一种单组份愈合胶囊和自愈合混凝土的制作方法

本发明涉及工程材料技术领域，特别涉及一种单组份愈合胶囊和自愈合混凝土。

背景技术：

混凝土是现在广泛使用的建筑材料，但是在使用过程中在受力或其他因素作用下会出现损伤产生微裂缝，这些损伤是隐形的，但是如果不能及时修复，会造成混凝土的力学性能降低，甚至可能引发宏观裂缝，从而使水渗入导致钢筋锈蚀，降低混凝土结构的抗震能力和使用寿命。目前，在结构抗震设计方面采取的主要方法是加大结构尺寸，增加钢筋用量，但是这既增加了结构的造价，又不美观；而采用人工被动修补混凝土裂缝也是非常耗时、耗力和昂贵的，并且对于某些结构(例如地下、桥梁等)难以进行操作。因此，研究和开发新型裂缝自愈合混凝土，使其能够主动、自动地对损伤部位进行修复，恢复并提高混凝土材料的性能已经成为结构功能一体化混凝土的发展趋势。

近年来，仿生自愈合混凝土已成为当前的研究热点。混凝土的自愈合可分为三种：自身自愈合，胶囊愈合和纤维管愈合，但是每种自愈合方法都存在缺点和不足。自身自愈合是由于混凝土中含有特殊的基质成分(如未水化的水泥颗粒，PVA纤维，水凝胶，细菌孢子等)，多适用于修复微裂缝，并且力学性能恢复不显著。胶囊愈合是通过胶囊中的化学愈合剂来修复裂缝，主要有双组份愈合剂和单组分愈合剂两类。

双组份愈合剂是指粘结剂在混凝土中需接触第二组分才发生反应，因双组份愈合剂的固化反应对混合均匀度要求较高，在两组分混合不均匀的情况下，固化非常困难，达不到愈合效果，例如环氧树脂和甲基丙烯酸甲酯等双组份愈合剂等。

单组份愈合剂避免了双组分愈合剂混合不匀的问题，大多仅需接触水分或空气就能发生固化，如氰基丙烯酸酯、氯丁橡胶单组份愈合剂等，但是目前所用的单组份愈合剂固化快，一旦胶囊出现裂隙，内含愈合剂容易失效；或者粘度大，使得愈合剂难以渗入到小的裂缝和孔隙中，自愈合效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种固化速率适中且粘度较小的单组份愈合胶囊和自愈合混凝土。

本发明提供了一种单组份愈合胶囊，包括囊壁、封堵于所述囊壁敞口处的封堵材料和封堵于所述囊壁中的单组份愈合剂，所述单组份愈合剂包括聚氨酯和稀释剂。

优选的，所述聚氨酯与稀释剂的质量比为4～20:1。

优选的，所述稀释剂包括丙酮、乙醇或甲苯。

优选的，所述单组份愈合剂在囊壁中的填充度为100％。

优选的，所述囊壁包括高硼硅玻璃管、石英玻璃管、碳纤维管或陶瓷管。

优选的，所述囊壁的内径为5～10mm，囊壁的壁厚为0.5～1.5mm，囊壁的长度为10～30。

优选的，所述封堵材料包括亚克力、聚丙烯、氰基丙烯酸酯或硅胶。

本发明还提供了一种自愈合混凝土，包括混凝土基体和嵌于所述混凝土基体中的上述技术方案所述单组份愈合胶囊。

优选的，所述单组份愈合胶囊在自愈合混凝土中的分布密度为每110～140cm³1个。

优选的，所述单组份愈合胶囊在自愈合混凝土中的分布方式为水平平行分布。

本发明提供了一种单组份愈合胶囊，包括囊壁、粘结于所述囊壁敞口处的封堵材料和封堵于所述囊壁中的单组份愈合剂，所述单组份愈合剂包括聚氨酯和稀释剂。本发明提供的单组份愈合胶囊以聚氨酯和稀释剂的混合物作为愈合剂，通过稀释剂的稀释改变了聚氨酯的分子间作用力，使其具有良好流动性，在胶囊破裂后愈合剂可以在裂缝内均匀流动并在适度的时间内固化胶结，粘度小，具有适中的固化速率，从而使得愈合剂具有较高的愈合效率。实验结果表明，本发明提供的单组份愈合胶囊破裂后，愈合剂能够被均匀释放到裂缝中，与混凝土胶结实现对裂缝的愈合，两个胶囊破裂一天后愈合效率可达32.2％，两天后愈合效率可达77.6％，三天后愈合效率可达75.2％。

