第2 5 卷gg3期ioo4定9fl固体力学学报ACTA MECHANI CA S 0LI DA SI NI CA VO 1 . 2 5 NO. 3 S e p t e mb e r 2 0 0 4 内置 胶囊混凝土的裂 缝 自愈 合行为分析和试 验欧进萍匡亚川(哈尔滨 工业 大学 土木工 程学 院 ,哈尔滨 , 1 5 0 0 9 0) 摘要研究了一种 具 有裂缝 自愈合 行 为的 内置 胶囊混凝土.首先,建立了描 述修复胶 囊在混凝 土中的分 布 和取 向函数 ; 然后 , 根据 混凝 土 的破坏 机理 , 确定 了修复胶 囊 的破 坏应 力;第三 , 通过 实验分析 了修 复胶 囊的几何 参 数和体积率对混凝土性能的影响, 得到了几何参数和体积率的最佳取值范 围; 第四, 利用 A N S Y S对修复胶囊进行 了 有限元分析, 确定了其合理的壁厚 , 为修复胶囊材料的选择提供 了一种研究方法; 最后 , 进行 了内置胶囊混凝土试 验,取得 了一定 的 自愈合 效果 . 关键 词 自愈 合 混凝 土,修复胶囊 , 修 复胶粘 剂0引言 随着 人类社 会 的高度发 展,现代 建筑对 混凝 土 材料提 出了新 的挑 战,要求混凝 土材料 不仅要承重 , 还应具 有声 、 光、电、磁、热等功 能,以适 应多功能 和 智能建筑 的需 要.自90年代 中期 , 国 内外先 后开 展 了功能型 和智能 型水 泥基 材料的研 究,并取 得 了一 些 有价值 的成果 . 但是 如何 使混 凝 土及其 结构 能够自动适 应环境 , 在受到损伤后 自行 愈合 , 目前 只有 美国、日本等少数 国家处于实验室探索 阶段 , 尚未取 得具有实用意义 的研究成 果卫 ~ . 日本东北大学三桥 博三教授 , 测试 了经不 同修复剂在 开裂修 复后 , 混凝 土材料的强度 回复率 . 日本茨城 大学 沼尾 达 弥和福 尺公夫教授对不 同的纤 维掺量和不 同的水灰 比等性 能对混凝 土愈合后 产生的影 响作 了一 些研 究.美国伊利诺 伊斯 大学 D r y C a r o l y n教授 , 在空心 玻璃纤 维 内注入缩醛 高分子溶液 , 埋入 混凝土 中, 使混凝 土产 生 自愈合效 果.但是 从 自愈 合混凝土 的发展来看 , 尚 有许 多问题需 要解决 . 例如 , 修 复胶囊 的分布与取 向 的描述 ; 混凝 土材料 中的应力达到多大时 , 胶囊及时 破裂 ; 能发挥修 复作用的胶囊 的百分数 ; 修复胶囊 的 受力特性及合 理壁厚 等.本文根 据生 物骨 骼组 织损 伤愈合 的原理 , 将设计一 种具 有裂缝 自愈 合行 为的内置胶囊混凝 土材料 , 通过 实验和 A N S Y S研究 和分 析影响 内置胶囊混凝 土裂缝 自愈合行为 的一些重要 因素 , 为 自愈合 混凝土 的制备提 供依据 . 1 内置胶 囊裂缝 自愈合混凝土 的制备 国家 自然科 学基 金( 5 0 2 3 8 0 4 0 ) 重点项 目资 助.2002.12.13收到 第1稿,2003.03.31收到修 改稿 1 . 1 制备原 理 内置胶囊 裂缝 自愈合混凝 土是在 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 . 在外界环境作 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 硬结 , 从而实现 混凝 土裂缝 的自愈合 . 图 1和 图 2分 别为 内置胶囊 裂缝 自愈合 混凝 土及其 自愈合机 理示意图 . 图l内置胶囊 裂缝自愈合 混凝 土1.2修复胶囊 的选择 在 愈合过程 中, 修复胶 囊 的选 择对 混凝 土材料 的 自愈合效果非 常关键 . 主要表现在 以下几个方 面:(1)修复 胶囊 与 混凝 土基体 的性 能 匹配 . 首先 是力学性能的匹配,即混 凝土在设定的受力或裂缝状态下 , 修复胶囊应达到其破坏极 限破坏 , 以便使 内 含的修 复剂流出 、 修复裂缝 . 这需要一个复杂分析 和 合理设 计的过程 . 其次 , 修复胶囊应具有化学性质稳 定l生. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 欧进 萍等:内置 胶囊 混凝 土 的裂缝 自愈合行 为 分析 和试 验.321 . ( a )内含修 复剂 的胶 囊被 ( b )裂 缝的发 生使 胶囊 ( c )流 出的修 复剂修 复了裂缝 事先 埋减于混凝 土内破裂、修 复剂 流出 图2内置 胶囊 裂缝 自愈 合 混凝 土机理 示意图(2)修复胶囊 的几何参数 , 包括 胶囊 的直径 、 壁 厚和长度 . 若管径太 细、管壁太 厚,基体 完全 裂开 而 胶囊并未破裂 ; 管径 太粗 、 管壁太 薄,基体还 没有 裂开,胶囊 已经完全破 损,达不到 自愈 合的目的 . 管的粗细 、 壁厚 、 长度对混 凝土材料 的宏观性能也有 一定 的影响.(3)修复胶囊 的数量 也将影 响混凝 土材料 的裂 缝修复 , 太少不能形成完全 修复 , 多 了对混凝 土材料 的宏观性能有一定 的影响 . 2 修 复胶 囊的参数影响与最佳取值 2 . 1 修复胶囊分布 与取向 的主要影响 因素 从 力学 意义上来 讲分 布,修复胶囊对 混凝 土最 有效 的愈合状态 是密 集 于应力 大 的部位 . 玻 璃胶 囊 的抗拉强度约 为其抗 压强度 的1/12,因此 , 胶囊 的取 向最好 是垂直 构件的主压应力方 向.然而 , 修复胶囊 在混凝土 中的实 际分 布状 态不 可能 这 么理想 , 它受 搅拌方法 、 振捣方 式和 时间 、 构 件尺 寸、胶囊 尺 寸及 体积率 等多方 面因素 的影响 . . 在 初始拌 和 阶段 , 胶 囊在 混凝 土 中基 本处 于三 维均匀 随机分 布.