浅谈混凝土裂缝智能修复综合系统的初步研究.doc

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1、毕业论文目录前 言2摘 要3第一章 绪论41.1 研究的背景和意义41.2.1 国内混凝土裂缝自修复研究的发展状况51.2.2 国外混凝土裂缝自修复研究的发展状况71.3课题的提出91.4 研究存在的问题91.5本课题的研究内容与难点101.5.1 主要研究内容101.5.2 课题研究的难点11第二章 混凝土裂缝的类型及产生原因122.1 按裂缝产生的外因分类122.1.1 荷载裂缝122.1.2 温度裂缝132.1.3 收缩裂缝14第三章 混凝土裂缝的类型及产生原因163.1 按裂缝产生的外因分类163.1.1 荷载裂缝163.1.2 基础变形裂缝173.1.3 冻胀裂缝183.2 按裂缝的

2、力学特性分类183.2.1 基本分类内容183.2.2 剪切破坏193.2.3 影响剪切破坏的主要因素203.3 本章小结20第四章 空间管状纤维骨架系统214.1 空间管状纤维骨架系统自修复机理的提出214.2 空间管状纤维骨架系统的构造与作用224.3 空间管状纤维骨架系统管材的选用234.3.1 储存胶液压力管的选用244.3.2 胶液运输管的选用244.4混凝土裂缝修补254.4.1 混凝土裂缝修补材料的选用原则254.4.2 混凝土裂缝修补材料的选定254.5 本章小结27第五章 混凝土老化的控制285.1 混凝土老化的原因285.2 混凝土老化的处理方式295.3 SH 加固剂混凝

3、土老化修复方法的提出29第六章 结论与展望316.1 结论316.2 展望32致 谢33参考文献34前 言根据本文的研究特点，参考现有的混凝土裂缝的修复方法，提出了空间管状纤维骨架系统的修复机理，并通过试验，分析了空间管状纤维骨架系统对混凝土试件自身强度的影响，对比了几种不同的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的修复效果。研究的主要内容有：1）在查阅与分析了大量国内外文献资料的基础上，提出了空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的自修复机理，以此为理论依据，提出了空间管状纤维骨架系统的模型并确定了其内含胶黏剂的材料和配方；2）通过对普通混凝土试件与内置空间管状纤维骨架系统混凝土试件的对比试验分析，得出

4、了内置不同体系的空间管状纤维骨架系统对混凝土试件自身强度影响的定性分析和定量估计，从而验证了该系统修复混凝土裂缝的可行性。3）对内置空间管状纤维骨架系统的混凝土试件进行了三次抗折试验，通过试验结果对比分析了内含不同胶黏剂、不同体系的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的修复及反复修复效果，得出了影响该系统对混凝土裂缝修复的影响因素，得出了一种比较适合此类构件的空间管状纤维骨架系统。4）针对空间管状纤维骨架系统存在的问题，提出了相应的改进方法。5）从预防混凝土构件表层老化、防止裂缝产生的角度，提出了一种新的混凝土裂缝的自修复方法：即在混凝土构件表面涂一层加固剂，该加固剂能有效防止混凝土的碳化，即在裂

5、缝未开裂之前就进行加固，进而降低混凝土裂缝产生的几率，减少裂缝的产生，提高混凝土结构的耐久性。 摘 要根据本文的研究特点，参考现有的混凝土裂缝的修复方法，提出了空间管状纤维骨架系统的修复机理，并通过试验，分析了空间管状纤维骨架系统对混凝土试件自身强度的影响，对比了几种不同的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的修复效果。研究的主要内容有：1）在查阅与分析了大量国内外文献资料的基础上，提出了空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的自修复机理，以此为理论依据，提出了空间管状纤维骨架系统的模型并确定了其内含胶黏剂的材料和配方；2）通过对普通混凝土试件与内置空间管状纤维骨架系统混凝土试件的对比试验分析，得出了内

6、置不同体系的空间管状纤维骨架系统对混凝土试件自身强度影响的定性分析和定量估计，从而验证了该系统修复混凝土裂缝的可行性。3）对内置空间管状纤维骨架系统的混凝土试件进行了三次抗折试验，通过试验结果对比分析了内含不同胶黏剂、不同体系的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的修复及反复修复效果，得出了影响该系统对混凝土裂缝修复的影响因素，得出了一种比较适合此类构件的空间管状纤维骨架系统。4）针对空间管状纤维骨架系统存在的问题，提出了相应的改进方法。5）从预防混凝土构件表层老化、防止裂缝产生的角度，提出了一种新的混凝土裂缝的自修复方法：即在混凝土构件表面涂一层 SH 加固剂，该加固剂能有效防止混凝土的碳化，即

