内置玻璃胶囊自修复混凝土力学性能试验研究
2006-07-25 00:00
摘 要：将自密实混凝土技术应用于自修复混凝土中，并采用正交试验方法，分析玻璃胶囊几何参数和体积掺量对自密实混凝土力学性能的影响，比较各因素对其强度影响的大小关系，揭示了玻璃胶囊几何参数和掺量对自密实混凝土强度的影响规律，选取了几何参数和掺量最佳组合的玻璃胶囊。
关键词：玻璃胶囊；自密实；自修复混凝土；力学性能
1 引言
仿生自修复混凝土材料属于智能材料范畴，它是在混凝土基体中掺入修复胶囊，胶囊内含有可流动的物质——修复胶粘剂，形成智能型自愈合网络系统。在外界荷载作用下，一旦混凝土基体开裂，部分胶囊破裂，胶粘剂流出并渗入裂缝处凝结，从而实现混凝土裂缝的自愈合。自修复混凝土作为智能结构的重要组成部分，可以解决用传统方法难以解决或不能解决的技术关键，对确保高层建筑、桥梁、核电站等重大土木基础设施的安全和长期的耐久性，以及减轻台风、地震冲击等诸多破坏因素方面有很大的应用潜力。研究和开发仿生自修复混凝土，使其能够主动、自动地对损伤部位进行修复、恢复并提高混凝土材料的性能巳成为混凝土技术的发展趋势。
然而。在内置玻璃胶囊自修复混凝土的施工中，若对混凝土进行振捣，将使玻璃胶囊受扰动而浮出混凝土表面，甚至导致玻璃胶囊破碎，其修复剂过早流失，达不到修复混凝土的目的。自密实混凝土是在没有振捣的情况下仅靠自重就能穿越密集钢筋、在复杂模板中填充成型并且不产生离析，具有均匀自密实成型性能，同时硬化后具有优良的力学性能和耐久性能。近年来，在自密实高性能混凝土的配合比优化及结构的安全性能方面进行了系列的研究。因此，采用自密实混凝土作为自修复混凝土的基材，较好地解决了自修复混凝土构件制作的技术难题。
玻璃胶囊几何参数和掺量的选择对混凝土的修复效果起着非常重要的作用。一方面玻璃胶囊若选择不当，将起不到修复混凝土的效果；另一方面，在混凝土中内置玻璃胶囊不当，将影响混凝土的力学性能。为了保证自密实混凝土的力学性能不致受到大的影响，有必要对玻璃胶囊和混凝土基材的性能匹配进行研究，以选出体积掺量和几何参数最佳组合的玻璃胶囊。
2 试验研究
2。1 试验设计
由于影响内置空心玻璃胶囊混凝土力学性能的因素很多，包括胶囊的体积掺量、胶囊长度和胶囊管径，本文主要研究空心玻璃胶囊（未注入胶粘剂）和混凝土基材的性能匹配，因此选择6个掺量（1.5% 、2.0% 、2.5%、3.0% 、3.5% 、4.0%），3种长度（20、25、30mm）以及3种管径（4、6、8 mm）的玻璃胶囊进行试验。为了系统考察玻璃胶囊体积掺量、长度以及管径对自密实混凝土力学性能的影响规律，采用正交试验设计方法，选用 L18（61×36）正交表 （见表1）。
2。2 试验原材料及混凝土配合比
2。3 试件制作
在混凝土中掺入玻璃胶囊，如果直接将胶囊与拌合物一起放在搅拌机里搅拌，将导致胶囊破裂，若对混凝土进行振捣，不但会导致内置于混凝土中的玻璃胶囊因为受扰动而浮出混凝土的表面，而且还容易导致它们破碎。因此试件制作采用自密实混凝土，用手工播撒的方式分层均匀地将空心玻璃胶囊放入试模混凝土中。由于玻璃胶囊的价格较高，对于考虑多因素多水平的正交试验，试件个数多，需要大量的玻璃胶囊，因此试验选用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块以及100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块进行试验。试验根据GB／T50081—2002（普通混凝土力学性能试验方法标准》的有关方法进行。各试块带模养护1 d后拆模，并测定其长度作为基准长度，然后放在标准养护室里养护28 d，再进行力学性能试验。
3 结果与分析
3。1 试验现象
