CN109811879B - 用于自修复混凝土的双层管状修复液承载系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于自修复混凝土的双层管状修复液承载系统，它是包括内、外两层的中空管；其中所述的内层为多孔层，材质为具有变形能力的金属且表面均匀分布有通孔；所述的外层为致密层，材质为水溶性聚合物且厚度在1‑4mm；所述的内层用于装载混凝土修复液；所述的通孔用于向外输送修复液；所述的外层用于在混凝土浇筑时隔绝修复液与混凝土，并在混凝土固化过程中随着水分散失而分解殆尽。本发明的还提供基于所述修复液承载系统的自修复式钢筋混凝土预制件。本发明的修复液承载系统能够解决现有自修复混凝土修复液承载容器振捣时易破裂等问题，并且实现自修复混凝土的多次自修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型钢筋混凝土结构用双层管自修复体系，可实现对混凝土的多次自修复，属于建筑结构领域。
背景技术
为了弥补混凝土抗拉强度低的缺点，通常在结构中布置加固钢筋，由于混凝土中的碱性环境，使得钢筋表面形成一道保护膜，保护钢筋免于锈蚀。然而混凝土在受拉时易发生开裂，混凝土开裂后使得有害物质例如氯离子、氧气以及二氧化碳等进入混凝土内部，当这些物质逐渐渗入接触钢筋后，钢筋保护层被破坏致使钢筋发生锈蚀膨胀，引起周围混凝土的继续开裂和剥落，危及混凝土结构的安全性和耐久性。
混凝土的劣化时常发生并且难以预测和监控，对混凝土损伤的检测耗费大量人力。通常混凝土发生的内部损伤是不可见的，并且混凝土结构的劣化特别是在侵蚀环境下是一个自我加速的过程并且速度很快，例如在高浓度氯化物和硫酸盐环境下，混凝土结构的耐久性大幅度降低，这种劣化通常不易被发现，直到结构出现严重开裂和腐蚀，随后才会对其开展修复。然而，混凝土的维修质量并不令人满意，近乎半数的混凝土维修以失败告终，需要进行再次维修和加固。
在过去的二十年中，自修复混凝土技术被认为是解决混凝土修复问题较为有效的方法。采用自修复混凝土可以提高混凝土结构的安全性和耐久性，该项技术在延长混凝土结构的使用寿命、减少维护频率和成本方面具有重要意义。自修复混凝土不仅减少了建筑材料生产和运输所产生的能源消耗，减少了建筑垃圾的产生，同时还有助于解决社会问题，例如因基础设施的维护和重建而造成的交通变化与堵塞。因此自修复混凝土是实现优异耐久性、可持续和低生命周期成本混凝土基础设施的一项很有前景的技术。
混凝土具有裂缝自我修复的能力。1937年在破裂的水管内首次直接观察到混凝土自我修复的现象。随后的研究同样证实了混凝土内在的自我修复特性。这种内在的自我修复是由于未水化的水泥颗粒以及氢氧化钙与二氧化碳的反应所导致的碳酸钙沉淀。Qian和Zhou研究了不同环境下混凝土的内在自我修复性能，揭示了混凝土内在的自愈性局限于环境条件，需要水和二氧化碳的存在。一般来说，混凝土内在自我修复的效率很低，可以治愈的最大裂缝宽度限制在零点几毫米以内。
为了实现混凝土有效的自修复，许多研究人员将不同的化学液体和细菌溶液引入自我修复的混凝土系统作为修复液。修复液储存在管状载体或封装在胶囊中，管状载体嵌入混凝土，胶囊则随混凝土一起拌合。当混凝土开裂时，承载修复液的管道/胶囊破裂，使修复剂进入裂缝从而修复裂缝。尽管许多研究已经证明，这些自我修复的混凝土系统在某些实验室条件下是有效的，但管道和胶囊具有局限性，有时在工程实践中是不适用的。承载修复液的管道的胶囊是由易碎的材料制成的，如玻璃、陶瓷等，以确保它们在混凝土开裂后能够及时破裂，因此在拌合和浇筑混凝土时管道和胶囊易提前发生破裂，失去自修复功能。由于容量的限制，以胶囊为修复液承载容器的自修复混凝土系统可能无法修复较大的裂缝，而以管状载体为修复液容器的自修复混凝土系统中自修复过程是不可重复的，因为其一旦破裂，内部修复液便完全流失。