附图说明

图1为本发明实施例1中单组份愈合胶囊结构图；

图2为本发明实施例1和3中单组份愈合胶囊横剖面图；

图3为本发明实施例2中自愈合混凝土自愈合后愈合界面的SEM照片；

图4为本发明实施例3中单组份愈合胶囊结构图；

图5为本发明实施例4中自愈合混凝土自愈合后愈合界面的SEM照片。

具体实施方式

本发明提供了一种单组份愈合胶囊，包括囊壁、封堵于所述囊壁敞口处的封堵材料和封堵于所述囊壁中的单组份愈合剂，所述单组份愈合剂包括聚氨酯和稀释剂。

本发明提供的单组份愈合胶囊包括囊壁。在本发明中，所述囊壁的形状优选为管状，囊壁的材料优选为对裂缝应力敏感的无机材料，当有混凝土出现裂缝产生应力时，触发胶囊破裂释放愈合剂；所述囊壁优选具体包括高硼硅玻璃管、石英玻璃管、碳纤维管或陶瓷管。

本发明对所述囊壁的尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的自愈合混凝土用胶囊的尺寸即可。在本发明中，所述囊壁的内径优选为5～10mm，更优选为6～8mm；所述囊壁的壁厚优选为0.5～1.5mm，更优选为0.8～1.2mm；所述囊壁的长度优选为10～30mm，更优选为16～24mm。在本发明中，所述囊壁优选为双敞口式囊壁和单敞口式囊壁。

本发明提供的单组份愈合胶囊包括封堵于所述囊壁敞口处的封堵材料。在本发明中，所述封堵材料优选包括亚克力、聚丙烯、氰基丙烯酸酯或硅胶。本发明对所述封堵材料的形状和尺寸没有特殊的限定，能够封堵囊壁的端口即可。对应上述技术方案所述尺寸的囊壁，在本发明中，所述封堵材料优选为圆柱状；所述封堵材料的直径优选为5～11mm，更优选为6～9mm；所述封堵材料的厚度优选为1～4mm，更优选为2～3mm。当所述封堵材料在囊壁两端封堵时，两端的封堵材料尺寸在上述尺寸范围内独立选择。

本发明提供的单组份愈合胶囊优选还包括粘结于封堵材料与囊壁间的粘结层。本发明对所述粘结层的种类和厚度没有特殊的限定，能够将封堵材料与囊壁粘结即可。

本发明提供的单组份愈合胶囊包括封堵于所述囊壁中的单组份愈合剂，所述单组份愈合剂包括聚氨酯和稀释剂。在本发明中，所述聚氨酯与稀释剂的质量比优选为4～20:1，更优选为5～16:1，最优选为6～12:1。本发明对所述聚氨酯的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的单组份聚氨酯涂料或注浆料即可。在本发明中，所述稀释剂优选包括丙酮、乙醇或甲苯。在本发明中，所述稀释剂改变了聚氨酯分子间的范德华力，使聚氨酯的粘度和表面张力降低，从而使单组份愈合剂具有良好流动性，在胶囊破裂后愈合剂可以在裂缝内均匀流动并胶结。

在本发明中，所述单组份愈合剂的填充度优选为100％。具体的，在本发明的实施例中，针对上述技术方案所述尺寸的囊壁，所述单组份愈合胶囊中单组份愈合剂的体积为1.5～3mL。

本发明对所述单组份愈合胶囊的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的单组份愈合胶囊的制备的技术方案即可。在本发明中，所述单组份愈合胶囊的制备优选包括以下步骤：

将聚氨酯与稀释剂混合，得到单组份愈合剂；

将所述单组份愈合剂注入一端封闭的囊壁中，得到半封闭胶囊；

用封堵材料将所述半封闭胶囊的开口端封堵，得到单组份愈合胶囊。

在本发明中，所述一段封闭的囊壁优选为单敞口式囊壁，或一端封堵有封堵材料的双敞口式囊壁。本发明对所述单组份愈合剂的注入方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知自愈合胶囊中愈合剂的注入方式即可。本发明优选通过注射器将单组份愈合剂注入囊壁中。在本发明中，所述注入优选使单组份愈合剂注满囊壁。

本发明对所述封堵材料与囊壁的封堵的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的自愈合胶囊的封堵方式即可。本发明优选通过粘结剂将封堵材料封堵于囊壁敞口处。在本发明中，所述粘结剂优选包括AB胶或α-氰基丙烯酸乙酯。

