论文总字数：30902字

摘 要

随着时间的发展人们的建造技术越来越好，对各种材料的性能要求越来越高，作为应用最广泛的建筑材料，混凝土被大家重点关注，所以在如何增强混凝土的机械性能及耐久性等方面，研究人员做了大量的研究，其中就包括混凝土自愈合的研究。近些年来，关于普通混凝土自愈合的研究越来越多，并且研究的更加全面和深入，而关于超高性能混凝土自愈合的研究却为数不多。本文对混凝土自愈合进行了介绍，包括混凝土裂缝的分类、裂缝自愈合机理及裂缝自愈合的影响因素。之后又介绍了超高性能混凝土及超高性能混凝土的配合比的优化试验，再谈到了超高性能混凝土中自愈合研究及自愈合效率的评估方式。最后，提出了自愈合在超高性能混凝土中可能的未来发展方向。

关键词：自愈合；超高性能混凝土；

Abstract

With the development of the time people build technology is getting better and better, the performance requirements of various materials is higher and higher, as the most widely used construction materials, was focused on concrete, so how to enhance the mechanical properties and durability of concrete, etc., the researchers have done a lot of research, including research of concrete self-healing.In recent years, there are more and more researches on the self-healing of ordinary concrete, and they are more comprehensive and in-depth, while there are few researches on the self-healing of ultra-high performance concrete.This paper introduces the self-healing of concrete, including the classification of concrete cracks, the mechanism of self-healing of cracks and the influencing factors of the self-healing of cracks.Then the optimization test of the mixture ratio of ultra-high performance concrete and ultra-high performance concrete is introduced, and the self-healing research and the evaluation method of the self-healing efficiency in ultra-high performance concrete are discussed.Finally, the possible future development direction of self-healing in ultra-high performance concrete is proposed.

Key Words：self-healing；ultra-high performance concrete

目 录

第1章 绪论

1.1自修复混凝土的产生

1.2混凝土裂缝的分类

1.2.1收缩裂缝

1.2.2温度裂缝

1.2.3荷载裂缝

第2章 水泥基材料的自修复策略

2.1自然自愈合

2.2工程自愈合

2.2.1纤维增强混凝土

2.2.2微生物的使用

2.3仿生自修复

2.3.1内置修复剂自修复

图2.1内置胶囊作用示意图

2.3.2形状记忆合金自修复

第3章 自愈合的影响因素

3.1环境因素

3.1.1水含量的影响

3.1.2水压及流速的影响

3.1.3水溶液的pH值的影响

3.1.4盐溶液的影响

3.1.5温度的影响

3.2裂缝宽度的影响

3.3龄期的影响

3.4胶凝材料的影响

第4章UHPC及其配合比优化试验介绍

4.1 实验

4.1.1原材料

4.1.2配合比

4.1.3试验方法

4.2结果与讨论

4.2.1减水剂掺量对超高性能混凝土工作性能的影响

4.2.2减水剂掺量对UHPC密实度和抗压强度的影响

第5章 UHPC的自愈合研究及自愈合效率的评估

5.1 UHPC的自愈合研究

5.2自愈合效率的评估

5.2.1显微镜测试

5.2.2恢复抗渗性能测试

5.2.3恢复力学性能测试

第6章 总结和展望

参考文献

致谢

第1章 绪论

1.1自修复混凝土的产生

随着材料科学的飞速发展，混凝土凭借着成本低廉、性能效果佳、取材便利等优点，广泛地应用于建筑、桥梁、公路等基础设施，在我们的生活中变的随处可见。随着如今人们对建筑质量要求的不断提高，混凝土的力学性能、物理性能也在不断的提高。但由于混凝土的干燥收缩、自收缩、温度变化、循环荷载及外力冲击等因素的影响，混凝土产生一系列的微裂纹。这严重导致了混凝土的使用寿命低于它的设计寿命，极大的损害了人民经济和社会效益。正是基于实际因素，如何将裂纹产生后对混凝土耐久性的影响降到最低，进而延长混凝土的服役年限，成为学术界和工程界的一个重要问题。在过去，考虑更多的是修补技术，即对可见的大裂纹通过表面修补、压浆修补、结构加固等方法，维持基本的性能。但这些传统的方式更多的是裂纹扩大后的事后维修，不仅费用较高，而且效果不明显。而在上个世界九十年代，出现的自修复混凝土可以弥补传统方法的不足。自修复技术模拟生物组织受创后的再生、恢复机理，能在混凝土内部的小裂纹发展成宏观裂纹之前，修复裂缝。在环境水的作用下，在基体不连续的裂纹处起到作用，并在力学性能、渗透性等方面恢复原状。自修复混凝土延长了建筑的使用寿命，节省了大量的建筑材料和费用，减少了建筑垃圾生成及废气的排放，对环境的可持续发展有着相当大的贡献。