随着修复液容器体积掺量的增加，还会对基体强度造成一定的削弱，降低结构承载力。因此自修复混凝土技术很少在工程实践中应用。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土结构用双层管自修复体系，以解决现有自修复混凝土修复液承载容器振捣时易破裂等问题，并且实现自修复混凝土的多次自修复。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
提供一种用于自修复混凝土的双层管状修复液承载系统，它是包括内、外两层的中空管；其中所述的内层为多孔层，材质为具有变形能力的金属且表面均匀分布有通孔；所述的外层为致密层，材质为水溶性聚合物且厚度在1-4mm；所述的内层用于装载混凝土修复液；所述的通孔用于向外输送修复液；所述的外层用于在混凝土浇筑时隔绝修复液与混凝土，并在混凝土固化过程中随着水分散失而分解殆尽。
本发明优选的方案中，所述的具有较强变形能力的金属可以选自钢、不锈钢、镀锌钢或者铝合金；最优选钢。
本发明优选的方案中，所述的水溶性聚合物可以选自聚乙烯醇、聚丙烯酸、脲醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂。
所述的聚乙烯醇进一步优选分子量在150000-200000的聚乙烯醇。
所述的聚丙烯酸进一步优选分子量在3000-4000的聚丙烯酸。
所述的脲醛树脂进一步优选分子量为10000的脲醛树脂。
所述的三聚氰胺甲醛树脂进一步优选分子量在200-500的三聚氰胺甲醛树脂。
本发明最优选的方案中，所述的外层为分子量在180000-200000、醇解度为88％-99％、厚度为1.5-3mm的聚乙烯醇薄膜；该薄膜一方面能够在混凝土浇筑时抵挡混凝土侵入所述内管，另一方面能够在现有常规混凝土材料固化的周期内分解殆尽。
本发明的方案中，所述的通孔具体形式不限，既可以是间隔地分布在所述内层上的圆形通孔、方形通孔、扁长方形通孔或者任意不规则形状的通孔，也可以是围绕所述中空管轴向螺旋延伸的螺旋形通孔；所述的通孔在所述内层上分布的范围通常小于或等于所述中空管与混凝土的接触面积，优选的分布范围与所述的接触面积相匹配。
本发明优选的方案中，所述的外层通过在内层外表面喷洒或涂覆所述的水溶性聚合物溶液形成液膜的方式获得。
本发明优选的方案中，所述的外层外表面设有螺纹，以增强与应用基材的粘结能力。
在此基础上，本发明进一步提供一种具有自修复功能的钢筋混凝土预制件，它由混凝土包裹钢筋和本发明所述的修复液承载系统构成。
本发明优选的钢筋混凝土预制件中，所述的钢筋分布在所述预制件的最内层，所述的修复液承载系统分布于所述钢筋与预制件表面之间。
本发明优选的钢筋混凝土预制件中，所述的修复液承载系统两端突出于所述预制件外，并进一步设置修复液灌注口，用于随时接收来自外部的修复液。
本发明的方案中，所述的修复液在自修复过程中起到填充裂缝、恢复粘结的作用，因此修复液应具有以下特征：强度大、凝结快、固化条件简单、流动性好、价格低廉并应具有较长的寿命。为此，本发明优选的方案选取有机树脂作为修复液；进一步优选氰基丙烯酸酯修复液、或者乙酸乙酯与聚氨酯混配的修复液；最优选氰基丙烯酸酯修复液，其具有粘度中等、强度大和室温固化等特点；聚氨酯(PU)同样具有上述特点，但其粘度略大，因此可以通过乙酸乙酯对其进行稀释，其质量比优选为聚氨酯:乙酸乙酯＝5:1。