在振捣 过程 中, 由于振捣 力和 自重 的作用 , 胶囊将不断趋 向模板 上部 移动和集 中,造成 胶囊在构件 中形 成上 密下 疏 的现象 . 另 一种 影 响胶 囊分布和取 向的重要 因素是模 板 的边壁 效应 , 即当构件 的某边尺寸 小 于胶囊 长度 时,由于受模 板边 壁 的限制 , 胶囊 只能沿某一 主要方 向取 向;对一般 的构 件,靠近边壁 的胶 囊总是趋于在边壁 的平 面取 向.2.2修复胶囊 分布 和取 向的描述 对 于经 充分拌 和 的大体积 混凝 土构件 , 重 力效 应和边壁效应 的影 响可 忽略不 计,胶囊 的取 向基 本 符合等概 率假设 . 胶囊 在空 间 内可能 取得 的位 置可 用图 3所示的球 形表示 , 球 的直径为胶囊长度 . 胶囊 落在与 z轴成 角、与Y轴 成 0角 位置 的概 率可用 图 3所示 的微元面积与半球 面积之 比表示 , 即一r2si2n7【Ord2Od~= 1 s i n O d O d ~ ( 1 ) 2 7 【 r 一27【¨图3胶囊在 混 凝土 中 的取 向模式 分布在 0 . ~0范 围内的胶囊数 占胶囊 总数 的百 分数为 s i n d = 一s(2)2.3修复胶囊 的破坏应 力 混凝 土结 构或构 件 中应 力达 到多大 时,修复胶 囊破裂愈合裂缝 , 是确定修复胶囊 的尺寸大小 、 壁厚 的重要依据 . 若结构 稍有 损伤 , 修 复胶 囊就 破裂 , 以 至于再次 出现较严 重的损 伤时无法进行修复 . 因此 , 确定修复胶囊 的破坏应 力,是达到 混凝 土 自愈合关 键之一.在正 常使 用荷载下 , 混凝 土能满足承载力要求 . 在地震 , 台风等动 力荷 载作 用下 , 混 凝土 开裂 , 胶囊 破裂 , 胶粘剂 流出, 使裂缝区的强 度得到及时的恢 复,为以后进行手工修 复赢得 足够的时间 . 根据混凝 土材料组织结构 的体 系水 平和 裂缝 发展程 度,可以定义混凝 土的破坏为三级 : 混凝 土的破坏 , 砂浆的破 维普资讯 http://www.cqvip.com · 3 2 2 · 固体力学学报 2 0 0 4年第25卷 坏和水泥 浆体 的解 体破 坏.第二级 破坏 的末端 对应的应力称为" 临界 应力 " , 它相 当于 7 0 % ~9 0 %的极 限强度 , 此时混凝土 中的裂缝 已经逐渐连接贯通 , 即 便荷载保持不 变,裂缝也会 自行 继续延伸和扩展 , 即 荷载保持不 变,也会导致破坏 . 为了实 现混凝土材料 的 自愈合 , 修复胶囊 应在混凝 土 中的应力达 到" 临界 应力 " 前破裂 . 因此 , 应 以混凝 土 中的应力达 到" 临界 应力 " 时,修复胶囊所受 的力作 为破 坏应力 . 2 . 4 修复胶囊 的几何参数和体积率 修复胶囊需要有一定 的长 度和 内径 以保证管 中 能容纳足够 的胶结剂 ; 还需要有一定 的长度 , 保证修 复胶囊与混凝土之 间有足够的粘结力 . 但胶囊太长 , 在混凝 土搅拌 , 振捣形成 的过 程 中破坏 的偶 然 因素 增加 ; 太粗 , 重力效 应明显 . 另外 , 为 了使修 复胶结 剂 在混凝土 中分 布均匀 , 胶囊也 不 宜太 长、太粗 . 管径的粗细 、 长度及体 积掺量 对混 凝 土材料 的宏 观性 能 也有一 定的影 响.图4、图5和图 6分 别为不 同长 度、不同管径 、 不 同体 积掺 量 的玻 璃 胶囊 对混 凝土抗 压强度的影响.固管长20ram 日 管长 2 5 r am 囵管长 3 0 mm 来掺 胶囊 日~ 慧J图4胶囊 长 度对 愈合 混凝 土抗 压强 度 的影 响 目管径 3 mm 囹管 径4mm 蜀管径 5 mm 母管径 5 5 mm 日管径 6 mm _未掺胶囊 图5胶囊 管径 对 愈合 混凝 土抗 压强 度 的影 响 长为 2 0 1 T I I Y I ~3 0 1 T I I Y I , 外径 为31TIIYI~6 l n l Y l , 掺量为1%、3%和 5 %的胶 囊对 混凝 土 抗压 强度的影 响 管径 5 mm 管径 5 5 mm 未掺胶囊 图6胶囊体 积掺 量对 愈合 混凝土抗 压强度 的影响 不大 . 综合考 虑其它各种 因素 , 胶 囊应 以长为 2 5 1 T I I Y I ~ 3 0 n 硼,外径 5 . 5 1 T I I Y I 左右 , 掺量为 3 %左右较 为合 适.3修复胶 囊的受力特征与分析修复胶囊在混凝 土 中的受 力复 杂,用ANSYS分 析其受力特 征,图7为玻璃胶囊示意 图.图7玻璃 胶囊 示 意图 3 . 1 基本假定 ( 1 )玻璃胶囊在混凝土 中的取 向符合等概 率假 设.(2)修复胶囊 的取 向最好 是垂 直构件 的主压 应 力方 向,在混凝土 中若 与构 件主 压应 力方 向成 目的 胶囊破裂 , 则认 为~9 0 . 之间 的所有修 复胶 囊都 能 破裂和发挥修复作用 . 3 . 2 单元类 型的设置 玻璃 胶囊 单 元选 用SOLID45单元 , 混凝土单 元 选用 的SOLID65单 元," 目标 " 面选 用TARGE170单 元,"接触" 面选 用CONTA1 7 3单元 . 3 . 3 模型网格划分 接触 问题是 一种高 度非线 性行 为,需要 较 大的 计算 资源 . 为 了更 为 有效 的计算 , 采用401TIIYI*4 0 洲n *2 5 m i Y l 的长 方体,内嵌 空 心玻 璃 胶囊 , 网格 划 分如图 8所示 . 3 . 4 模 型参数 的确定及求解 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 欧进 萍等 : 内置胶 囊混 凝土的裂缝 自愈 合行 为分 析 和试验 ·3 2 3 . 