1.2混凝土裂缝的分类

按导致裂缝出现的因素不同将混凝土裂缝分进行分类^[1]，混凝土中的自由水和结构的减少所导致的裂缝为收缩裂缝，混凝土中因存在温度应力导致的裂缝为温度裂缝、因承受不住荷载而产生的裂缝为荷载裂缝。

1.2.1收缩裂缝

收缩裂缝是混凝土自由水和结构水的不断减少而导致的，是比较容易产生的一种裂缝，且在混凝土裂缝为主要成分。人们通常用河砂、鹅卵石与胶凝材料加水混合来制备水泥基浆体，再将水泥基浆体注入模板中进行成型、凝结硬化。在实际应用中，为保证水泥基浆体能够顺利流至模板中的每一个位置，一般在河砂、鹅卵石、胶凝材料混合时加入过量的水。除去用于水化的水分，剩余的水分以自由水的形式存在，并在硬化过程中不断向浆体表面移动并蒸发，使得混凝土的孔隙率不断上升，使混凝土产生收缩裂缝。另外，水化用水在发生水化作用时也会导致混凝土的体积减小，从而产生裂缝。

1.2.2温度裂缝

温度裂缝产生的原因是混凝土的内部温度与表面温度差距太大，混凝土的内部温度与表面温度差距一般自身胶凝材料水化和环境温度突变造成。在混凝土进行凝结硬化时，胶凝材料不断反应释放大量的能量，能量以热能的形式进行传递。由于混凝土的导热能力比较差，使热量囤积在混凝土内部致使混凝土内部温度快速升高，从而使混凝土内部温度与混凝土表面温度差距增大，导致产生温差应力，当温度应力的数值突破一定的界限后混凝土出现裂缝。混凝土浇筑后的一段时间内所产生的温差裂缝一般是凝结硬化放热所导致的。此外，寒流的侵袭导致的环境温度突变也会使混凝土开裂。

1.2.3荷载裂缝

荷载裂缝是当混凝土的所承受的荷载超过混凝土的承载能力所产生的损伤，原因可能是荷载过大或混凝土的承载能力不足，就如过载的货车会使马路开裂一样。荷载裂缝由结构自重作用外力作用两种产生原因。荷载裂缝往往只存在于混凝土表面，仅仅对建筑表观有所影响，对混凝土的各方面性能没有太大影响，唯有少数较深的裂缝会降低混凝土的抗渗性能，让钢筋与空气和水接触而腐蚀，降低建筑的寿命及可靠性。

本文首先介绍了治愈和混凝土的修复机理，然后对这个混凝土修复的影响因素进行了探究，之后谈到了在超高性能混凝土及一项超高性能混凝土的配合比优化实验，再引申到自愈合在超高性能混凝土中的研究与应用以及自愈合效率的评估，最后分析了超高性能混凝土自愈合未来发展的方向。

第2章 水泥基材料的自修复策略

自修复混凝土按其自愈合和自修复作用方式的不同；可分为自然自愈合、工程自愈合、仿生自修复等。

2.1自然自愈合

自然自愈合又称为自体愈合。自体愈合主要归因于两种机制：（1）未水化水泥颗粒的持续水化（2）氢氧化钙的溶解和CaCO₃的形成^[2]。除了这两种机制外，由于进水中的杂物和松散水泥颗粒在水存在下沉降入裂缝以及水泥基质膨胀也可能导致自愈。上述机制的总体贡献仍有待讨论。显然，混凝土自愈能力的高低取决于开裂时的混凝土龄期。由于混凝土早期的未水化水泥颗粒含量较高，水泥颗粒持续水化是年轻混凝土的主要愈合机制。在晚期，主要机制则为碳酸钙（CaCO₃）的沉淀^[3-4]。