本发明所述的双层管状修复液承载系统中，为了能够同时满足所述外层在混凝土浇筑时隔绝修复液和混凝土、在混凝土固化的周期内变薄足以随混凝土裂缝的产生而破裂的需求，本发明人对所述外层的厚度与成分进行了大量的试验和研究。最终获得的理想方案中，所述的外层材质除了属于水溶性高分子外，其应当具有86％-90％的醇解度和1-4mm的厚度；其成分应当是聚乙烯醇、聚丙烯酸、甲醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂中的任意一种。更加理想的方案中，所述的外层是1.5-3mm厚度的、分子量为180000-200000的PVA薄膜。经实验验证，该外层膜能够有效地满足上述需求，不但可在混凝土振捣成型过程中抵抗施加在管体上的力，保持薄膜完整，有效隔绝修复液与混凝土，而且在混凝土固化过程中可以遇水溶解变薄或分解殆尽，由此保证混凝土构件裂缝出现后外层薄膜能够随之破裂，使得修复液从内层进入裂缝，实现自修复。
本发明所述的双层管状修复液承载系统在混凝土试件中通长布置，外部连接一修复液储存容器，修复液可以随时添加，以达到多次修复的目的。
本自修复混凝土系统发明易于布置于混凝土结构，其布置方式与钢筋的布置方法类似。混凝土浇筑完成后，将修复液通过外部储存容器注入双层管结构使其完全填充，在构件开裂前该系统保持不活动状态。一旦混凝土开裂，溶解殆尽的外层PVA薄膜将会随裂缝的产生而被破坏，修复液流出填充裂缝，待其固化后可以提供一定的强度并且使得裂缝封闭保护钢筋不被锈蚀，实现结构强度的恢复和耐久性的提高。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的修复液承载系统能够同时解决浇筑时始终保护修复液和开裂时及时释放修复液的问题。
2.本发明的修复液承载系统可用于大多数混凝土构件，如梁、板和柱，管道网络可以很容易地放置在布置钢筋的地方，不需要特殊设备或劳动培训；
3.自修复混凝土预制件不会在混凝土搅拌和浇注过程中产生任何困难或问题，因此对混凝土的质量和性能没有负面影响；
4.由于可重复使用的外部储存的修复剂的额外供给，可以修复较大的裂缝，并且实现多次自修复，提高自修复系统的使用寿命；
5.修复液的使用率可作为监测混凝土破裂率和愈合过程的“健康指数”，从而为构件的破坏监控提供有效数据。
附图说明
图1是实施例1或2的修复液承载系统横截面示意图；
图2是实施例1的修复液承载系统侧面结构示意图；
图3是实施例2的修复液承载系统侧面结构示意图；
图4是实施例3的修复液承载系统横截面示意图；
图5是实施例3的修复液承载系统侧面结构示意图；
图6是实施例4的自修复混凝土预制件构造示意图；
图中1.混凝土基体，2.钢筋，3.外部修复液储存容器，4.双层自修复管，5.裂缝，6.修复液，7.内层管，8.外层管，9.修复液通道(通孔)。
具体实施方式
本发明基于钢筋混凝土结构用双层管自修复体系，内层管材质为钢材，管壁预留有沿长度方向分布的预留孔道(9)，宽度为1mm。外层管材质为遇水可溶解的PVA聚合物，在混凝土开裂后遇水溶解厚度减小。当基体开裂后，裂缝(5)延伸至外层管，由于外层管(8)遇水溶解厚度降低，受力后发生破裂，该处内层管(7)与裂缝连通，内部修复液(6)沿内层管壁预留孔道流入裂缝，填充裂缝并固化，实现对裂缝的修复作用。
实施例1：
一种用于钢筋混凝土的修复液承载系统，其横截面如图1所示，所述系统由内层管7和外层管8组成，外层管8外径20mm，壁厚2mm；内层管7外径为16mm，壁厚4mm，内层管7为修复液流动通道，外层管8在混凝土浇筑时保护内层管7。其中内层管7上设有扁长方形修复液通道(通孔)9。修复液6储存于内层管7内。
双层管结构的制备
内层管制备：
内层管7管壁材质为钢材，其外径为16mm，其侧面结构如图2所示，内层管7的管壁预留有沿长度分布的扁长方形修复液通道(通孔)9，其分布范围与试件长度匹配。
外层管制备：