图8模型网格 划分在SOLIIM5 单元中,抗压强度为 1 G P a , 抗拉强度为 8 5 MP a , 弹性 模量为6.8X104MP a , 泊松比为 0 . 2 4 . 在SOLID65单元 中,抗拉强度为 1 . 8 MP a , 抗 压强度为 1 9 . 5 MP a , 裂缝 张开时 的剪应力 传递 系数 为0.5,裂缝 闭合时 的剪应 力传递 系数 . 8 为0.3.初始接触值 为1.0X10~mIn, 切 向接触 刚度 1 . 8 X 1 0 / r n m , 粘聚力为 5 X 1 0 6 MP a , 法线接触 刚度 由程 序调试得到 . 在长方体上表 面施加 均布压 力P( P为 混凝土 的" 临界应力" , 取80%的极 限强度标 准值 ) , 采用对称结构计算 . 3 . 5 分析结果 由基本假定 ( 2 ) 和公式 ( 2 ) 可知分 布在 0~9 0 . 范 围内 , 能 发挥修复 作用 的胶囊 数 占胶囊 掺量 总数 的 百分数 为cos0X100%.取胶囊 的最有 利取向, 即垂 直构 件的主压 应力方向,用ANS Y S进行有限元分析.图9是 管径为 6 m I n, 壁厚为 0 . 5 m I n , 长为 2 0 m m 的玻璃胶囊 的单 元 的应 力分布 图, 其第 1主应力 的 最大 值为 1 . 9 8 MP a , 远小于玻 璃 的极 限抗 拉 强度 , 第 3主应力最大 值为 一7 2 . 3 8 MP a , 远小于玻璃 的抗 压强度 . 胶囊在混凝土 中没有破坏 , 改变管径的大小 和管 壁的厚度重新进行计算 , 结果如表 1 所示 . 表1胶囊应 力值/ M P a ( a ) 第1主应 力S1(b)第3主应力 S 3 图9玻璃胶 囊 应力 分布 图 胶囊 在混凝 土 中受到混凝 土 的约束作 用,变形 较小 , 胶囊 中的应力 较小 , 很 难被 压坏 . 考 虑修 复胶 粘剂分布的均匀性 和胶 囊管 径对 混凝 土 的影 响,胶囊的管径不能太粗 , 所 以要 想增 大胶 囊在 ? 昆凝 土中的受力 , 必须减小管壁 的厚度 , 或研究其它更易 于破 坏 的胶囊材料 . 4 内置胶 囊裂缝 自愈合混凝土的抗压试验 以玻璃胶囊 为修 复胶囊 进 行实 验,胶囊 外径d为5. 5 m I n , 管径 t 为0. 5 m I n , 长f为25mIn, 体积掺 量为3%.将a一氰基丙烯 酸脂胶 粘剂注 入到胶囊 中加压封好 , 然后掺人到} 昆凝土 中,充分拌合后浇筑 成边长 为100rai n的立方体试件 , 在标准养护条件下 养护 至28d龄期 , 在材料试验机 上进 行抗压试 验.加力至承载力 , 即刻停止 . 经10天后 , 流出的修复胶粘 剂完 全固化 , 并达 到 了其 强度 , 敲开 混凝 土试 件,检查胶囊 的破 坏情况 , 如表 2所示 . 表2胶囊 的开 裂破 坏数 目( 个)采用传统 的玻璃胶囊作 为 自愈合 混凝 土的修复 维普资讯 http://www.cqvip.com · 3 2 4 · 固体力学学报 2 0 0 4年第25卷胶囊 , 有一定 的 自愈合效 果,但不太 理想 . 为了达 到 更好 的效 果,需进一 步研 究一 种使 大部 分修 复胶 囊 都能发挥作用 的浇 注成 型工艺 , 或研究 一种 强度 较低的智 能胶囊来 取代 玻璃 胶囊 , 胶囊的开 裂能根 据 混凝 土的损伤程度 自动 调整 . 5 结论通过 内置胶囊混凝 土的制 备和裂缝 自愈合行 为 的建模分析 和试验 , 得到 以下 主要结论 : ( 1 )通过 内置含有修复 胶结剂 的胶囊使 混凝 土 材料及其结构产生 自愈合功能是可行 的.(2)通过修复胶囊 在混 凝土 中的分布 和取 向函 数,可以估 计 出掺 入混凝 土 中能 发挥 作用 的修复 胶 囊数 . ( 3 )应 以混 凝土中的应力 达到" 临 界应 力"时,修复胶囊 所受 的力作 为破坏 应力 . ( 4 )考虑修复胶囊 的掺入 对混凝 土性 能 的影 响 以及修 复胶粘剂 的分 布均匀 性等 多种 因素 , 修 复胶 囊的各 参数可按以下 范 围取 值:长为25Inn3~3 0 I n n 3 , 外径 5 . 5 I n n 3 左右 , 掺量 为3%左右较 合适 . 内置胶囊 混凝 土作为一种新型 的功 能材料研 究 还不成熟 , 如果投入实 际工程 , 还有很 多问题需要 进一步解决 . 例如 , 修复 胶囊 在混凝 土 搅拌 、 振捣和成 型过程 中容易破裂 , 需研究一种 新 的混凝 土搅拌 和 成型工艺 ; 掺入在 混凝 土中的修 复胶 囊没 有完 全发 挥作用 , 需研 究一种 强度 较低 的智 能胶囊 来取 代玻 璃胶囊 , 胶囊的开裂 能根 据混 凝土 的损 伤程 度 自动 调整 ; 修复胶粘剂 的选择 ; 确定修复胶囊 的几何参数 时还 应进一 步考虑混凝土愈合效果 . 参考文献1吴人洁,冯春 祥,杜善义 等.复合 材料 .