有机微胶囊自修复混凝土材料性能研究

实现仿生自修复机能的混凝土材料的自修复技术，在高科技领域及重大工程项目中存在巨大的科学研究潜力和应用价值。有机微胶囊以其壁材强度，厚度等参数的良好可调节性已在聚合物的自修复研究中扮演着重要角色。本课题采用有机微胶囊制备新型自修复混凝土材料，针对有机微胶囊修复剂对混凝土的基本性能及损伤的自修复效果在实验，理论分析与数值仿真计算三方面展开研究。考察自修复过程中有机微胶囊与混凝土的相互作用及混凝土渗透性的变化规律，提出相应的理论分析模型与基于状态参量的渗透性模型。通过理论解析得到材料和有机微胶囊几何参数对裂纹尖端应力强度及有机微胶囊应力状态的影响。通过对有机微胶囊与混凝土界面及修复液流出反应诱使裂纹界面粘接效应的数值仿真研究，建立界面本构模型并利用有限元软件平台实现数值模拟自修复过程。此项研究将为实现有机微胶囊自修复混凝土的工程应用提供理论和实践基础。

本课题研究以环氧树脂为囊芯，脲醛树脂为囊壁，合成了有机微胶囊材料。微胶囊表面粗糙，致密，胶囊粒径在75μm-310μm之间，平均粒径165微米，大致成正态分布，可以用来设计有机微胶囊砂浆自修复复合材料。用扫描电子显微镜观察了微胶囊的形态，微胶囊与水泥基体的结合界面，微胶囊破裂，修复剂流出固化的过程。研究了微胶囊掺量变化对复合材料初始强度的影响，确定了强度随微胶囊掺量增加的变化规律。采用正交实验设计方法，以抗折和抗压强度的恢复率为指标，研究了水灰比，微胶囊掺量，预应力比例三个因素对复合材料的自修复效果的影响。通过RCM法测定了复合材料初始，预压后和修复后的氯离子渗透系数，研究了微胶囊掺量对自修复复合材料的渗透性的影响，并用抗渗性的恢复率和修复率来表征复合材料的修复效果。对自修复混凝土界面进行了有限元模拟，研究了裂缝高度，微胶囊壁厚，微胶囊壁粘结强度和刚度以及混凝土与胶囊界面的粘结强度，刚度等因素对胶囊破裂及剥离的影响。