7、在裂缝未开裂之前就进行加固，进而降低混凝土裂缝产生的几率，减少裂缝的产生，提高混凝土结构的耐久性。关键词：混凝土裂缝 自修复 修复材料 储存胶液压力管 胶液运输管 裂缝修复管第一章 绪论1.1 研究的背景和意义在 19 世纪后期至今，随着设计理论、建筑材料和施工方法等多方面的不断突破，桥梁的建设发展迅速，已成为世界各国公路交通的咽喉，桥梁在我们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。因此这些桥梁一旦损坏会造成巨大的经济损失和对社会的冲击，所以如何提高其耐久性的问题研究、试验与推广，已经引起了世界性的关注。混凝土是当今使用最广泛的建筑材料，也是目前最大宗的人造材料。混凝土具有抗压强度高、耐久性好、成

8、本低等优点，广泛应用于工业与民用建筑物。随着混凝土向高强度、高性能、多功能和智能化方向发展，可以预见，在未来相当长一段时间内，混凝土依然是土木工程不可缺少的工程材料。由于混凝土的物理、结构特性，使混凝土存在其自身难以弥补的缺陷，在混凝土内部会形成一定的孔隙和微裂缝。水分及其它有害物质通过孔隙和微裂缝侵入混凝土内部，会造成混凝土结构强度降低、渗漏、碳化、钢筋锈蚀等一系列问题。从而造成混凝土材料劣化，严重影响了混凝土结构物的正常使用和耐久性，使结构的可靠度降低。人们对混凝土裂缝危害性的认识往往停留在承载力、外观和使用功能上,这是不够的。由于环境污染的加重,大气、水质日益恶化,裂缝对建筑结构安全的影

9、响也越来越大,细小的裂缝也会严重影响结构的耐久性,缩短工程的正常使用寿命。我国近年来发生了多起裂缝导致耐久性降低而引发的工程毁坏重大事故,教训是深刻的。我们一定要充分认识到裂缝的危害性,采取适当的预防措施防止或减少裂缝的发生。现已发现国内外大量混凝土构筑物在达到设计年限之前就过早地出现了剥蚀、钢筋锈蚀等破坏现象，尤其是海港、桥梁、水工建筑、道路和机场及某些化工、冶金工业建筑等混凝土构筑物，不得不花费大量的人力、财力进行修复甚至拆除重建。在美国有 577000 座公路桥，其中 69%以上都有混凝土的桥面板，超过25 年的桥面板大都己经翻新或需要修复。美国大坝委员会统计，1972 年以前发生大坝病

10、害事故 349 起，其中严重破坏甚至废弃的重大事故有 74 起，威胁公众安全的大坝有 160 座。国内的建设规模虽不如发达国家，工程历史也不长，但也存在较严重的混凝土工程损害情况。据对我国 70 座大坝调查结果，有裂缝者占 100%，渗漏溶蚀占 87.5%，冲刷磨损及空蚀占 68.8%，碳化和钢筋锈蚀局部破损占 43.8%，水质侵蚀占 28%，冻融局部破坏占 15.6%。据综合估计，我国的某些混凝土结构，如混凝土坝的平均寿命仅约为 3050 年。另外，一些机场跑道、高速公路、铁路和不能解决的技术关键，对存在潜在损坏危险的混凝土表面进行有效保护、对造成裂纹和损伤的混凝土结构进行自修复，使混凝土结

11、构具备自防护功能。自愈合混凝土作为一种智能混凝土材料，其未来发展应既是高性能的建筑结构材料，同时又具有优异的智能性能。真正达到混凝土材料结构一智能一体化的境界。这就需要在自愈合混凝土的基础上，进一步融入信息科学的内容。如感知、识别、和控制驱动等，从而达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊断和自修复等目的。使其具有多种完善的仿生功能包括骨骼系统(基材)提供的承载能力、神经系统(传感网络)提供的监测和感知能力、肌肉系统(驱动元件)提供的调整响应能力和免疫系统(修复元件)提供的康复能力发展智能混凝土是智能化时代的产物。智能混凝土材料作建筑材料领域的高新技术为传统建材的未来发展注入了新的内容