天津 : 天津 大学 出 版社 , 2 0 0 0 : 2 1 4~2 2 1 2 Dr y C a r o l y n. A d h e s i v e l i q u i d c o r e o p t i c a l f i b e r s f o r c r a c k d e t e c t i o n a n d r e p a i r s i n p o l y me r a n d c o n c r e t e n l a t r i c e s . P r o c e e d i n g s o f S P I E — T h e I n t e r n a t i o n a l S c , c : i e t y f or Op t i c a l En g i n e e r i n g ,1 9 9 5.2 4 4:4 1 0~41 3 3 D r y C a r o l y n.T h r e e— p a r t me t h y l me t h a c r y l a l e a d h e s i v e s y s t e m a s a n i n t e r na l d e l i v e r y s y s t e m f or s ma r t r e s p o n s i v e c o n c r e t e . S m a r t M a t e r i a l s a nd S t r uc t u r e s ,1 9 9 6 ,5 ( 3 ) : 2 9 7~3 0 0 4 匡亚 川I.具有 裂缝 自愈 合行 为的 两种} 昆凝 土 材料 及 其构 件,哈尔 滨工 业 大学硕 士学 位论 文,2002:1 8 ~2 1 5 西北轻工业学院主编.玻 璃工艺学.北 京:轻工业 出版社,1982:9 4~9 9 EXPER】 [ I ENTS AND ANALYS I S 0F C0NCRETE M _ ATERI AI 、 Ⅵ TH CRACK S ELF— REPAI I UNG PERFoRM ANCE US G E Ⅱ; EDDED CAPS ULES FⅡ LED 、 Ⅵ TH ADHESI VE Ou J i n p i n g Ku a n g Ya c h u a n ( S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g,H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g ~ ,H a r b i n,1 5 0 0 9 0 ) Ab s t r ac t A t y pe o f c o n c r e t e e mb e dd e d c a ps ul e s wi t h c r a c k s e l f - r e p a i r in g f u n c t i o n i s s y s t e ma t i c a l l y s t u di e d.F i r s t 0 f a l l , t he f u n c t i o n o f d i s t r ib ut i o n a n d d i r e c t i o n o f r e p a i r c a ps u l e s i n c o n c r e t e i s c o n s t i t ut e d. Th e n, t h e c o n t r o l l i n g f r a c t u r e s t r es s o f t h e r e pa i r c a p s u l e s i s de f in e d b a s e d o n me c h a n i s m o f b r e a ka g e o f c o n c r et e ma t e r ia ls. T h i r d l y, t h e i n f lu e n c e o f p a r a me t e r s ,s u c h a s t h e g e o me t r ic a l p a r a me t e r a n d v o l u me r a t i o o f r e pa i r c a p s u l e s ,o n c o nc r e t e p e r f o r ma n c e, i s a n a ly z e d b a s e d o n e x p e r ime n t s a n d a r a t i o n a l r a n g e o f p a r a me t e r s i s s ug g e s t e d.F o u r t h l y,t h e r e p a i r c a p s u l e i s a n a l y z e d u s i n g Fi ni t e El e me n t Me t h o d wi t h ANS YS a n d t h e a p p r op r ia t e t h i c k n e s s o f t h e r e p a i r c a p s u l e wa ll i s d e t e r n f in e d,wh i c h pr ov i d e a n e w t y pe o f r es e a r c h me t h o d o f s e l e c t i n g t h e ma t e r ia l o f r e p a i r c a ps ul e. F i n a ll y, e x p e r ime n t s o f c on c r e t e e mb e d d e d c a p s u l e a r e d o n e,wh i c h s h o w t h a t t h e c o n c r e t e ma t e r ia l i t s e l f h a s s e l f— r e p a i r in g f u n c t i o n. K e y wo r d s s e l f - r ep a i r c o n c r e t e,c a p s u l e s f i l l e d wi t h a d h e s i v e ;r ep a i r a d h e s i v e 维普资讯 http://www.cqvip.com
