內(nèi)置玻璃膠囊自修復(fù)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究
2006-07-25 00:00
摘 要：將自密實(shí)混凝土技術(shù)應(yīng)用于自修復(fù)混凝土中，并采用正交試驗(yàn)方法，分析玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和體積摻量對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響，比較各因素對(duì)其強(qiáng)度影響的大小關(guān)系，揭示了玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)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(guān)鍵詞：玻璃膠囊；自密實(shí)；自修復(fù)混凝土；力學(xué)性能
1 引言
仿生自修復(fù)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(fù)膠囊，膠囊內(nèi)含有可流動(dòng)的物質(zhì)——修復(fù)膠粘劑，形成智能型自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在外界荷載作用下，一旦混凝土基體開(kāi)裂，部分膠囊破裂，膠粘劑流出并滲入裂縫處凝結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的自愈合。自修復(fù)混凝土作為智能結(jié)構(gòu)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(shù)關(guān)鍵，對(duì)確保高層建筑、橋梁、核電站等重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全和長(zhǎng)期的耐久性，以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震沖擊等諸多破壞因素方面有很大的應(yīng)用潛力。研究和開(kāi)發(fā)仿生自修復(fù)混凝土，使其能夠主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)損傷部位進(jìn)行修復(fù)、恢復(fù)并提高混凝土材料的性能巳成為混凝土技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
然而。在內(nèi)置玻璃膠囊自修復(fù)混凝土的施工中，若對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，將使玻璃膠囊受擾動(dòng)而浮出混凝土表面，甚至導(dǎo)致玻璃膠囊破碎，其修復(fù)劑過(guò)早流失，達(dá)不到修復(fù)混凝土的目的。自密實(shí)混凝土是在沒(méi)有振搗的情況下僅靠自重就能穿越密集鋼筋、在復(fù)雜模板中填充成型并且不產(chǎn)生離析，具有均勻自密實(shí)成型性能，同時(shí)硬化后具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能。近年來(lái)，在自密實(shí)高性能混凝土的配合比優(yōu)化及結(jié)構(gòu)的安全性能方面進(jìn)行了系列的研究。因此，采用自密實(shí)混凝土作為自修復(fù)混凝土的基材，較好地解決了自修復(fù)混凝土構(gòu)件制作的技術(shù)難題。
玻璃膠囊?guī)缀螀?shù)和摻量的選擇對(duì)混凝土的修復(fù)效果起著非常重要的作用。一方面玻璃膠囊若選擇不當(dāng)，將起不到修復(fù)混凝土的效果；另一方面，在混凝土中內(nèi)置玻璃膠囊不當(dāng)，將影響混凝土的力學(xué)性能。為了保證自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能不致受到大的影響，有必要對(duì)玻璃膠囊和混凝土基材的性能匹配進(jìn)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(yàn)研究
2。1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
由于影響內(nèi)置空心玻璃膠囊混凝土力學(xué)性能的因素很多，包括膠囊的體積摻量、膠囊長(zhǎng)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(gè)摻量（1.5% 、2.0% 、2.5%、3.0% 、3.5% 、4.0%），3種長(zhǎng)度（20、25、30mm）以及3種管徑（4、6、8 mm）的玻璃膠囊進(jìn)行試驗(yàn)。為了系統(tǒng)考察玻璃膠囊體積摻量、長(zhǎng)度以及管徑對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選用 L18（61×36）正交表 （見(jiàn)表1）。
2。2 試驗(yàn)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(jī)里攪拌，將導(dǎo)致膠囊破裂，若對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，不但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)置于混凝土中的玻璃膠囊因?yàn)槭軘_動(dòng)而浮出混凝土的表面，而且還容易導(dǎo)致它們破碎。因此試件制作采用自密實(shí)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?；炷林?。由于玻璃膠囊的價(jià)格較高，對(duì)于考慮多因素多水平的正交試驗(yàn)，試件個(gè)數(shù)多，需要大量的玻璃膠囊，因此試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)GB／T50081—2002（普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)方法進(jìn)行。各試塊帶模養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，并測(cè)定其長(zhǎng)度作為基準(zhǔn)長(zhǎng)度，然后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里養(yǎng)護(hù)28 d，再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。
3 結(jié)果與分析
3。1 試驗(yàn)現(xiàn)象