12、和活力也提供了全新的机遇。通过对其基础理论及其应用技术深入研究将使传统的混凝土材料发展步入科技创新轨道，使传统混凝土工业获得新的、突破性的飞跃。现已经有好几种裂缝仿生自修复技术，混凝土自修复技术解决两个主要问题：其一为封闭裂缝自修复，其二为填充裂缝自修复。1.2.1 国内混凝土裂缝自修复研究的发展状况1）安徽大学化学化工学院安徽省绿色高分子材料重点实验室的鲍俊杰等人通过合成聚氨酯预聚体，再与环氧树脂、丙烯酸酯反应，制备系列混凝土裂缝修补胶。研究表明，聚氨酯预聚体控制在 10%左右，环氧树脂质量分数在 20%左右，丙烯酸酯质量分数在 70%左右，增塑剂含量在 5%左右所得的胶液各方面性能最佳。制

13、备的裂缝修补材料均具有低黏度，固化速度快，固化后材料强度高，硬度大，且具有很好的韧性，材料成本较低，制备工艺易掌握，产品使用操作方便，是一种很好的裂缝修补材料。2）李世秋、汪厚植等人结合湖南某工程地下车道混凝土裂缝处理工程，针对该工程的实际情况，经分析后决定对干缝隙以环氧树脂灌浆，对正在漏水的裂缝采取水溶性聚胺脂灌浆材料为最佳方案，其特点为两者均可以封闭裂缝，还能保护钢筋免遭水气的锈蚀，又可以达到混凝土补强的作用11。3）李旨强、白建军对裂缝性状调查和原因分析后，采用化学灌浆进行了处理。通过三个阶段的持续研究改进实践，形成了一种非常有效的混凝土板裂缝缺陷化学灌浆处理施工工艺方法。即水溶性聚氨酯

14、灌浆材料，该材料注入裂缝后能立即与裂缝中水发生化学反应，形成弹性体填塞于缝隙中，并能遇水膨胀，从而达到抗渗目的。 4）丙烯酸酯等修复剂材料的空心玻璃纤维埋入水泥砂浆基体中，在水泥砂浆内部形成智能型仿生自愈合系统。砂浆开裂后空心玻璃纤维断裂，致使修复剂流入基体，愈合基体微裂缝且修复损伤界面。使用INSTRON实验机和声发射仪分别测试了砂浆愈合后的强度和质量。结果表明：砂浆的愈合效果明显，且断裂韧性得到了一定的改善。5）于辉等人探讨了自诊断智能混凝土、自调节智能混凝土及自修复混凝土在桥梁工程中的应用，指出了智能混凝土材料具有自检测、自诊断、自修复、自指令的性质，可以极大地提高桥梁结构的安全性和可靠

15、性，避免灾难性事故的发生。6）匡亚川等人研究了一种具有损伤自修复功能的智能混凝土梁。将常温下处于奥氏体状态的形状记忆合金和内含修复胶粘剂的修复纤维管，预埋在混凝土的受拉区或易产生裂缝的位置；利用形状记忆合金的超弹性特性和受限回复产生较大驱动力的特性，控制并恢复结构、构件的变形和挠度，减轻台风、地震的冲击，提高结构的抗灾性能，确保其安全性；利用修复胶粘剂对裂缝的填充、修复特性，恢复混凝土的强度，提高结构的耐久性。试验结果表明，形状记忆合金显著的提高了梁的变形能力；一旦外力消失，梁在形状记忆合金超弹性效应的驱动下，挠度迅速恢复，裂缝闭合，试件再次受力时，经修复胶粘剂修复后的裂缝未再次开裂，而在试件

16、中出现了新的裂缝。7）姚武等人研究了不同龄期受损混凝土经过相同养护期后的自然愈合象。混凝土受损后的自愈合实质上是损伤部位未水化或水化不充分的胶凝材料加速水化或进一步水化生成新的水化产物弥合裂缝的过程。以超声波速的变化表征混凝土受压开裂后的损伤程度，建立了混凝土损伤量与愈合状况之间的关系结果表明，混凝土材料存在一个损伤阈值：当混凝土的损伤低于损伤阈值时，自愈合率随着损伤量的增大而增大；当混凝土损伤超过损伤阈值时，自愈合率随着损伤量的增大而降低。8）全世海等人预埋管混凝土裂缝灌浆修补技术，是混凝土裂缝修补技术中的一种新尝试，同时也为新型自愈合仿生混凝土材料的研究和开发作前期准备。测试了不同稀释剂、