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第2 5 卷gg3期ioo4定9fl固体力学学报ACTA MECHANI CA S 0LI DA SI NI CA VO 1 . 2 5 NO. 3 S e p t e mb e r 2 0 0 4 内置 胶囊混凝土的裂 缝 自愈 合行为分析和试 验欧进萍匡亚川(哈尔滨 工业 大学 土木工 程学 院 ,哈尔滨 , 1 5 0 0 9 0) 摘要研究了一种 具 有裂缝 自愈合 行 为的 内置 胶囊混凝土.首先,建立了描 述修复胶 囊在混凝 土中的分 布 和取 向函数 ; 然后 , 根据 混凝 土 的破坏 机理 , 确定 了修复胶 囊 的破 坏应 力;第三 , 通过 实验分析 了修 复胶 囊的几何 参 数和体积率对混凝土性能的影响, 得到了几何参数和体积率的最佳取值范 围; 第四, 利用 A N S Y S对修复胶囊进行 了 有限元分析, 确定了其合理的壁厚 , 为修复胶囊材料的选择提供 了一种研究方法; 最后 , 进行 了内置胶囊混凝土试 验,取得 了一定 的 自愈合 效果 . 关键 词 自愈 合 混凝 土,修复胶囊 , 修 复胶粘 剂0引言 随着 人类社 会 的高度发 展,现代 建筑对 混凝 土 材料提 出了新 的挑 战,要求混凝 土材料 不仅要承重 , 还应具 有声 、 光、电、磁、热等功 能,以适 应多功能 和 智能建筑 的需 要.自90年代 中期 , 国 内外先 后开 展 了功能型 和智能 型水 泥基 材料的研 究,并取 得 了一 些 有价值 的成果 . 但是 如何 使混 凝 土及其 结构 能够自动适 应环境 , 在受到损伤后 自行 愈合 , 目前 只有 美国、日本等少数 国家处于实验室探索 阶段 , 尚未取 得具有实用意义 的研究成 果卫 ~ . 日本东北大学三桥 博三教授 , 测试 了经不 同修复剂在 开裂修 复后 , 混凝 土材料的强度 回复率 . 日本茨城 大学 沼尾 达 弥和福 尺公夫教授对不 同的纤 维掺量和不 同的水灰 比等性 能对混凝 土愈合后 产生的影 响作 了一 些研 究.美国伊利诺 伊斯 大学 D r y C a r o l y n教授 , 在空心 玻璃纤 维 内注入缩醛 高分子溶液 , 埋入 混凝土 中, 使混凝 土产 生 自愈合效 果.但是 从 自愈 合混凝土 的发展来看 , 尚 有许 多问题需 要解决 . 例如 , 修 复胶囊 的分布与取 向 的描述 ; 混凝 土材料 中的应力达到多大时 , 胶囊及时 破裂 ; 能发挥修 复作用的胶囊 的百分数 ; 修复胶囊 的 受力特性及合 理壁厚 等.本文根 据生 物骨 骼组 织损 伤愈合 的原理 , 将设计一 种具 有裂缝 自愈 合行 为的内置胶囊混凝 土材料 , 通过 实验和 A N S Y S研究 和分 析影响 内置胶囊混凝 土裂缝 自愈合行为 的一些重要 因素 , 为 自愈合 混凝土 的制备提 供依据 . 1 内置胶 囊裂缝 自愈合混凝土 的制备 国家 自然科 学基 金( 5 0 2 3 8 0 4 0 ) 重点项 目资 助.2002.12.13收到 第1稿,2003.03.31收到修 改稿 1 . 1 制备原 理 内置胶囊 裂缝 自愈合混凝 土是在 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 . 在外界环境作 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 硬结 , 从而实现 混凝 土裂缝 的自愈合 . 图 1和 图 2分 别为 内置胶囊 裂缝 自愈合 混凝 土及其 自愈合机 理示意图 . 图l内置胶囊 裂缝自愈合 混凝 土1.2修复胶囊 的选择 在 愈合过程 中, 修复胶 囊 的选 择对 混凝 土材料 的 自愈合效果非 常关键 . 主要表现在 以下几个方 面:(1)修复 胶囊 与 混凝 土基体 的性 能 匹配 . 首先 是力学性能的匹配,即混 凝土在设定的受力或裂缝状态下 , 修复胶囊应达到其破坏极 限破坏 , 以便使 内 含的修 复剂流出 、 修复裂缝 . 这需要一个复杂分析 和 合理设 计的过程 . 其次 , 修复胶囊应具有化学性质稳 定l生. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 欧进 萍等:内置 胶囊 混凝 土 的裂缝 自愈合行 为 分析 和试 验.321 . ( a )内含修 复剂 的胶 囊被 ( b )裂 缝的发 生使 胶囊 ( c )流 出的修 复剂修 复了裂缝 事先 埋减于混凝 土内破裂、修 复剂 流出 图2内置 胶囊 裂缝 自愈 合 混凝 土机理 示意图(2)修复胶囊 的几何参数 , 包括 胶囊 的直径 、 壁 厚和长度 . 若管径太 细、管壁太 厚,基体 完全 裂开 而 胶囊并未破裂 ; 管径 太粗 、 管壁太 薄,基体还 没有 裂开,胶囊 已经完全破 损,达不到 自愈 合的目的 . 管的粗细 、 壁厚 、 长度对混 凝土材料 的宏观性能也有 一定 的影响.(3)修复胶囊 的数量 也将影 响混凝 土材料 的裂 缝修复 , 太少不能形成完全 修复 , 多 了对混凝 土材料 的宏观性能有一定 的影响 . 2 修 复胶 囊的参数影响与最佳取值 2 . 1 修复胶囊分布 与取向 的主要影响 因素 从 力学 意义上来 讲分 布,修复胶囊对 混凝 土最 有效 的愈合状态 是密 集 于应力 大 的部位 . 玻 璃胶 囊 的抗拉强度约 为其抗 压强度 的1/12,因此 , 胶囊 的取 向最好 是垂直 构件的主压应力方 向.然而 , 修复胶囊 在混凝土 中的实 际分 布状 态不 可能 这 么理想 , 它受 搅拌方法 、 振捣方 式和 时间 、 构 件尺 寸、胶囊 尺 寸及 体积率 等多方 面因素 的影响 . . 