膠囊在混凝土中的分布是亂向的。從破壞面來(lái)看，當(dāng)膠囊方向與荷載方向接近垂直時(shí)，膠囊破碎率極高，幾乎達(dá)到百分百；而當(dāng)膠囊方向接近或者比較接近與荷載平行時(shí)，其破壞率比較低，這在劈拉試驗(yàn)表現(xiàn)得尤為突出。管徑越大，膠囊破壞的個(gè)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(gè)別沒(méi)有破碎。玻璃膠囊摻量大的試塊破壞時(shí)，可以聽(tīng)到玻璃破碎的聲音。對(duì)劈拉試驗(yàn)試塊破壞面進(jìn)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(gè)別試塊在劈裂面上出現(xiàn)一兩個(gè)膠囊和混凝土脫離而沒(méi)破碎，其余的玻璃膠囊都能破碎。沒(méi)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(shí)，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(qiáng)度較小，所以也出現(xiàn)沒(méi)有被撕裂的現(xiàn)象。摻量較小的試塊，破壞面上膠囊個(gè)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(yàn)結(jié)果殛分析
根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案對(duì)自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列在表3。極差分析結(jié)果和方差分析結(jié)果分別列在表4和表5。其中表5的ST為總變差；Sq為試驗(yàn)誤差。同批澆筑的未摻玻璃膠囊的同配比自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能為：28 d抗壓強(qiáng)度46.9 MPa，劈拉強(qiáng)度3.62 MPa，彈性模量34.12 GPa。
根據(jù)表4中正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差結(jié)果可以看出，各因素對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響大小依次為：膠囊長(zhǎng)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(zhǎng)度B>摻量和長(zhǎng)度的交互作用A×B。由表5的方差分析結(jié)果知道，對(duì)于混凝土28 d抗壓強(qiáng)度。膠囊長(zhǎng)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(nèi)，因此看不出有明顯的差別。將影響明顯較小的摻量和長(zhǎng)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(duì)于混凝土28 d劈拉強(qiáng)度，各因素的影響大小關(guān)系依次為：膠囊長(zhǎng)度B>膠囊管徑C>膠囊摻量A>空列D>膠囊長(zhǎng)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(zhǎng)度的交互作用A × B。由表5的方差分析結(jié)果可看出，膠囊長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度的交互作用A×B>膠囊長(zhǎng)度日。由表5的方差分析結(jié)果可看出，摻量和管徑以及長(zhǎng)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(méi)的摻量和長(zhǎng)度的交互作用A×B和膠囊長(zhǎng)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(jié)果，按照指標(biāo)重要性和因索影響顯著性來(lái)考慮，即由于混凝土主要承受壓力，所以必須首先滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)考慮因素影響的顯著性大小。對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度，由于膠囊長(zhǎng)度和管徑交互作用影響的顯著性，超過(guò)了摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)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(zhǎng)度和管徑交互作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出膠囊長(zhǎng)度和管徑的最佳組合。這里根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出膠囊長(zhǎng)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(shè)計(jì)18種組合中的第8種組合，即A3B2C2，摻量為2.5% ，長(zhǎng)度取25 mm，管徑取6 mm。此時(shí)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到46.66 MPa，劈拉強(qiáng)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(shí)混凝土的力學(xué)性能相比，削弱很小，因此所選組合較合理。此外，本試驗(yàn)所選的摻量水平對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不明顯。
4 玻璃膠囊對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及其機(jī)理
玻璃是典型的脆性材料，沒(méi)有屈服延伸階段，不存在塑性變形，其抗壓強(qiáng)度在500～2 000 MPa?？估瓘?qiáng)度在50～100 MPa。都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)外界荷載較小時(shí)，混凝土未開(kāi)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(jié)作用，使玻璃能在一定程度上和混凝土一起承受荷載，此時(shí)已有一定的拉應(yīng)力作用在玻璃上。隨著荷載的增加，混凝土開(kāi)裂。開(kāi)裂部分的混凝土脫離工作，其原先承擔(dān)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)由玻璃承擔(dān)，作用在玻璃上的拉應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)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(xì)微裂紋產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋尖端處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平均應(yīng)力。