基于高吸水聚合物胶囊的自愈合混凝土愈合机制与性能

Based on the idea that water absorbed by superabsorbent polymer (SAP) facilitates the hydration of cement, a new generation of high-durability concrete with its interior cracks self-healing and its surface cracks self-healing repeatedly will be developed. The preparation methods, healing mechanisms of this concrete will be studied and its mechanical properties and durability will be predicted. The specific works are as followed. The preparation methods of SAP microcapsules containing absorbed water will be studied, and the mechanical properties of capsule wall and the interface between the wall and hardened cement pastes will be investigated. The water diffusivity and hydration area in cracks within cement pastes will be investigated, fracture failure process of concretes containing such capsules is to be simulated. Based on the simulation, the size of the SAP capsules and corresponding content will be proposed and the mix proportion design methods and preparation techniques of such concrete will be developed. The water absorption and desorption process of SAP will be investigated and the kinetic models for describing water desorption process of SAP in cracks will be built up. Analyzing the morphology, chemical composition and pore structures of hydration products surrounding cracks, developing healing mechanisms of concrete with water supplied by SAP and predict the healing effect of the cracks. The properties of constitutive relation, volume stability, permeability, chloride diffusivity and frost resistance will be measured, and the mechanics and durability degradation rules of self-healing concretes will be revealed.

利用“吸水的高吸水聚合物释水以供水泥水化”原理，研制一种既可实现内部裂缝自愈合，又可实现表层裂缝多次愈合的高耐久性混凝土，研究其制备方法、愈合过程与机理、力学性能和耐久性。具体如下：研究预吸水高吸水聚合物（SAP，Superabsorbent Polymer）微胶囊制备方法，揭示囊壁及其与水泥石界面的性能特征。研究水在水泥石裂缝内的扩散速率与反应区域，模拟含胶囊混凝土的破坏过程，给出胶囊的粒径范围与匹配掺量，提出含SAP胶囊的混凝土配比设计方法与制备工艺。研究微裂缝中SAP的吸湿与释水过程，建立SAP在微裂缝中的释水过程动力学模型。研究裂缝周围水化产物的微观形貌、化学组成及孔隙结构，模拟SAP提供水环境下混凝土裂缝愈合过程，建立裂缝愈合机制，预测裂缝愈合效果。研究自愈合混凝土力学本构关系、体积稳定性、抗渗性、抗冻性及氯离子在自愈合混凝土内的扩散过程，揭示自愈合混凝土力学与耐久性能退化规律。

自愈合混凝土可实现微裂纹的自动修复，进而延长所建结构的使用寿命。利用胶凝材料的继续水化是实现混凝土裂纹自愈合的重要途径，高吸水聚合物能够从环境中吸收水分，有利于自愈合水化反应的进行。基于这一背景，本项目开展了如下几个方面的研究工作：在高吸水聚合物的制备工艺和理论方面，研究了基于质子化理论制备海藻酸钙的基本工艺，确定了海藻酸钙的制备机理，建立了海藻酸钙颗粒尺寸以及溶胀性能的调控方法；采用水溶液聚合法，以壳聚糖为原材料制备了在水泥滤液环境下具有良好的吸水性、保水性以及生物活性的新型超吸水聚合物。改进了高吸水聚合物在混凝土中吸水能力的测试方法，并分析了吸水能力的影响因素。在高吸水聚合物混凝土愈合机理以及自愈合混凝土制备方面，研究了海藻酸钙对水泥水化产物及愈合产物微观结构的影响作用，建立了海藻酸钙凝胶水化影响区域的表征方法及强度预测模型；采用试验和水化动力学模拟相结合的方式，揭示了纳米二氧化硅对水泥早期水化的影响；采用陶粒搭载硅酸钠技术制备了自愈合水泥砂浆，研究了陶砂掺量和愈合环境对混凝土力学性能和传输性能的影响，并分析了陶粒搭载硅酸钠的愈合作用、愈合潜力和愈合机制。研究了渗透型结晶外加剂对应变硬化水泥基复合材料拉伸应变硬化行为恢复、拉伸应变恢复能力、裂缝愈合行为和抗渗性恢复的影响，并探讨了渗透型结晶外加剂的愈合机理；制备了具有良好愈合性能的应变硬化水泥基复合材料。在高吸水聚合物混凝土力学性能与耐久性方面，建立了高吸水聚合物混凝土长期力学性能预测模型，并验证了该模型的正确性。研究了高吸水聚合物水泥砂浆的冻融破坏过程，发现随着冻融循环的进行，水泥砂浆临界孔径及最可几孔径不断增大，过渡孔和毛细孔占比逐步提高。研究了钢筋混凝土构件自愈合行为对其抗氯离子渗透性和抗锈蚀性能的影响，发现了添加愈合材料能够促进裂缝的自愈合，可以提高其钢筋抗锈蚀性能。