自修复水泥基材料的自修复效果评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析混凝土的方法领域， 具体为一种。
【背景技术】
[0002] 作为当今建筑领域使用最广，用量最大的材料，混凝土材料的使用寿命在很大程 度上取决于其破坏程度。近年来，随着智能材料的研究与应用，具有自感知、自诊断、自修复 等功能的智能混凝土得到广泛关注和研究。自修复混凝土已成为机敏结构的重要组成部 分，可以解决用传统裂缝修补方法不能解决或难以解决的技术问题，对确保地下水体系结 构、高层建筑、大坝等重大土木工程设施的耐久性和安全性有着重要意义，此外，在减轻地 震、台风、海啸等气候冲击损坏以及其他破坏因素也有很大的应用前景。因此，对自修复混 凝土进行研究，使其能够自动地对裂缝区进行检测，进行自动修复，恢复或提高混凝土材料 的使用性能，已成为混凝土技术的发展趋势。
[0003] 现阶段，国内外混凝土裂缝自修复技术可分为结晶修补法、内置载体法、形状记忆 合金自修复以及复合材料传感器自修复等。其中，结晶修补法是在混凝土裂缝中形成各种 不溶于水的结晶体，在裂缝界面处的聚集生长，从而使裂缝逐步填充闭合。按照生成结晶体 的物质和方式，可分为结晶沉淀、渗透结晶自修复以及微生物自愈合等。内置载体法又名仿 生自修复技术，是在混凝土结构中布置各种载体，载体中内含具有粘结作用的化学物质，当 混凝土基体产生微裂缝，载体发生破裂，释放出的化学物质发生物理化学反应，形成自愈合 网络，实现裂缝的修补。复合材料传感器自修复系统主要由自诊断复合材料和低粘度环氧 树脂热塑管组成。自诊断复合材料本身可以通过选择对特殊位置进行加热。一旦混凝土中 产生裂缝，因为张力过大，被自诊断复合材料探测信号，进而增加电阻对裂缝位置进行选择 性加热。之后，裂缝处的热塑管在裂缝处熔化成环氧树脂来愈合裂缝。
[0004] 目前，国内外学者针对自修复材料做了很多方面的研究，并取得了一定的成果。然 而，在自修复效果的评价方面仍存在诸多待解决的问题。对于水泥基材料自修复的修复效 率评价方法较为单一，国内外大多评价手段仅局限于材料的抗压强度回复率等力学性能方 面，实施方式为加荷--卸载修复--二次加荷。在评价材料刚度、韧性、断裂行为、本构 行为、损伤情况以及抗渗性、抗侵蚀性、碳化等相关耐久性改善方面缺乏直接有效的评价方 法。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的缺陷，改善现有自修复水泥基材料修复效果评价方法的单一 性，提供一种更为系统全面的评价方法，本发明公开了一种自修复水泥基材料的自修复效 果评价方法，其评价指标包括相对动态弹性模量，断裂行为（包括应力强度因子回复率和 断裂韧度回复率），本构行为对比，抗弯刚度回复率和强度回复率。
[0006] 本发明通过如下技术方案达到发明目的：
[0007] -种自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：按如下步骤依次实 施：
[0008] 步骤1 :根据不同使用环境，按照不同的修复原理制备具有修复作用的水泥基材 料的试件，无特殊要求的建筑物以及地下水体系可选用结晶修补法、内置载体法、形状记忆 合金自修复等多种修复方式；用于公路、地基及桥墩等建筑物的混凝土材料可选用液芯纤 维法；用于石油工程，地质工程以及部分土木工程的混凝土材料可选用微生物自修复法，所 述试件是长X宽X高为40mmX40mmX160mm的棱柱，所述试件分为A、B两个试验组，A组 用于表征材料的断裂行为、本构行为和力学行为，B组用于表征材料内部损伤情况的变化； 每个试验组需要9个试件，每个试验组中的3个试件用来测试基准强度，其余6个试件用来 设置不同程度的预破坏，所述试件的基材包括水泥净浆、水泥砂浆和混凝土材料；