當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)，引發(fā)裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致玻璃破損，修復(fù)膠粘劑流出，填充裂縫，起到修復(fù)作用。同時(shí)，玻璃的尺寸和摻量如果在比較小的范圍內(nèi)，對(duì)混凝土的力學(xué)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(dāng)溫度變化時(shí)，玻璃和混凝土不至于產(chǎn)生相對(duì)的溫度變形而破壞它們之間的粘結(jié)。玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性可抵抗水、酸、堿以及其它化學(xué)試劑溶液或氣體的侵入，能長(zhǎng)期保存在混凝土中而不影響混凝土的性能。
從抗壓強(qiáng)度來(lái)看，由于膠囊長(zhǎng)度和管徑交互作用的顯著影響，超過(guò)了摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，因此抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增大，出現(xiàn)了波浪式的變化，雖然總的趨勢(shì)是減小的，但卻不是嚴(yán)格的單調(diào)遞減。主要是由于膠囊長(zhǎng)度和管徑交互作用并不是膠囊長(zhǎng)度和管徑分別作用的簡(jiǎn)單相加，當(dāng)摻量一定時(shí)，長(zhǎng)度變化不僅簡(jiǎn)單導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的變化，同時(shí)引起管徑對(duì)?昆凝土強(qiáng)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(duì)混凝土強(qiáng)度削弱不多，強(qiáng)度降低的最大百分?jǐn)?shù)為7.1% 。以前那種認(rèn)為摻量一定，長(zhǎng)度和管徑對(duì)混凝土強(qiáng)度起互補(bǔ)作用，即可相互抵消影響，是沒(méi)有考慮膠囊長(zhǎng)度和管徑交互作用的影響。從劈拉強(qiáng)度來(lái)看，膠囊長(zhǎng)度是影響劈拉強(qiáng)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(nèi)，可見(jiàn)交互作用對(duì)劈拉強(qiáng)度影響不大，這一點(diǎn)與抗壓強(qiáng)度不同。從各水平對(duì)應(yīng)的劈拉強(qiáng)度平均值來(lái)看，摻入長(zhǎng)度為25mm的膠囊對(duì)劈拉強(qiáng)度的削弱最小，削弱百分?jǐn)?shù)為5%。最大削弱百分?jǐn)?shù)為11.2% 。摻入管徑為6 mm的膠囊對(duì)劈拉強(qiáng)度的削弱最小，削弱百分?jǐn)?shù)為6.1%，最大削弱百分?jǐn)?shù)為11.3%。對(duì)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(zhǎng)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(nèi)可忽略不計(jì)。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(duì)其削弱程度最小，削弱百分?jǐn)?shù)為1%，最大削弱百分?jǐn)?shù)為4.5%。
由方差分析結(jié)果得出的誤差值，與直觀分析的空列對(duì)應(yīng)的誤差值接近，因此分析結(jié)果是可信的。將數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法運(yùn)用于自修復(fù)混凝土中玻璃膠囊和自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能匹配的研究，對(duì)自修復(fù)混凝土的研究及其應(yīng)用都具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
5 結(jié)語(yǔ)
1）將自密實(shí)混凝土技術(shù)應(yīng)用于自修復(fù)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(wèn)題。
2）采用正交試驗(yàn)分析方法研究玻璃膠囊體積摻量、長(zhǎng)度和管徑對(duì)自修復(fù)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律及其影響的顯著性。研究結(jié)果表明，膠囊長(zhǎng)度和管徑的交互作用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，膠囊體積摻量的增加使抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但并非最主要影響因素，所取水平影響并不顯著，同時(shí)為了保證有足夠的修復(fù)劑，選取膠囊摻量在2.0%~ 4.0%較合適。玻璃膠囊長(zhǎng)度對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響最為顯著，摻入長(zhǎng)度為25 mm的膠囊對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的削弱最小。而玻璃膠囊管徑對(duì)混凝土彈性模量的影響最為顯著，管徑為4 mm的膠囊對(duì)彈性模量的削弱程度最小。
3）按照極差分析和方差分析結(jié)果，綜合考慮抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量3指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)各因素交互作用的影響，得出玻璃膠囊與自密實(shí)混凝土力學(xué)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(zhǎng)度為25 mm和管徑為6mm。
4）目前自修復(fù)混凝土還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，與實(shí)際工程還有一定距離，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，自修復(fù)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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