基于修复单元和基体相容性的仿生矿物型自修复水泥基材料设计理论与方法

Active self-healing, as one of utmost important ways to improve safety and service life of concrete infrastructures, becomes the focus of increasing attraction now. Based on the characteristics of cracking and structure of cementitious materials, a comprehensive design strategy of self-healing cementitious materials will be constructed based on the compatibility of healing elements and host matrix, both theoretically and experimentally, to achieve intelligent cracks healing. The materials properties, the geometry and the mechanical interaction are investigated by numerical simulation from damage mechanics and fracture mechanics together with the influence of heterogeneous structure of cementitious materials, by which the threshold level of intelligent activation of healing mechanism and its stability can be determined. The organic modified self-healing materials by mineralization are prepared following the organic-inorganic materials with hybrid structure. Combined with the estimated mechanical response of the healing system, the way to achieve the threshold conditions are proposed experimentally further, which is to be expected to make intelligent activation of self-healing cementitious materials by minerals in control.

自修复技术是提高混凝土结构安全性和服役寿命的重要途径之一，也是近些年研究的国际前沿热点之一。然而，目前大多仅限于试验研究，缺乏对修复体系的系统设计理论及方法。本课题拟从力学相容性角度通过裂纹处起裂、扩展等连续界面行为的数值模拟技术，系统研究各组成单元的细微观材性、几何特征及相互的力学行为影响，确定保证修复激发及修复不失效的双重临界条件。试验上借鉴仿生材料有机-无机杂化结构材料，制备有机改性矿物型修复材料。基于损伤区内物质扩散机制、扩散动力学、沉积胶结修复机制，探究修复介质-基材、保护层-基材各组分之间化学相容性。通过明确矿物型自修复的化学反应控制参数及相应体系的力学性能变化，建立二者之间的关系，探明达到临界条件所需的激励机制和调控手段。从修复体系力学、化学相容性角度初步建立仿生矿物型自修复水泥基材料的设计理论及方法，实现裂纹的可控修复。

自修复技术是提高混凝土结构安全性和服役寿命的重要途径之一，也是近些年混凝土研究的国际前沿热点之一。在众多的修复方法中，本征型自修复是一种主动修复方法，优点在于修复材料和混凝土基材之间有一定的主-客体化学结合，使得两者相容性好，然而，这一技术还存在修复耗时相对过长，而且裂缝的修复绝大部分止于表面愈合等问题亟待解决。为此，本课题提出了从修复体系的相容性角度，通过适当的方式在混凝土内引入CO32-，利用内碳化原理改善本征型自修复效率。理论上从细微观材料到宏观构件多个层次，开展了关键理论和方法的基础研究。从力学相容性角度通过裂纹处起裂、扩展等连续界面行为的数值模拟技术，系统研究了各组成单元的细微观材性、几何特征及相互的力学行为影响，确定了保证修复激发及修复不失效的双重临界条件。探明了水泥基材料结构非匀质性的影响，载体对修复剂的有效保护、修复机制的智能激发及修复剂对裂缝的填充效率。试验上，围绕低损引入、有效缓释和长期修复，设计并制备了三种包含修复颗粒的矿物型自修复水泥基材料，并系统表征评价了其修复效果，探明了修复机制。通过测试自修复颗粒对水泥工作性、力学性能和修复性能的影响，分析“内碳化”的可行性，并判断其修复效果。在保证修复效果的同时，避免内部碱度的消耗。从宏微观多个角度对修复效果进行了系统定量表征和评价，并结合修复体系的化学相容性探明了其修复机理，提出了修复效果的激励机制和调控手段。