外层管8材质为水溶性聚乙烯醇(PVA)，其分子量为180000-200000，在水环境可以溶解从而厚度减小。其外径为20mm，壁厚约2mm，长度与内层管7相同，外壁为螺纹状以增加其与基体的粘结性能。首先制备出1％的PVA溶液，其醇解度约为86％-90％，由于PVA溶液具有粘性，因此将PVA溶液雾化喷洒于内层管上，可形成一层PVA溶液膜；为了增加于基体之间的粘接性能，再于PVA膜上沿螺旋状涂抹一层PVA溶液膜制成螺纹状。通过上述方法完成双层管结构的制备。
修复液供给系统为钢筋混凝土结构用双层管自修复体系提供充足的修复液，在试件外部设置外部修复液储存容器，可由普通塑料制得，与伸出试件的双层管道相连通，在修复液不足时进行及时补充，可实现多次自修复。
实施例2
一种用于钢筋混凝土的修复液承载系统，其横截面如图1所示，所述系统由内层管7和外层管8组成，外层管8外径20mm，壁厚3mm；内层管7外径为16mm，壁厚4mm，内层管7为修复液流动通道，外层管8在混凝土浇筑时保护内层管。其中内层管7上设有圆形修复液通道(通孔)9。。修复液6储存于内层管7内。
双层管结构的制备
内层管制备：
内层管7管壁材质为钢材，其外径为16mm，其侧面结构如图3所示，内层管7的管壁预留有通体间隔分布的圆形修复液通道(通孔)9，其分布范围与试件长度匹配。
外层管制备：
外层管8材质为水溶性聚乙烯醇(PVA)，其分子量为180000-200000，在水环境可以溶解从而厚度减小。其外径为20mm，壁厚约3mm，长度与内层管7相同，外壁为螺纹状以增加其与基体的粘结性能。首先制备出1％的PVA溶液，其醇解度约为86％-90％，由于PVA溶液具有粘性，因此将PVA溶液雾化喷洒于内层管上，可形成一层PVA溶液膜；为了增加于基体之间的粘接性能，再于PVA膜上沿螺旋状涂抹一层PVA溶液膜制成螺纹状。通过上述方法完成双层管结构的制备。
修复液供给系统为钢筋混凝土结构用双层管自修复体系提供充足的修复液，在试件外部设置外部修复液储存容器，可由普通塑料制得，与伸出试件的双层管道相连通，在修复液不足时进行及时补充，可实现多次自修复。
实施例3：
一种用于钢筋混凝土的修复液承载系统，其横截面结构如图4所示，所述的系统由内层管7和外层管8组成，外层管8外径20mm，壁厚1.5mm；内层管7外径为17mm，壁厚4mm，内层管7为修复液流动通道，外层管8在混凝土浇筑时保护内层管。其中内层管7上设有螺旋式修复液通道(通孔)9。修复液6储存于内层管7内。。
双层管结构的制备
内层管制备：
内层管(7)管壁材质为钢材，其外径为17mm，其侧面结构如图5所示，内层管7的管壁预留有沿长度分布的螺旋通孔式修复液通道(通孔)9，其长度与试件长度匹配。
外层管制备：
外层管8材质为水溶性聚乙烯醇(PVA)，其分子量为180000-200000，在水环境可以溶解从而厚度减小。其外径为20mm，壁厚约1.5mm，长度与内层管7相同，外壁为螺纹状以增加其与基体的粘结性能。首先制备出1％的PVA溶液，其醇解度约为86％-90％，由于PVA溶液具有粘性，因此将PVA溶液雾化喷洒于内层管上，可形成一层PVA溶液膜；为了增加于基体之间的粘接性能，再于PVA膜上沿螺旋状涂抹一层PVA溶液膜制成螺纹状。通过上述方法完成双层管结构的制备。
修复液供给系统为钢筋混凝土结构用双层管自修复体系提供充足的修复液，在试件外部设置外部修复液储存容器，可由普通塑料制得，与伸出试件的双层管道相连通，在修复液不足时进行及时补充，可实现多次自修复。
实施例4：钢筋混凝土结构用双层管自修复体系
一种自修复钢筋混凝土预制件，是基于实施例1、2或3的双层管自修复系统制得的钢筋混凝土结构，钢筋混凝土内埋有通长管结构。
如图6所示，所述的预制件包括混凝土基体1，埋置入混凝土基体中的钢筋2，埋置于钢筋下部的双层管结构修复液承载容器4以及外部修复液储存容器3，双层管结构由外层管8以及内层管7组成，其中外层管的材质为可溶性PVA，内层管材质为钢，内层管管壁分布有修复液通道9。CA修复液6储存于内层管，当钢筋混凝土构件开裂产生裂缝5时，该处双层管结构的外层管壁溶解并破裂，修复液6由内层管沿修复液通道流入裂缝，经其固化后形成一定强度粘结并封闭裂缝，恢复机械性能并提高耐久性，达到自修复目的。