17、固化剂及增韧剂综合改性的环氧树脂多组配方灌浆液的性能，对通过预埋玻璃管模拟灌浆修补混凝土裂缝的效果与通过缝面灌浆修补混凝土裂缝的效果进行了比较。9）匡亚川等人根据生物体损伤愈合的原理，设计了一种具有裂缝自愈合行为、内置纤维胶液管的钢筋混凝土梁，混凝土受拉开裂时，纤维胶液管破裂， 其中的修复胶粘剂流出，愈合裂缝。首先，分析了修复纤维对混凝土自愈合效果的影响华南地区海港码头等工程在远低于其设计寿命(有的甚至几年内)即遭破坏。可见，混凝土构筑物的耐久性问题已尖锐地摆在人类的面前，应引起高度重视。因此，研究与耐久性密切相关的影响因素，提高混凝土的耐久性已成为十分重要的研究课题，其中裂缝对混凝土构筑物耐

18、久性的影响更是不容忽视。因此混凝土的裂缝修复问题，长期以来一直是学术界和工程界所研究的一个重要课题。研究认为，一般表面裂缝，宽度小于0.5mm的细小裂缝对建筑功能性影响不大，因此可以假定小于0.5mm的裂缝的结构为无裂缝结构。但随着外界条件的变化或者荷载的增加，裂缝会发展成为深层裂缝或贯穿裂缝，则会对建筑物的安全造成严重的损害4。裂缝既影响建筑物的美观，又破坏建筑物的完整性，影响建筑物的安全运行，降低建筑物稳定安全系数，也导致其他病害的发生，如冻融破坏、渗漏溶蚀、钢筋锈蚀等。传统的混凝土裂缝的修补方法：表面修补法：此法适用于对承载能力没有影响的表面裂缝及深进裂缝的处理，亦适用于大面积细裂缝防渗

19、堵漏的处理。根据结构的使用要求选择表面修补用的材料，材料必须具有密封性、不透水性和耐侯性，其变形性能应与被修补的混凝土性能相近。常用的表面修补材料有环氧树脂、丙烯酸橡胶。较大的裂缝也可用水泥砂浆、防水快凝砂浆涂抹。根据施工工艺可具体细分：表面涂抹水泥砂浆法、表面涂抹环氧胶泥法、表面粘贴环氧玻璃布法、表面凿槽嵌补法、表面贴条法、扒钉钮合法等。压浆修补法：压浆就是用压送设备将修补用浆材压入构件的裂缝中，浆材凝结、硬化后起到补强和恢复结构整体性的作用。这种方法适用于对结构整体性有影响，或有防水、防渗要求的裂缝修补。常用的灌浆材料分为水泥浆材和化学浆材，可按裂缝的性质、宽度、施工条件等具体情况选用。一

20、般对宽度大于0.3mm的裂缝，可采水泥灌浆；对宽度小于0.3mm的裂缝，宜用化学灌浆。水泥灌浆具有强度高、材料来源广、价格低等优点，一般用于大体积混凝土结构的修补。主要施工程序包括:钻孔-冲洗-止浆及堵漏-埋管-试水-灌浆。化学浆材与水泥浆材相比，具有化学稳定性好、粘度低、可灌性好、收缩小及较高的粘结强度和一定的弹性等优点，恢复结构整体性效果好，适用于各种情况下的裂缝修补、堵漏及防渗处理。浆材应根据裂缝的性质、缝宽和干湿情况选用。浆材的性能对裂缝的修补施工和修补效果有决定性的影响，目前国内应用比较普遍的是环氧树脂浆材和聚氨酯浆材。结构加固法：2元的平衡状态，得到了修复纤维能及时发挥修复作用的合

21、理参数；最后，通过三分点弯曲试验，验证了梁的裂缝自愈合能力；分别采用不同的修复胶粘剂进行了试验，得到了一种适合钢筋混凝土梁裂缝自愈合的理想胶粘剂。1.2.2 国外混凝土裂缝自修复研究的发展状况1）日本东北大学三桥博三教授将内含修复剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心纤维破裂，修复剂流出渗入裂缝，使混凝土裂缝得到修复。三桥博三教授在试验中分别采用水玻璃，稀释水玻璃和环氧树脂等材料作修复剂，将其注入空心玻璃纤维并掺入混凝土材料中，测试 7d 和 28d 不同龄期，裂缝经不同修复剂修复后混凝土材料的强度回复率。日本茨城大学教沼尾达弥和福尺公夫对自修复