在 初始拌 和 阶段 , 胶 囊在 混凝 土 中基 本处 于三 维均匀 随机分 布.在振捣 过程 中, 由于振捣 力和 自重 的作用 , 胶囊将不断趋 向模板 上部 移动和集 中,造成 胶囊在构件 中形 成上 密下 疏 的现象 . 另 一种 影 响胶 囊分布和取 向的重要 因素是模 板 的边壁 效应 , 即当构件 的某边尺寸 小 于胶囊 长度 时,由于受模 板边 壁 的限制 , 胶囊 只能沿某一 主要方 向取 向;对一般 的构 件,靠近边壁 的胶 囊总是趋于在边壁 的平 面取 向.2.2修复胶囊 分布 和取 向的描述 对 于经 充分拌 和 的大体积 混凝 土构件 , 重 力效 应和边壁效应 的影 响可 忽略不 计,胶囊 的取 向基 本 符合等概 率假设 . 胶囊 在空 间 内可能 取得 的位 置可 用图 3所示的球 形表示 , 球 的直径为胶囊长度 . 胶囊 落在与 z轴成 角、与Y轴 成 0角 位置 的概 率可用 图 3所示 的微元面积与半球 面积之 比表示 , 即一r2si2n7【Ord2Od~= 1 s i n O d O d ~ ( 1 ) 2 7 【 r 一27【¨图3胶囊在 混 凝土 中 的取 向模式 分布在 0 . ~0范 围内的胶囊数 占胶囊 总数 的百 分数为 s i n d = 一s(2)2.3修复胶囊 的破坏应 力 混凝 土结 构或构 件 中应 力达 到多大 时,修复胶 囊破裂愈合裂缝 , 是确定修复胶囊 的尺寸大小 、 壁厚 的重要依据 . 若结构 稍有 损伤 , 修 复胶 囊就 破裂 , 以 至于再次 出现较严 重的损 伤时无法进行修复 . 因此 , 确定修复胶囊 的破坏应 力,是达到 混凝 土 自愈合关 键之一.在正 常使 用荷载下 , 混凝 土能满足承载力要求 . 在地震 , 台风等动 力荷 载作 用下 , 混 凝土 开裂 , 胶囊 破裂 , 胶粘剂 流出, 使裂缝区的强 度得到及时的恢 复,为以后进行手工修 复赢得 足够的时间 . 根据混凝 土材料组织结构 的体 系水 平和 裂缝 发展程 度,可以定义混凝 土的破坏为三级 : 混凝 土的破坏 , 砂浆的破 维普资讯 http://www.cqvip.com · 3 2 2 · 固体力学学报 2 0 0 4年第25卷 坏和水泥 浆体 的解 体破 坏.第二级 破坏 的末端 对应的应力称为" 临界 应力 " , 它相 当于 7 0 % ~9 0 %的极 限强度 , 此时混凝土 中的裂缝 已经逐渐连接贯通 , 即 便荷载保持不 变,裂缝也会 自行 继续延伸和扩展 , 即 荷载保持不 变,也会导致破坏 . 为了实 现混凝土材料 的 自愈合 , 修复胶囊 应在混凝 土 中的应力达 到" 临界 应力 " 前破裂 . 因此 , 应 以混凝 土 中的应力达 到" 临界 应力 " 时,修复胶囊所受 的力作 为破 坏应力 . 2 . 4 修复胶囊 的几何参数和体积率 修复胶囊需要有一定 的长 度和 内径 以保证管 中 能容纳足够 的胶结剂 ; 还需要有一定 的长度 , 保证修 复胶囊与混凝土之 间有足够的粘结力 . 但胶囊太长 , 在混凝 土搅拌 , 振捣形成 的过 程 中破坏 的偶 然 因素 增加 ; 太粗 , 重力效 应明显 . 另外 , 为 了使修 复胶结 剂 在混凝土 中分 布均匀 , 胶囊也 不 宜太 长、太粗 . 管径的粗细 、 长度及体 积掺量 对混 凝 土材料 的宏 观性 能 也有一 定的影 响.图4、图5和图 6分 别为不 同长 度、不同管径 、 不 同体 积掺 量 的玻 璃 胶囊 对混 凝土抗 压强度的影响.固管长20ram 日 管长 2 5 r am 囵管长 3 0 mm 来掺 胶囊 日~ 慧J图4胶囊 长 度对 愈合 混凝 土抗 压强 度 的影 响 目管径 3 mm 囹管 径4mm 蜀管径 5 mm 母管径 5 5 mm 日管径 6 mm _未掺胶囊 图5胶囊 管径 对 愈合 混凝 土抗 压强 度 的影 响 长为 2 0 1 T I I Y I ~3 0 1 T I I Y I , 外径 为31TIIYI~6 l n l Y l , 掺量为1%、3%和 5 %的胶 囊对 混凝 土 抗压 强度的影 响 管径 5 mm 管径 5 5 mm 未掺胶囊 图6胶囊体 积掺 量对 愈合 混凝土抗 压强度 的影响 不大 . 综合考 虑其它各种 因素 , 胶 囊应 以长为 2 5 1 T I I Y I ~ 3 0 n 硼,外径 5 . 5 1 T I I Y I 左右 , 掺量为 3 %左右较 为合 适.3修复胶 囊的受力特征与分析修复胶囊在混凝 土 中的受 力复 杂,用ANSYS分 析其受力特 征,图7为玻璃胶囊示意 图.图7玻璃 胶囊 示 意图 3 . 1 基本假定 ( 1 )玻璃胶囊在混凝土 中的取 向符合等概 率假 设.(2)修复胶囊 的取 向最好 是垂 直构件 的主压 应 力方 向,在混凝土 中若 与构 件主 压应 力方 向成 目的 胶囊破裂 , 则认 为~9 0 . 之间 的所有修 复胶 囊都 能 破裂和发挥修复作用 . 3 . 2 单元类 型的设置 玻璃 胶囊 单 元选 用SOLID45单元 , 混凝土单 元 选用 的SOLID65单 元," 目标 " 面选 用TARGE170单 元,"接触" 面选 用CONTA1 7 3单元 . 3 . 3 模型网格划分 接触 问题是 一种高 度非线 性行 为,需要 较 大的 计算 资源 . 为 了更 为 有效 的计算 , 采用401TIIYI*4 0 洲n *2 5 m i Y l 的长 方体,内嵌 空 心玻 璃 胶囊 , 网格 划 分如图 8所示 . 3 . 4 模 型参数 的确定及求解 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 欧进 萍等 : 内置胶 囊混 凝土的裂缝 自愈 合行 为分 析 和试验 ·3 2 3 . 