本发明还提供了一种自愈合混凝土，包括混凝土基体和嵌于所述混凝土基体中的上述技术方案所述单组份愈合胶囊。

本发明提供的自愈合混凝土包括混凝土基体。本发明对所述混凝土基体的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混凝土即可。在本发明中，所述混凝土基体优选包括水、水泥和骨料。在本发明中，所述水、水泥和骨料的质量比优选为1～2:1～2:3～6，更优选为1.3～1.6:1.3～1.6:4～5。

在本发明中，所述水泥优选包括硅酸盐水泥，更优选包括32.5R硅酸盐水泥、42.5R硅酸盐水泥或52.5R硅酸盐水泥。在本发明中，所述骨料优选包括河沙、湖砂或山砂。在本发明中，所述骨料的粒径优选为0.1～2.5mm，更优选为0.5～2mm，最优选为1～1.5mm。

本发明提供的自愈合混凝土包括嵌于所述混凝土基体中的上述技术方案所述单组份愈合胶囊。在本发明中，所述单组份愈合胶囊在自愈合混凝土中的分布密度优选为每110～140cm³1个，更优选为每120～130cm³1个。在本发明中，所述单组份愈合胶囊在自愈合混凝土中的分布方式优选为水平平行分布。

本发明对所述自愈合混凝土的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的通过自愈合胶囊进行修复的自愈合混凝土的制备的操作即可。在本发明中，所述自愈合混凝土的制备优选包括以下步骤：将部分混凝土基体的浆料浇注于模具中，得到基底；在所述基底表面放置自愈合胶囊后，将剩余混凝土基体的浆料浇注于模具中压实，得到前驱体；将所述前驱体进行养护，得到自愈合混凝土。

本发明对所述两部分混凝土的比例没有特殊的限定，根据本领域常规选择进行调整即可。本发明对所述养护的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混凝土养护的技术方案即可。在本发明中，所述养护的温度优选为20～30℃；所述养护的湿度优选为85～95％；所述养护的时间优选为0.5～14天。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的单组份愈合胶囊和自愈合混凝土进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1:

本实施例中胶囊的结构图如图1所示，胶囊横剖面图如图2所示，采用内径为9mm，壁厚1mm，长度为30mm的两端敞口式石英玻璃管2，在其一端用直径为10mm，厚度为2mm的有机玻璃(亚克力材质)片1封堵玻璃管的一端，然后使用注射器注入优化后的聚氨酯愈合剂(丙酮与聚氨酯质量之比为0.2)，注满后，再用有机玻璃片1封堵另一端。封堵时所用胶结材料为α-氰基丙烯酸乙酯，并且保证管内没有多余的空气，得到单组份愈合胶囊。

愈合剂由安东帕MCR302流变仪平行板实验测定粘度，温度设定20℃，剪切速率从1s^-1提高到10000s^-1，测量该优化后的愈合剂粘度约为1800mPa.s；使用注射器将该愈合剂(3mL)滴入人工裂缝，观测到愈合剂在3mm裂缝中的流动70mm的时间约为18s，愈合剂没有在裂缝底部积聚，并且流动较均匀；使用VZL2000型微控全自动表面张力仪测定该愈合剂的表面张力，约为34mN/m。

实施例2:

按照水：水泥：骨料＝1:1:3的比例制备水泥砂浆，首先将该砂浆倒入模具(160mm×40mm×40mm)一半；然后将1个实施例1制备的单组份愈合胶囊水平平行放在盛有一半砂浆的模具中央，胶囊放置的方向与模具的方向一致；最后用砂浆填满模具，并将模具放在振动台上轻微振动压实；试样在20℃和相对湿度90％的恒温恒湿养护箱内养护，12h后脱模，得到自愈合混凝土。

自愈合混凝土的性能测试：

养护14天后，愈合试样的裂缝由三点弯曲试验产生，试验时可以明显听见胶囊破裂声，玻璃胶囊在混凝土中没有发生滑移，满足胶囊随裂缝产生而破裂的试验要求。

记录裂隙产生时的峰值F₁，裂缝宽度以10μm/s的速度直至增加到400μm，在该点卸载试样，导致裂缝宽度收缩减少，直到约300μm；将断裂试样固定并存放在恒温恒湿养护箱内养护。