2.2工程自愈合

工程自愈合从自然自愈合发展而来，通过在混凝土中添加一些材料或生物来提高混凝土的自愈和能力。按照添加的物质不同可分为内置纤维和内置微生物两类，其中纤维的物理化学性质、微生物的活性及耐碱性等对混凝土自愈合能力影响较大。

2.2.1纤维增强混凝土

Li^[5]等人首先提出了使用纤维增强应变硬化工程水泥基复合材料（ECC）来限制裂缝宽度，从而促进自愈合。在他们最初的研究中，使用的是聚乙烯（PE）纤维，而后来他们使用性价比更高的聚乙烯醇（PVA）纤维。他们用Homma^[4]和Nishiwaki等人^[6]的方法比较了使用钢丝帘线（SC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚乙烯醇（PVA）纤维混凝土的自愈合效率。当裂纹内的钢开始腐蚀时，摻SC纤维的混凝土裂缝愈合效率较低，而摻PVA纤维的混凝土裂缝自愈合效率较高。原因是，羟基附着在PVA纤维结构上，吸引钙离子，从而促进结晶产物的沉积。在后来的研究中，Mihashi^[7]等人将聚乙烯醇纤维与含有修补剂的嵌入脆性管结合使用。液体修补剂与混凝土基质中的二氧化硅颗粒发生化学反应形成晶体。在这种特殊情况下，当裂纹大于200μm时，愈合效率更高。对于200μm以下的裂纹宽度，PVA纤维没有被充分拉出，从而暴露出足够的二氧化硅材料来阻止裂纹。

2.2.2微生物的使用

由于微生物对CaCO₃沉淀产生有着显著的促进作用。许多研究人员参与到微生物修复混凝土技术的研究中来。Jonkers等^[8]指出微生物使混凝土裂缝愈合的主要机理为，混凝土中前驱体化合物与微生物相互作用产生用于填充的材料。同时要求微生物在混凝土中有与混凝土使用寿命相近的存活时间，且混凝土的力学性能不会因微生物或水泥基前驱体化合物的加入而降低。耐碱无芽胞厌氧菌埋入混凝土后的寿命从50多年缩短至几个月。并且混凝土的力学性能由于有机生物及前驱体化合物摻入而降低，但是好在无芽胞厌氧菌对混凝土力学性能没有影响。钱春香等人^[9-10]研究了混凝土中微生物诱导矿物沉淀所起到的作用。他们将菌株A和碳酸盐矿化菌生长摻入到混凝土中，混凝土中Ca² 与的菌类的繁殖过程中生成的CO₃^2-反应形成CaCO₃，增强了混凝土的抗渗性。尹晓爽^[11]等研究了自培育斯氏假单胞菌在混凝土自愈合过程中的作用，虽然CaCO₃的结晶过程受自培育斯氏假单胞菌制约，但孔方解石和亚稳态球霰石型CaCO₃受自培育斯氏假单胞菌诱导而生成。VanTittelboom^[12]等研究了尿素霉菌在混凝土自愈合中的作用。结果显示：尿素霉菌可以加速碳酸钙的生成长而促进混凝土的自愈合，原因是，尿素霉菌可以将尿素分解成二氧化碳和氨基，二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙填充裂缝，氨基可降低裂缝混凝土养护环境的PH值。为解决氨气对人体及环境有害的问题，Jonkers等研究好氧嗜碱芽胞杆菌在自愈合混凝土中的作用。混凝土正常服役时，细菌由于缺氧处于休眠状态，细菌会混凝土出现裂缝后与氧气接触而退出休眠状态，正常状态下细菌新陈代谢所释放的二氧化碳会促进混凝土裂缝的愈合，因此该细菌在混凝土中的寿命较长。为了大幅度提高摻入混凝土中的细菌的寿命，Jonkers.等^[8]在混凝土中摻入含有经过真空处理的芽胞菌和乳酸钙的多空膨胀粘土颗粒。芽胞菌和乳酸钙作用产生的CaCO₃促进混凝土的有效愈合，并且混凝土中的细菌寿命增长了三倍。Gollapudi等人^[13]开展了一项研究，并介绍了一种修复混凝土裂缝的环境友好方法，在该方法中，加入溶脲细菌以加速混凝土微裂缝区域中CaCO₃的沉淀。采用溶解无机碳含量、物料pH值、钙离子浓度、成核点的可及性等参数对微生物辅助沉淀CaCO₃进行了表征。

2.3仿生自修复

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