图8模型网格 划分在SOLIIM5 单元中,抗压强度为 1 G P a , 抗拉强度为 8 5 MP a , 弹性 模量为6.8X104MP a , 泊松比为 0 . 2 4 . 在SOLID65单元 中,抗拉强度为 1 . 8 MP a , 抗 压强度为 1 9 . 5 MP a , 裂缝 张开时 的剪应力 传递 系数 为0.5,裂缝 闭合时 的剪应 力传递 系数 . 8 为0.3.初始接触值 为1.0X10~mIn, 切 向接触 刚度 1 . 8 X 1 0 / r n m , 粘聚力为 5 X 1 0 6 MP a , 法线接触 刚度 由程 序调试得到 . 在长方体上表 面施加 均布压 力P( P为 混凝土 的" 临界应力" , 取80%的极 限强度标 准值 ) , 采用对称结构计算 . 3 . 5 分析结果 由基本假定 ( 2 ) 和公式 ( 2 ) 可知分 布在 0~9 0 . 范 围内 , 能 发挥修复 作用 的胶囊 数 占胶囊 掺量 总数 的 百分数 为cos0X100%.取胶囊 的最有 利取向, 即垂 直构 件的主压 应力方向,用ANS Y S进行有限元分析.图9是 管径为 6 m I n, 壁厚为 0 . 5 m I n , 长为 2 0 m m 的玻璃胶囊 的单 元 的应 力分布 图, 其第 1主应力 的 最大 值为 1 . 9 8 MP a , 远小于玻 璃 的极 限抗 拉 强度 , 第 3主应力最大 值为 一7 2 . 3 8 MP a , 远小于玻璃 的抗 压强度 . 胶囊在混凝土 中没有破坏 , 改变管径的大小 和管 壁的厚度重新进行计算 , 结果如表 1 所示 . 表1胶囊应 力值/ M P a ( a ) 第1主应 力S1(b)第3主应力 S 3 图9玻璃胶 囊 应力 分布 图 胶囊 在混凝 土 中受到混凝 土 的约束作 用,变形 较小 , 胶囊 中的应力 较小 , 很 难被 压坏 . 考 虑修 复胶 粘剂分布的均匀性 和胶 囊管 径对 混凝 土 的影 响,胶囊的管径不能太粗 , 所 以要 想增 大胶 囊在 ? 昆凝 土中的受力 , 必须减小管壁 的厚度 , 或研究其它更易 于破 坏 的胶囊材料 . 4 内置胶 囊裂缝 自愈合混凝土的抗压试验 以玻璃胶囊 为修 复胶囊 进 行实 验,胶囊 外径d为5. 5 m I n , 管径 t 为0. 5 m I n , 长f为25mIn, 体积掺 量为3%.将a一氰基丙烯 酸脂胶 粘剂注 入到胶囊 中加压封好 , 然后掺人到} 昆凝土 中,充分拌合后浇筑 成边长 为100rai n的立方体试件 , 在标准养护条件下 养护 至28d龄期 , 在材料试验机 上进 行抗压试 验.加力至承载力 , 即刻停止 . 经10天后 , 流出的修复胶粘 剂完 全固化 , 并达 到 了其 强度 , 敲开 混凝 土试 件,检查胶囊 的破 坏情况 , 如表 2所示 . 表2胶囊 的开 裂破 坏数 目( 个)采用传统 的玻璃胶囊作 为 自愈合 混凝 土的修复 维普资讯 http://www.cqvip.com · 3 2 4 · 固体力学学报 2 0 0 4年第25卷胶囊 , 有一定 的 自愈合效 果,但不太 理想 . 为了达 到 更好 的效 果,需进一 步研 究一 种使 大部 分修 复胶 囊 都能发挥作用 的浇 注成 型工艺 , 或研究 一种 强度 较低的智 能胶囊来 取代 玻璃 胶囊 , 胶囊的开 裂能根 据 混凝 土的损伤程度 自动 调整 . 5 结论通过 内置胶囊混凝 土的制 备和裂缝 自愈合行 为 的建模分析 和试验 , 得到 以下 主要结论 : ( 1 )通过 内置含有修复 胶结剂 的胶囊使 混凝 土 材料及其结构产生 自愈合功能是可行 的.(2)通过修复胶囊 在混 凝土 中的分布 和取 向函 数,可以估 计 出掺 入混凝 土 中能 发挥 作用 的修复 胶 囊数 . ( 3 )应 以混 凝土中的应力 达到" 临 界应 力"时,修复胶囊 所受 的力作 为破坏 应力 . ( 4 )考虑修复胶囊 的掺入 对混凝 土性 能 的影 响 以及修 复胶粘剂 的分 布均匀 性等 多种 因素 , 修 复胶 囊的各 参数可按以下 范 围取 值:长为25Inn3~3 0 I n n 3 , 外径 5 . 5 I n n 3 左右 , 掺量 为3%左右较 合适 . 内置胶囊 混凝 土作为一种新型 的功 能材料研 究 还不成熟 , 如果投入实 际工程 , 还有很 多问题需要 进一步解决 . 例如 , 修复 胶囊 在混凝 土 搅拌 、 振捣和成 型过程 中容易破裂 , 需研究一种 新 的混凝 土搅拌 和 成型工艺 ; 掺入在 混凝 土中的修 复胶 囊没 有完 全发 挥作用 , 需研 究一种 强度 较低 的智 能胶囊 来取 代玻 璃胶囊 , 胶囊的开裂 能根 据混 凝土 的损 伤程 度 自动 调整 ; 修复胶粘剂 的选择 ; 确定修复胶囊 的几何参数 时还 应进一 步考虑混凝土愈合效果 . 参考文献1吴人洁,冯春 祥,杜善义 等.复合 材料 .