该实例对本发明的目的、技术方案以及优点进行了详细说明。所应理解的是，上述实例仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明所述技术范围内所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明保护范围内。
Claims (15)
1.一种用于自修复混凝土的双层管状修复液承载系统，它是包括内、外两层的中空管；其中所述的内层为多孔层，材质为具有变形能力的金属且表面均匀分布有通孔；所述的外层为致密层，材质为水溶性聚合物且厚度在1-4mm；所述的内层用于装载混凝土修复液；所述的通孔用于向外输送修复液；所述的外层用于在混凝土浇筑时隔绝修复液与混凝土，并在混凝土固化过程中随着水分散失而分解殆尽；所述的具有较强变形能力的金属选自钢、不锈钢、镀锌钢或者铝合金；所述的水溶性聚合物选自聚乙烯醇、聚丙烯酸、脲醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂中的任意一种。
2.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的具有较强变形能力的金属是钢。
3.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的聚乙烯醇是分子量在150000-200000的聚乙烯醇。
4.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的聚丙烯酸是分子量在3000-4000的聚丙烯酸。
5.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的脲醛树脂是分子量为10000的脲醛树脂。
6.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的三聚氰胺甲醛树脂是分子量在200-500的三聚氰胺甲醛树脂。
7.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的外层为分子量在180000-200000、醇解度为88%-99%、厚度为1.5-3mm的聚乙烯醇薄膜。
8.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的通孔是圆形通孔、方形通孔、扁长方形通孔或者任意不规则形状的通孔。
9.权利要求1所述的双层管状修复液承载系统，其特征在于：所述的外层外表面设有螺纹。
10.一种具有自修复功能的钢筋混凝土预制件，它由混凝土包裹钢筋和权利要求1所述的双层管状修复液承载系统构成。
11.权利要求10所述的钢筋混凝土预制件，其特征在于：所述的钢筋分布在所述预制件的最内层，所述的修复液承载系统分布于所述钢筋与预制件表面之间。
12.权利要求10所述的钢筋混凝土预制件，其特征在于：所述的修复液承载系统两端突出于所述预制件外，并进一步设置修复液灌注口，用于随时接收来自外部的修复液。
13.权利要求10所述的钢筋混凝土预制件，其特征在于：所述的修复液为有机树脂修复液。
14.权利要求10所述的钢筋混凝土预制件，其特征在于：所述的修复液为氰基丙烯酸酯修复液、或者乙酸乙酯与聚氨酯混配的修复液。
15.权利要求10所述的钢筋混凝土预制件，其特征在于：所述的修复液为氰基丙烯酸酯修复液、或聚氨酯与乙酸乙酯按5:1重量比混配的修复液。
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