胶囊在混凝土中的分布是乱向的。从破坏面来看，当胶囊方向与荷载方向接近垂直时，胶囊破碎率极高，几乎达到百分百；而当胶囊方向接近或者比较接近与荷载平行时，其破坏率比较低，这在劈拉试验表现得尤为突出。管径越大，胶囊破坏的个数也越多。管径为4mm，且分布的方向基本与荷载方向垂直的胶囊只有个别没有破碎。玻璃胶囊掺量大的试块破坏时，可以听到玻璃破碎的声音。对劈拉试验试块破坏面进行观察，掺量大的试块，胶囊比较集中，而且破碎率很高。除了个别试块在劈裂面上出现一两个胶囊和混凝土脱离而没破碎，其余的玻璃胶囊都能破碎。没有破碎的胶囊分布方向大都与荷载相平行，且处于劈裂面附近。试块破坏时，作用在胶囊上的力不足以使胶囊破碎，而且玻璃胶囊表面光滑与混凝土的粘接强度较小，所以也出现没有被撕裂的现象。掺量较小的试块，破坏面上胶囊个数明显较少，也比较分散，破碎程度与掺量大的基本一致，破碎率都很高。
3。2 试验结果殛分析
根据正交设计方案对自密实混凝土的28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量进行试验，试验结果列在表3。极差分析结果和方差分析结果分别列在表4和表5。其中表5的ST为总变差；Sq为试验误差。同批浇筑的未掺玻璃胶囊的同配比自密实混凝土的力学性能为：28 d抗压强度46.9 MPa，劈拉强度3.62 MPa，弹性模量34.12 GPa。
根据表4中正交试验数据的极差结果可以看出，各因素对混凝土28 d抗压强度的影响大小依次为：胶囊长度和管径交互作用B×C>胶囊掺量A>胶囊管径C>掺量和管径的交互作用A×C>胶囊长度B>掺量和长度的交互作用A×B。由表5的方差分析结果知道，对于混凝土28 d抗压强度。胶囊长度和管径交互作用的影响最为显著，掺量有一定的影响，其它因素取值都在比较合理的范围之内，因此看不出有明显的差别。将影响明显较小的掺量和长度的交互作用A× B与空列D一起作为误差分析。
由表4可看出，对于混凝土28 d劈拉强度，各因素的影响大小关系依次为：胶囊长度B>胶囊管径C>胶囊掺量A>空列D>胶囊长度和管径交互作用B× C>掺量和管径的交互作用A ×C>掺量和长度的交互作用A × B。由表5的方差分析结果可看出，胶囊长度有显著的影响，其次是管径，掺量有一定的影响，交互作用影响很小，和空列一起做误差分析。
对混凝土28 d弹性模量，各因素的影响大小依次为：胶囊管径C>胶囊长度和管径交互作用B×C>胶囊掺量A>掺量和管径的交互作用A×C>空列D>掺量和长度的交互作用A×B>胶囊长度日。由表5的方差分析结果可看出，掺量和管径以及长度和管径的交互作用都有显著的影响，其中管径的影响最显著。将影响显著性被空列误差淹没的掺量和长度的交互作用A×B和胶囊长度B与空列D一起做误差分析。
根据表4极差分析和表5方差分析结果，按照指标重要性和因索影响显著性来考虑，即由于混凝土主要承受压力，所以必须首先满足抗压强度指标，同时考虑因素影响的显著性大小。对于混凝土抗压强度，由于胶囊长度和管径交互作用影响的显著性，超过了掺量对混凝土抗压强度的影响，所以在选择最佳掺量水平之前。要先根据胶囊长度和管径交互作用的试验数据找出胶囊长度和管径的最佳组合。这里根据试验数据计算得出胶囊长度和管径的最佳组合为B2C2，然后考虑掺量水平影响显著性大小。初步确定玻璃胶囊掺量和胶囊几何参数的最佳组合为正交设计18种组合中的第8种组合，即A3B2C2，掺量为2.5% ，长度取25 mm，管径取6 mm。此时混凝土28 d抗压强度达到46.66 MPa，劈拉强度为3.59MPa，弹性模量为33.85 GPa。与未掺玻璃胶囊的同配比自密实混凝土的力学性能相比，削弱很小，因此所选组合较合理。此外，本试验所选的掺量水平对混凝土强度影响不明显。
4 玻璃胶囊对混凝土力学性能的影响及其机理