22、混凝土中不同的纤维尺寸、掺量和不同的水灰比等特性对混凝土产生的影响作了一些研究，研究结果表明:不同外径、不同掺量的玻璃纤维对混凝土抗压强度的影响差别不大，但是过多的掺入玻璃纤维，将使混凝土的强度有所降低。2）美国伊利诺伊斯大学的 Carolyn Dry 在 1994 年采用将空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为胶粘剂，埋入混凝土中，使混凝土产生自修复效果。试验试件采用三点弯曲法加载，荷载导致修复纤维开裂并且释放胶粘剂进入混凝土基体。从试件的表面可看出胶粘剂已经渗透外表面，当修复胶粘剂固化后再进行三点弯曲试验，测试了试件修复前后的承载力状况及修复后材料的柔韧性状况。试验表明，第二次弯曲试验中，被

23、胶粘剂修复后的试件将能承受更大的荷载，并且材料的延展性柔韧性也得到了较大的改善。Carolyn Dry 还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生自修复混凝土材料。其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料，其中加入多孔的编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂，单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。因此，在纤维网的表面形成都需要做结构补强。结构加固法适用于整体性、承载能力有较大影响的、表面损坏严重的、表面、深进及贯穿性裂缝的加固处理。对因设计或施工不当、材料质量不符要求、使用功能改变、遭受灾害以及耐久性等原因需对混凝土结构进行加固的常用方法有:

24、围套加固法(在结构构件一侧或多钡外包钢筋混凝土围套)、钢箍加固法、预应力加固法、粘贴加固法、喷浆加固法等。但是这种传统的混凝土裂缝的修复形式主要是定期维修与事后维修，这种消极的、被动的维修方式不仅费用庞大，而且效果不佳，更无法满足现代多功能和智能建筑对材料提出的要求。实际的混凝土桥梁工程结构中，许多微小裂纹发生在结构内部，如果这些微观范围的损伤在发展成宏观裂缝之前，能得到有效的修复，那么将大大提高桥梁结构的安全性和使用寿命。人们从生物系统中得到启示，希望在混凝土结构中得到与生物体中相类似的修复系统，当混凝土中出现裂缝或损伤时，能够像人体伤口由“破裂流血凝结愈合”这一过程自动修复。自二十世纪九十

25、年代中期,国内外先后开展了功能型和智能型水泥材料的研究,并取得了一些有价值的研究成果。自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理,采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法,对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能,恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。其具有自修复行为混凝土的智能模型为:在混凝土基体中掺入内含修复胶粘剂的修复纤维管,从而形成了智能型仿生自修复神经网络系统。在外界作用下,混凝基体一旦开裂,管内装的修复剂流出渗入裂缝,由化学作用修复剂固结,从而抑制开裂,修复裂缝。现已经有好几种裂缝仿生自修复技术，混凝土自修复技术解决两个主要问题：其一为封闭裂缝自修复，其二为填充裂缝

26、自修复。但是到目前为止，对混凝土裂缝自修复技术的研究还处于起步阶段，所以作者认为此领域还有大量研究工作要做。综合仿生自修复混凝土材料在理论研究上和反复修复在工程实践中存在的不足，结合当前混凝土多功能和智能化的发展趋势，对这两种新技术的成功之处加以整合进而提出多重尺度的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的自修复这一新的研究课题，不仅可实现对混凝土局部易开裂部位采取自修复处理，而且为自修复混凝土材料及方法的深入研究寻求思维突破。本课题的研究可以提高混凝土构件的耐久性，延缓衰老，提高维修寿命，减少维修次数，进而节省大量维修费用，具有很强的实用价值和理论研究意义。自修复智能混凝土能够主动、自动地对裂纹和

27、损伤部位进行修复，从而恢复甚至提高混凝土材料的强度以达到延长混凝土结构使用寿命的目的。自修复混凝技术还很不成熟。尽管渗透结晶自修复技术已经应用于包括大坝工程在内的许多混凝土工程中，但是，聚合物固化仿生自修复和电解沉积自修复等混凝土的裂缝自修复技术则基本上还处于试验探索阶段，尚未取得实质进展。目前,仿生自修复法也还存在许多问题需要解决。例如,有关修复粘结剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机理的研究、纤维或胶囊的选择、分布特性、其与混凝土断裂的匹配及相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等问题。因此，在加强混凝土裂缝自修复机理研究的同时，还必须加强工艺技术的研究。3）加强核心关键技术的开发研究。