在断裂1天、2天和7天后重新加载，记录试样的强度峰值F_n，根据公式：愈合效率η＝F_n/F₁，计算愈合效率。计算结果如表1所示。

愈合试样断裂后，将试样的混凝土/聚氨酯界面放置在扫描电子显微镜下观察其微观结构，观察胶囊破裂后愈合剂是否与混凝土均匀胶结，是否满足自愈合体系的需要，得到SEM照片如图3所示。从图3可以看出，本实施例制备的自愈合混凝土在产生裂缝后，愈合剂从胶囊中流出，并且在胶结面分布比较均匀，裂缝填充程度较高，大部分面积被聚氨酯覆盖，聚氨酯与混凝土中的骨料、钙矾石晶体等紧密胶合在一起。可见，胶囊破裂后愈合剂能够被均匀释放到裂缝中，与混凝土胶结实现对裂缝的愈合。

实施例3:

按照实施例2的方式制备自愈合混凝土，将2个实施例1制备的单组份愈合胶囊以128cm³/个的分布密度水平平行放置于混凝土中。按照实施例2的方式进行测试。

实施例4:

本实施例中胶囊的结构图如图4所示，胶囊横剖面图如图2所示，采用内径为9mm，壁厚1mm，长度为30mm的一端圆形封堵，另一端敞口式石英玻璃管3，在玻璃管内使用注射器注满优化后的聚氨酯(丙酮与聚氨酯质量之比为0.15)，使用长度为10mm圆形封口石英玻璃管4对接封堵，用α-氰基丙烯酸乙酯粘黏，得到单组份愈合胶囊。

愈合剂由安东帕MCR302流变仪平行板实验测定粘度，温度设定20℃，剪切速率从1s^-1提高到10000s^-1，测量该优化后的愈合剂粘度约为2400mPa.s；使用注射器将该愈合剂(3mL)滴入人工裂缝，观测到愈合剂在3mm裂缝中的流动70mm的时间约为25s，愈合剂没有在裂缝底部积聚，并且流动较均匀；使用VZL2000型微控全自动表面张力仪测定该愈合剂的表面张力，约为41mN/m。

实施例5:

按照水：水泥：骨料＝1.2:1.5:5的比例制备水泥砂浆，首先将该砂浆倒入模具(160mm×40mm×40mm)一半；然后将2个实施例3制备的单组份愈合胶囊水平平行放在盛有一半砂浆的模具中央，胶囊放置的方向与模具的方向一致；最后用砂浆填满模具，并将模具放在振动台上轻微振动压实；试样在20℃和相对湿度90％的恒温恒湿养护箱内养护，12h后脱模，得到自愈合混凝土。

自愈合混凝土的性能测试：

养护14天后，愈合试样的裂缝由三点弯曲试验产生，试验时可以明显听见胶囊破裂声，玻璃胶囊在混凝土中没有发生滑移，满足胶囊随裂缝产生而破裂的试验要求。

记录裂隙产生时的峰值F₁，裂缝宽度以10μm/s的速度直至增加到400μm，在该点卸载试样，导致裂缝宽度收缩减少，直到约300μm；将断裂试样固定并存放在恒温恒湿养护箱内养护。

在断裂1天、2天和7天后重新加载，记录试样的强度峰值F_n，根据公式：愈合效率η＝F_n/F₁，计算愈合效率。计算结果如表1所示。

愈合试样断裂后，将试样的混凝土/聚氨酯界面放置在扫描电子显微镜下观察其微观结构，观察胶囊破裂后愈合剂是否与混凝土均匀胶结，是否满足自愈合体系的需要，得到SEM照片如图5所示。从图5可以看出，本实施例制备的自愈合胶囊混凝土在产生裂缝后，愈合剂从胶囊中流出，并且在胶结面分布比较均匀，裂缝填充程度较高，大部分面积被聚氨酯覆盖，聚氨酯与混凝土中的骨料、钙矾石晶体等紧密胶合在一起。可见，胶囊破裂后愈合剂能够被均匀释放到裂缝中，与混凝土胶结实现对裂缝的愈合。

实施例6:

按照实施例5的方式制备自愈合混凝土，将2个实施例4制备的单组份愈合胶囊以125cm³/个的分布密度水平平行放置于混凝土中。按照实施例5的方式进行测试。

表1实施例2、3、5和6中自愈合混凝土的愈合效率

由以上实施例可以看出，本发明提供的单组份愈合胶囊具有良好流动性，在胶囊破裂后愈合剂可以在裂缝内均匀流动并在一定时间内固化胶结，且愈合后混凝土强度高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。