玻璃是典型的脆性材料，没有屈服延伸阶段，不存在塑性变形，其抗压强度在500～2 000 MPa。抗拉强度在50～100 MPa。都远远高于混凝土的强度。当外界荷载较小时，混凝土未开裂。由于混凝土和玻璃之间存在着胶着力、握裹力以及摩擦力等粘结作用，使玻璃能在一定程度上和混凝土一起承受荷载，此时已有一定的拉应力作用在玻璃上。随着荷载的增加，混凝土开裂。开裂部分的混凝土脱离工作，其原先承担的拉应力转由玻璃承担，作用在玻璃上的拉应力急剧增加，导致玻璃表面产生大量不可视的微裂纹。随着荷载继续加大，细微裂纹产生应力集中，裂纹尖端处的应力远远超过平均应力。当达到临界应力时，引发裂缝继续扩展，最终导致玻璃破损，修复胶粘剂流出，填充裂缝，起到修复作用。同时，玻璃的尺寸和掺量如果在比较小的范围内，对混凝土的力学性能影响并不大。此外，玻璃的线膨胀系数α 大约为1.0 *10-5，而混凝土的线膨胀系数大约为1.0 * 10-5～ 1.5×10-5 ，它们的线膨胀系数很接近。当温度变化时，玻璃和混凝土不至于产生相对的温度变形而破坏它们之间的粘结。玻璃的化学稳定性可抵抗水、酸、碱以及其它化学试剂溶液或气体的侵入，能长期保存在混凝土中而不影响混凝土的性能。
从抗压强度来看，由于胶囊长度和管径交互作用的显著影响，超过了掺量对混凝土抗压强度的影响，因此抗压强度随着掺量的增大，出现了波浪式的变化，虽然总的趋势是减小的，但却不是严格的单调递减。主要是由于胶囊长度和管径交互作用并不是胶囊长度和管径分别作用的简单相加，当掺量一定时，长度变化不仅简单导致混凝土强度的变化，同时引起管径对?昆凝土强度的影响。反之亦然。玻璃胶囊掺量的影响并不是特别显著，所取的水平都是处在比较合理的范围，对混凝土强度削弱不多，强度降低的最大百分数为7.1% 。以前那种认为掺量一定，长度和管径对混凝土强度起互补作用，即可相互抵消影响，是没有考虑胶囊长度和管径交互作用的影响。从劈拉强度来看，胶囊长度是影响劈拉强度的最主要因素，其次是胶囊管径，胶囊掺量。而所有的交互作用都在误差（空列）之内，可见交互作用对劈拉强度影响不大，这一点与抗压强度不同。从各水平对应的劈拉强度平均值来看，掺入长度为25mm的胶囊对劈拉强度的削弱最小，削弱百分数为5%。最大削弱百分数为11.2% 。掺入管径为6 mm的胶囊对劈拉强度的削弱最小，削弱百分数为6.1%，最大削弱百分数为11.3%。对于弹性模量而言，胶囊管径的影响作用最大，然后依次是胶囊长度和管径交互作用，胶囊掺量以及掺量和管径的交互作用，其它在误差之内可忽略不计。从得出的平均值可以看出 弹性模量随着管径的增加而降低，即管径为4 llLrn对其削弱程度最小，削弱百分数为1%，最大削弱百分数为4.5%。
由方差分析结果得出的误差值，与直观分析的空列对应的误差值接近，因此分析结果是可信的。将数理统计方法运用于自修复混凝土中玻璃胶囊和自密实混凝土的力学性能匹配的研究，对自修复混凝土的研究及其应用都具有现实的指导意义。
5 结语
1）将自密实混凝土技术应用于自修复混凝土中，可以解决玻璃胶囊在施工振捣中上浮及易破碎的问题。
2）采用正交试验分析方法研究玻璃胶囊体积掺量、长度和管径对自修复混凝土力学性能的影响规律及其影响的显著性。研究结果表明，胶囊长度和管径的交互作用对混凝土抗压强度的影响最为显著，胶囊体积掺量的增加使抗压强度呈下降趋势，但并非最主要影响因素，所取水平影响并不显著，同时为了保证有足够的修复剂，选取胶囊掺量在2.0%~ 4.0%较合适。玻璃胶囊长度对混凝土劈拉强度的影响最为显著，掺入长度为25 mm的胶囊对混凝土劈拉强度的削弱最小。而玻璃胶囊管径对混凝土弹性模量的影响最为显著，管径为4 mm的胶囊对弹性模量的削弱程度最小。
3）按照极差分析和方差分析结果，综合考虑抗压强度、劈拉强度和弹性模量3指标，同时根据各因素交互作用的影响，得出玻璃胶囊与自密实混凝土力学性能相匹配的体积掺量及几何参数，即胶囊掺量为2.5% 、长度为25 mm和管径为6mm。
4）目前自修复混凝土还处于实验室研究阶段，与实际工程还有一定距离，但从长远看，自修复混凝土具有优越的智能性和安全性，有着广阔的发展前景。
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