 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自溶混杂矿物 自修复材料和带该自修复材料的混凝土及其制备。
[0009] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010] -种自修复材料，所述的自修复材料由均匀混合的矿物组分微球组成，所述的矿 物组分微球由矿物组分和包覆矿物组分的载体保护膜组成，所述的自修复材料中包含以下 重量份数的矿物组分： 硅基矿物 20~55份， 硅酸盐矿物 L30:份，
[0011] 膨胀矿物 25~50份， 结晶矿物 5~30份，
[0012] 钙离子源矿物 5~10份。
[0013] 所述的硅基矿物由硅灰和粉煤灰复配而成，硅基矿物中，氧化硅的含量大于 60wt%，氧化铝的含量大于10wt%，氧化钙的含量大于10wt% ;
[0014] 所述的硅酸盐矿物呈层状结构，其层间含有可交换的阳离子；
[0015] 所述的膨胀矿物由硅铝酸盐、氧化铝和硫酸钙复配而成；
[0016] 所述的结晶矿物选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、柠檬酸或酒石酸中的一种或几种。
[0017] 所述的硅酸盐矿物选自钠基膨润土、钙基膨润土或蒙脱土中的一种；
[0018] 所述的膨胀矿物的化学成分中氧化硅含量为25-35wt%、氧化铝含量为10-20wt%，氧化钙含量为15-25wt%、三氧化硫含量为25-35wt% ;
[0019] 所述的结晶矿物为碳酸钠和酒石酸的混合物，其添加的质量比为4:1。由于基体中 已经添加了充足的钙离子源，不缺乏钙离子，而碳酸钠含量越大，形成碳酸钙的数量以及速 度都越快，这样会有利于裂缝的修复，同时引入一定程度的酒石酸，同样是利用其能与钙离 子形成络合物，为可能发生的二次修复提供充足的钙离子。
[0020] 所述的钙离子源矿物选自氢氧化钙或氧化钙中的一种或两种。
[0021 ]所述的载体保护膜的材料为有酯键的不饱和聚酯材料。
[0022]所述的载体保护膜的材料选自聚乳酸、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、聚乙烯基吡咯烷酮K90中的 一种。
[0023]所述的载体保护膜的材料为聚乙烯基吡咯烷酮K15。
[0024] 一种带自修复材料的混凝土，该混凝土由胶凝材料、骨料、自修复材料和水混合浇 筑而成，所述的混凝土中，各矿物组分的添加总量为胶凝材料的8~17wt%。
[0025] 一种带有自修复材料的混凝土的制备方法，包括以下步骤：
[0026] (1)自修复材料的制备：按重量份数称取以下矿物组分:硅基矿物20~55份、硅酸 盐矿物10~30份、膨胀矿物25~50份、结晶矿物5~30份、钙离子源矿物5~10份，分别置入 载体保护膜材料乙醇溶液中，浸渍，取出干燥后混合，即得到自修复材料；
[0027] (2)混凝土的制备：先在水中加入自修复材料，搅拌分散均匀，再依次加入胶凝材 料和骨料，搅拌均匀后，浇筑成型，拆模，养护，即得到混凝土。
[0028]步骤(1)中：浸渍过程中，载体保护膜材料乙醇溶液的浓度为0.05~0. lg/ml，各矿 物组分与载体保护膜材料的摩尔比均为8~12 :1，浸渍的工艺条件为：在45~55 °C下浸渍 0.5~1.5h;
[0029] 步骤(2)中的养护是在18~22°C温度、相对湿度为95%以上的条件下进行。
[0030] 本发明通过使用载体保护膜对矿物进行包覆以提高矿物能长期有效性和可控性， 同时通过引入钙离子源使得修复过程中混凝土基体稳定性好，而钙离子与矿物材料在愈合 过程中所形成的络合物可以为裂缝的反复修复提供帮助，最后，通过包覆矿物材料，尤其是 膨胀剂，可以获得显著力学性能的提高。将本发明所述的自修复材料用于混凝土中时，混杂 矿物外部使用保护膜包覆，保护膜能够使得混杂矿物可以长时间在混凝土基体中未发生水 化，当混凝土破坏、周围环境发生变化时(混凝土裂缝中有碱性水溶液存在），包覆混杂矿物 的保护膜在碱性水溶液中溶解，进而混杂矿物与水接触，由于此时水分充足，混杂矿物本身 和相互之间发生化学反应，并且混杂矿物中含有的钙离子源可以使保护膜溶解速度提升， 从而促进更多的混杂矿物发生水化反应，进而生成大量的愈合产物，发挥修复作用使混凝 土自修复，因此基于保护膜和修复材料均能自溶，故该修复系统是