28、水泥基渗透结晶型防水材料以其优异的性能受到了国内外用户的青睐。为推广这种新型防水材料，北京城荣防水材料有限公司、上海基成达申防水材料有限公司、昆山凯顿百森高效防水材料有限公司、乌鲁木齐固斯特防水材料有限公司、上海汇奇实业发展有限公司等先后制定了本公司的企业标准，对生产组织、产品质量，以及产品的推广使用发挥了积极作用。但其产品中所含的活性化学物质依靠进口或不具有核心专利技术，导致这些产品价格较高，严重制约了这一高新技术成果在我国的推广应用。因此，研发具有自主知识产权的核心关键技术十分必要。4）研究混凝土裂缝自修复的评价和检测手段。正确评估和检测混凝土裂缝自修复的效果，将对自修复技术的推广应用具有

29、重大意义。水泥基渗透结晶型防水材料的国内外用户普遍认为，若能对“渗透结晶”性能拿出令人信服的检测手段，将会极大的促进这类材料的推广应用，目前工程界十分关注这一问题。5）对混凝土耐久性的影响缺乏研究：水泥基渗透结晶型材料对混凝土抗渗，性能的改善有较多的研究，而该材料对混凝土的耐久性能如钢筋锈蚀、化学侵蚀、冻融破坏、碱集料反应等的影响基本未见报道。虽然一般认为提高抗渗性有利于混凝土耐久性的改善，但该类材料对混凝土耐久性的影响仍然需要进行实验研究与证实。6）微观或亚微观结构研究少：目前关于水泥基渗透结晶型材料对混凝土的微观或亚微观结构的影响基本未见研究报道。该材料对混凝土抗渗性的影响评价只是通过测试

30、材料的一次抗渗压力、固定压力下混凝土的透水深度或二次抗渗压力来进行，没有能够从混凝土的孔隙率孔径分布等微观或亚微观结构层次来研究。对该材料的活性化合物在混凝土中的渗透深度也未见研究报道。1.3课题的提出混凝土的裂缝修复问题，长期以来一直是学术界和工程界所研究的一个重要课题，传统的裂缝修复方式已无法满足现代多功能和智能建筑对材料提出的要求。穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机有机相结合的复合材料，具有优异的强度及延性等性能。而且，在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放出高聚物，修复损伤。Adam Neville、Natalya Hearn 研究认为混凝土裂缝自修复发

31、生的化学反应，主要产物是 Ca(OH)2和 CaCO3。Adam Neville 发现 Ca(OH)2晶体的生成需要裂缝周围有充足的水存在，而 CaCO3在需要水的同时还要求有 CO2的存在，而对于开放的裂缝，不管是收缩还是外力引起的，当他暴露在空气中时，都没有任何自修复现象的发生，当周围有水存在后，未水化的水泥开始继续水化，裂缝处就会有Ca(OH)2、CaCO3晶体生成。Carola Edrarden 通过试验得出以下结论，在裂缝产生的二到五天里，是裂缝中的晶体生长最快的一段时间，自修复最初阶段裂缝处的 Ca2+同 CO2发生反应，直到裂缝处的 Ca2+消耗完，更多的 Ca2+从混凝土内部移

32、动到裂缝处，这一过程由扩散控制。他认为 CaCO3的生成是混凝土裂缝自修复的主要原因，裂缝处的灰尘和杂质会沉积在裂缝处，也对混凝土裂缝的自修复产生影响，另外 Ca2+的有效性不是 CaCO3生成的关键因素，Ca2+的主要来源 Ca(HCO3)2和 CO2都是存在与水中的，从另一个侧面说明水对混凝土裂缝自修复的重要性。Clear 将带裂缝混凝土试件放入特制的仪器中，试件上部有一水源稳定在恒定的水压，在水流的冲刷下，混凝土裂缝发生自修复，裂缝宽度会逐渐减小，单位时间内的渗水量也随之减小，利用渗水量和裂缝宽度之间的公式，根据单位时间通过混凝土试件的水量，分析混凝土裂缝的自修复能力。他得出以下结论，混