[0009] 步骤2 :试件到达28day的龄期后，对A组试件预制局部裂纹，对B组试件预制分 散裂纹，所述局部裂纹通过切割或预置薄片的途径实现，所述局部裂纹的长度、宽度和深度 根据实际需要进行调整，一般的，裂纹长度范围为IOmm~40mm ;裂纹宽度范围为0. 2mm~ 2mm ;裂纹深度范围为5mm~15mm ;所述分散裂纹通过预加载实现，预加载的方式包括预折 和预压，预折通过万能伺服液压机实现，预压通过砂浆压力机实现，所述分散裂纹的区域范 围根据实际需要进行调整，一般的，预制分散裂纹程度为最大荷载的10%~80% ;
[0010] 步骤3 :测试A组试件的断裂参数、本构行为、抗弯刚度、抗折强度和抗压强度这5 个性能指标，测试B组试件超声波在材料表面的初始传递波速；
[0011] 步骤4 :将A、B组试件都置于混凝土标准养护条件即温度20±2°C、相对湿度95% 的环境下，养护Iday或3day完成自修复；
[0012] 步骤5 :对修复后的A、B组试件重复测试步骤3中的性能指标；
[0013] 步骤6 :对步骤3与步骤5中测试数据进行计算处理，技术方案流程如图1所示， 图1中测试-修复-二次测试的过程如图2所示，得出评价指标以评价修复效果，所述评价 指标包括相对动态弹性模量，断裂行为，本构行为对比，抗弯刚度回复率和强度回复率，其 中断裂行为包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率。
[0014] L相对动态弹性模量P :
[0015] 动态弹性模量表征的是在动负荷作用下物体应力与应变的比值，对于自修复前后 的水泥基材料，相对动态弹性模量可以从侧面反映试件在修复前后的密实度变化，进而表 征修复效果。
[0016] 动态弹性模量Ed的计算方法如下：
[0017] 在预压前测试其超声波在试件的初始表面波速V#预压并修复之后，测量超声波 在试件表面的波速Vm对比修复前后动态弹性模量的变化情况。
[0018] 固体材料的动态弹性模量Ed与其表面波速度t之间的关系按（1)式计算：
[0020] (1)式中：P--固体密度，μ--固体泊松比,对硬化混凝土来讲，μ -般在 0. 2~0. 3之间，对于混凝土材料，μ取0. 2代入（1)式，则：
[0022] 在⑴或⑵式中，取Vr = Vrt，得B组试件的初始动态弹性模量Ed。；取Vr = Vm 得B组试件自修复后的动态弹性模量Edl，则相对动态弹性模量P按（3)式计算：
[0024] 2.断裂行为K1和Kic :
[0025] 通过弹塑性理论研究构件内部裂纹尖端的应力、应变以及应变能分布，通过断裂 力学参数研究裂纹的扩展行为，断裂行为包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率等断 裂参数的分析：
[0026] 2. 1应力强度因子回复率η (K1):
[0027] 应力强度因子表征材料在受力作用下裂纹尖端弹性应力场强弱，它和裂纹大小、 构件几何尺寸以及外应力有关，可以用来评价脆性材料裂纹的扩展规律。
[0028] 所述试件在三点抗折加载时，其裂纹顶端应力强度因子回复率η (K1)按（4)式计 算：
[0030] (4)式中：应力强度因子K1按（5)式计算：
[0032] (5)式中，为几何形状因子，按（6)式计算：
[0034] (5)和（6)式中：Pmax--最大载荷（N)，S--名义跨距（mm)，B--试件厚度（mm)， W--试件宽度（mm)，a--裂纹长度（mm)，括号内为所用的单位，
[0035] 2. 2断裂韧度回复率η (Kic)
[0036] 在断裂学中，通常用断裂韧度来表征材料阻