天津 : 天津 大学 出 版社 , 2 0 0 0 : 2 1 4~2 2 1 2 Dr y C a r o l y n. A d h e s i v e l i q u i d c o r e o p t i c a l f i b e r s f o r c r a c k d e t e c t i o n a n d r e p a i r s i n p o l y me r a n d c o n c r e t e n l a t r i c e s . P r o c e e d i n g s o f S P I E — T h e I n t e r n a t i o n a l S c , c : i e t y f or Op t i c a l En g i n e e r i n g ,1 9 9 5.2 4 4:4 1 0~41 3 3 D r y C a r o l y n.T h r e e— p a r t me t h y l me t h a c r y l a l e a d h e s i v e s y s t e m a s a n i n t e r na l d e l i v e r y s y s t e m f or s ma r t r e s p o n s i v e c o n c r e t e . S m a r t M a t e r i a l s a nd S t r uc t u r e s ,1 9 9 6 ,5 ( 3 ) : 2 9 7~3 0 0 4 匡亚 川I.具有 裂缝 自愈 合行 为的 两种} 昆凝 土 材料 及 其构 件,哈尔 滨工 业 大学硕 士学 位论 文,2002:1 8 ~2 1 5 西北轻工业学院主编.玻 璃工艺学.北 京:轻工业 出版社,1982:9 4~9 9 EXPER】 [ I ENTS AND ANALYS I S 0F C0NCRETE M _ ATERI AI 、 Ⅵ TH CRACK S ELF— REPAI I UNG PERFoRM ANCE US G E Ⅱ; EDDED CAPS ULES FⅡ LED 、 Ⅵ TH ADHESI VE Ou J i n p i n g Ku a n g Ya c h u a n ( S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g,H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g ~ ,H a r b i n,1 5 0 0 9 0 ) Ab s t r ac t A t y pe o f c o n c r e t e e mb e dd e d c a ps ul e s wi t h c r a c k s e l f - r e p a i r in g f u n c t i o n i s s y s t e ma t i c a l l y s t u di e d.F i r s t 0 f a l l , t he f u n c t i o n o f d i s t r ib ut i o n a n d d i r e c t i o n o f r e p a i r c a ps u l e s i n c o n c r e t e i s c o n s t i t ut e d. Th e n, t h e c o n t r o l l i n g f r a c t u r e s t r es s o f t h e r e pa i r c a p s u l e s i s de f in e d b a s e d o n me c h a n i s m o f b r e a ka g e o f c o n c r et e ma t e r ia ls. T h i r d l y, t h e i n f lu e n c e o f p a r a me t e r s ,s u c h a s t h e g e o me t r ic a l p a r a me t e r a n d v o l u me r a t i o o f r e pa i r c a p s u l e s ,o n c o nc r e t e p e r f o r ma n c e, i s a n a ly z e d b a s e d o n e x p e r ime n t s a n d a r a t i o n a l r a n g e o f p a r a me t e r s i s s ug g e s t e d.F o u r t h l y,t h e r e p a i r c a p s u l e i s a n a l y z e d u s i n g Fi ni t e El e me n t Me t h o d wi t h ANS YS a n d t h e a p p r op r ia t e t h i c k n e s s o f t h e r e p a i r c a p s u l e wa ll i s d e t e r n f in e d,wh i c h pr ov i d e a n e w t y pe o f r es e a r c h me t h o d o f s e l e c t i n g t h e ma t e r ia l o f r e p a i r c a ps ul e. F i n a ll y, e x p e r ime n t s o f c on c r e t e e mb e d d e d c a p s u l e a r e d o n e,wh i c h s h o w t h a t t h e c o n c r e t e ma t e r ia l i t s e l f h a s s e l f— r e p a i r in g f u n c t i o n. K e y wo r d s s e l f - r ep a i r c o n c r e t e,c a p s u l e s f i l l e d wi t h a d h e s i v e ;r ep a i r a d h e s i v e 维普资讯 http://www.cqvip.com