33、凝土裂缝自修复后 CaCO3晶体生成较为明显，而前期混凝土试件裂缝处的渗水量的减少，主要由裂缝处已存在松散的颗粒在水流的冲刷下堵塞裂缝造成。Lauer and S1ate 通过岩石相分析，认为裂缝自修复的化学产物是 Ca(OH)2和 CaCO3，他进一步说明 Ca(OH)2作为水泥的水化产物，与水中的 CO2反应生成CaCO3，随着裂缝表面的 Ca(OH)2发生反应，并且逐渐减少，混凝土内部的 Ca(OH)2会不断扩散到裂缝表面，但是他的文章中并没有说明 Ca(OH)2从混凝土内部扩散到裂缝表面所需用的驱动力。另外，文章指出由于在水泥水化物质中可利用的空间比较小，CaCO3的晶体会逐渐向裂缝外

34、面生长附着在裂缝的表面。1.4 研究存在的问题了功能型和智能型水泥材料的研究,并取得了一些有价值的研究成果。自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理,采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法,对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能,恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。笔者在前人研究的基础上，凭借别人和自己积累的经验，综合仿生自修复混凝土材料在理论研究上和反复修复在工程实践中存在的不足，结合当前混凝土多功能和智能化的发展趋势，对这两种新技术的成功之处加以整合进而提出了具有多重尺度的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的自修复这一新的研究课题。本文通过试验，得出了空间管状纤维骨架

35、系统对混凝土试件自身强度的影响以及对混凝土裂缝的修复效果，验证了该课题的可行性，具有很强的理论研究意义和实用价值。1.5本课题的研究内容与难点多重尺度的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的自修复机理是在综合工程实践中的化学灌浆技术和仿生自修复混凝土材料的自修复机理基础上提出的一种新的裂缝修补方式。1.5.1 主要研究内容由于设计、施工、材料、荷载、温度等多方面的原因，混凝土结构出现裂缝是在所难免的，但是一般认为宽度小于 0.3mm 的细小裂缝对混凝土结构影响不大，但随着外界条件的变化或者荷载的增加，裂缝会发展成为深层裂缝或贯穿裂缝，当裂缝宽度大于 0.3mm 时则会对混凝土结构的安全造成严重的损

36、害。对此要采取一定的措施来控制裂缝的发展，目前主要采用表面处理法、填充法、灌浆法和结构补强法等。具有多重尺度的空间管状纤维骨架系统对混凝土裂缝的自修复机理是在综合工程实践中的化学灌浆技术和仿生自修复混凝土材料的自修复机理基础上提出的一种新的裂缝修补方式。因而研究其影响因素，验证它的可行性，是本课题的主旨所在。本文主要研究空间管状纤维骨架系统对宽度大于 0.3mm 的裂缝的修复效果，它主要由温度、超载等原因引起的，影响混凝土结构的安全运行，降低混凝土结构的稳定安全系数，也导致其他病害的发生，如冻融破坏、渗漏溶蚀、钢筋锈蚀等，因此研究空间管状纤维骨架系统对宽度大于 0.3mm 的裂缝的修复效果，具

37、有重要的意义。本文研究的主要内容包括：1）搜集混凝土裂缝开裂的形式及原因；2）混凝土裂缝自修复机理的提出；3）混凝土裂缝修复用胶黏剂的选用及配方：根据现有胶黏剂的性质、用途，结合本文的研究特点，选出较适用的的胶黏剂。聚氨酯-环氧树脂-甲基丙烯酸甲脂胶液的配方；环氧树脂灌液的典型配方；4）空间管状纤维骨架系统的构造5）混凝土试件的制备空间管状纤维骨架的制作及胶黏剂的调制；普通混凝土试件的制备；空间管状纤维网混凝土试件的制备；6）试验研究的预期目标通过对内置不同空间管状纤维骨架系统对混凝土试件自身强度的影响的试验对比，分析内置不同体系空间管状纤维骨架系统对不同强度、不同龄期混凝土试件自身强度的影响

38、结果；通过第二次抗折实验对比内置不同体系空间管状纤维骨架系统及不同的胶黏剂对混凝土裂缝的自修复效果；通过第三次抗折实验对比内置不同体系空间管状纤维骨架系统及不同的胶黏剂对混凝土裂缝的反复自修复的效果。1.5.2 课题研究的难点1）空间管状纤维骨架系统的制作，管与管之间的连接；2）预应力混凝土（PC）梁桥混凝土裂缝主动预防、自主修复机理、方法及手段的探索；3）纤维管与基体材料性能的匹配的要求。要求在基体材料出现裂纹时纤维管也要适时破裂，如采用塑料纤维管装入修复剂嵌入，可能会发现基体完全开裂而纤维管并未破损的现象，无法实现自修复；4）裂缝修复管数量的控制。太少裂缝不能完全修复，太多则可能对基体本身

39、的宏观性能带来不良影响；5）修复剂的粘结强度，这与修复后的强度与原始强度的比值有很大关系。第二章 混凝土裂缝的类型及产生原因混凝土是一种有砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料。由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题,硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝,正是由于这些初始缺陷的存在才使混凝土呈现出一些非均质的特性。微裂缝通常是一种无害裂缝,对混凝土的承重、防渗及其他一些使用功能不产生危害。但是在混凝土受到荷载、温差等作用之后,微裂缝就会不断的扩展和连通,最终形成肉眼可见的宏观裂缝,也就是混凝土工程中常说的裂缝。混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相

40、互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因，比如：温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。根据不同的分类标准，裂缝的分类方法有多种。根据裂缝的出现时间，可以分为施工阶段的裂缝和使用阶段的裂缝；根据裂缝的性质，可以分为结构型裂缝和材料型裂缝；根据裂缝产生外因，可以分为荷载型裂缝和温度型裂缝；还可以根据裂缝产生的力学破坏形式，分为弯曲裂缝、剪切裂缝和扭曲裂缝等等。每一种分类方法都有不同的出发点，而实际裂缝产生后，往往可以根据不同的划分原则将其归为的裂缝类型。这里我们主要讨论按裂缝产生的外因及按裂缝的力学特性分类的裂

41、缝。2.1 按裂缝产生的外因分类每一种分类方法都有不同的出发点，而实际裂缝产生后，往往可以根据不同的划分原则将其归为的裂缝类型。2.1.1 荷载裂缝混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。1）直接应力裂缝：直接应力裂缝是指由外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算，计算模型不合理，结构受力假设与实际受力不符，荷载少算或漏算，内力与配筋计算错误，结构安全系数不够；结构设计时不考虑施工的可能性，设计断面不足，钢筋设置偏少或布置错误，结构刚度不足，构造处理不当，设计图纸交代不清等。施工

42、阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。使用阶段，超出设计荷载的重型车辆过桥，受车辆、船舶的接触、撞击，发生大风、大雪、地震、爆炸等。2）次应力裂缝：次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋，同时削减该处断面尺寸的办法设计铰，理论计算该处不会存在弯矩，但实际该铰仍然能够

43、抗弯，从而出现裂缝而导致钢筋锈蚀。桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。实践表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，只是按经验处理一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到

44、合理验算的。例如对预应力、徐变等产生的二次应力，在 40 年前计算还比较困难，但现在不少平面杆系有限元程序均可正确计算。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。2.1.2 温度裂缝混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化时，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出荷载应力。温度裂缝区别于其他裂缝最主要的特征是将随温度变化而扩张或合拢

45、。引起温度变化的主要因素有：1）年温差。一年中四季温度不断变化，虽然变化相对缓慢，但是对桥梁结构还是会产生一定影响，主要表现在温度变化会导致桥梁的纵向位移。当然这种作用一般可通过合理设置桥面伸缩缝、支座位移或柔性墩等构造措施来协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，如拱桥、刚架桥等:在我国，年温差一13月的月平均温度差。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时应考虑对混凝土弹性模量进行折减。2）日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其他部位，温度梯度呈非线性分布，由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。3）骤

46、然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，混凝土弹性模量可不考虑折减。4）水化热。在施工过程中，大体积混凝土浇筑之后由于水泥水化放热，内部温度很高，内外温差很大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，降低集料人模温度，减小内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。5）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，也易出现裂缝。6）预制 T 梁之间横隔板安装时，支

47、座预埋钢板与调平钢板焊接时，若焊接措施不当，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至 350，混凝土构件也容易开裂。试验表明，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到 300后抗拉强度下降 50%，抗压强度下降 60%，光圆钢筋与混凝土的粘结力下降 80%；由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。2.1.3 收缩裂缝在实际工程中，混凝土因收缩而引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和碳化收缩。1）塑性收缩裂缝：塑性收缩裂缝往往发生在施工过程中、混凝土浇筑后 45h 左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉。因此时混凝土尚未硬化，所以称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大，可达 1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如 T 梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发