CN110698108A - 一种混凝土自修复胶囊及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土自修复胶囊及其制备方法和应用，属于建筑材料技术领域。本发明的自修复胶囊包括囊壁和囊芯，所述囊芯包括多孔粒化高炉矿渣和填充于高炉矿渣孔隙内的修复剂，所述囊壁包裹于囊芯表面。其制备工艺过程包括如下步骤：步骤一：筛分粒化高炉矿渣、制备修复剂水溶液；步骤二：将步骤一中所得粒化高炉矿渣浸入所得修复剂水溶液中，取出并进行干燥，得到填充有修复剂的高炉矿渣修复颗粒；步骤三：采用喷雾干燥法将囊壁材料均匀包裹在高炉矿渣修复颗粒表面，即可得到自修复胶囊。采用本发明的技术方案，能够进一步提高自修复胶囊的强度，使其在搅拌浇筑时不易破裂，能够有效对混凝土中产生的裂缝进行修复。

Description

一种混凝土自修复胶囊及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，更具体地说，涉及一种混凝土自修复胶囊及其制备方法和应用。

背景技术

混凝土是使用范围最广、使用量最大的建筑材料，广泛应用在房建、道路、桥梁、地下隧道工程等结构。混凝土在浇筑后，表面水分大量蒸发，若水分从混凝土内部迁移速度小于蒸发速度，便会出现收缩裂缝。同时混凝土内部水分的逐渐减少，混凝土内部的毛细管受力发生变化，也会产生收缩裂缝。混凝土中的水泥在水化时，当反应产生的水化热未能及时释放到外部环境中，由于水泥浆料的热膨胀与混凝土集料的热膨胀系数不相同，则会在胶凝材料与骨料的界面区域产生裂缝。外界环境也会对混凝土裂缝产生影响，如载荷压在混凝土上，应力集中在裂缝处，使裂缝扩展变宽，有害物质更容易进入混凝土内部，加剧混凝土裂缝扩展，使混凝土耐久性严重下降。

混凝土的裂缝通常无法用肉眼观察到的，虽然现代科技快速发展，但也无法实现对裂缝进行实时监测。裂缝的发现和修补也将消耗大量的人力和物力。但是，如果不能及时发现裂缝并对其进行修复，会导致混凝土的裂缝扩展变宽，从而形成宏观裂纹，这将严重影响混凝土结构安全，甚至可能危及人民群众生命财产安全。目前，对于混凝土中裂缝的修复通常是向混凝土中添加修复胶囊的方式进行修复，但是，现有的自修复混凝土中所添加的微胶囊因其囊壁强度较低，在搅拌时容易破裂，从而使其内部负载的修复剂流出，导致自修复微胶囊失效，无法有效用于混凝土的自修复。此外，现有添加的微胶囊与基体材料的相容性相对较差，且其与水泥基体的界面结合强度也较低，加入后易对混凝土的整体强度造成不良影响。

如，中国专利申请号：201310603676.5，申请日为：2013年11月25日，发明创造名称为：一种混凝土水性修复剂的微胶囊化方法。该申请案中公开的方法包括如下步骤：配制内水相，所述内水相为0.5～3mol/L的无机水性混凝土修复剂和0.01～2wt％的胶凝剂水溶液；配制油相，所述油相为体积浓度50～100％的苯乙烯有机溶液；配制外水相，所述外水相包含0.01～3wt％的水溶性苯乙烯聚合引发剂；向所述油相中加入3～15wt％的油包水表面活性剂，溶解后与所述内水相搅拌混合，得初乳；配制双乳液；在所述外水相中加入3～5wt％的水包油表面活性剂，溶解后与所述初乳搅拌混合；对所述双乳液升温至35～70℃，搅拌，得混凝土水性修复剂的微胶囊。

又如，中国专利申请号：201510148725.X，中国专利申请号：2015年03月31日，发明创造名称为：用于自修复混凝土的微胶囊和自修复混凝土的制备方法。该申请案中的微胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯的组分包括修复剂、微晶纤维素和吐温80，囊壁的材料为对裂缝应力敏感的高分子有机材料。该自修复混凝土的制备方法，包括以下步骤：称取适量的水泥、砂、水和上述的微胶囊，微胶囊按照每立方米混凝土含有0.05-0.08立方米微胶囊的比例计量。将水泥、砂和微胶囊搅拌，直至分散均匀；把水倒入水泥、砂和微胶囊的混合物中，搅拌均匀。

上述两个申请案均是通过制备微胶囊并将其掺入到混凝土中，形成微胶囊混凝土自修复体系，从而使得混凝土具有自修复能力。但是上述微胶囊添加到混凝土中后进行混合搅拌时，即不可避免地容易发生囊壁破裂，使其内部负载的修复剂流出，从而导致自修复微胶囊失效。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服现有混凝土自修复微胶囊的囊壁强度较低，在搅拌时容易破裂，从而造成修复剂失效的不足，提供了一种混凝土自修复胶囊及其制备方法和应用。采用本发明的技术方案能够有效解决上述问题，可以有效对现有混凝土产生的裂纹进行修复，能够节约大量的人力、物力。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种混凝土自修复胶囊，包括囊壁和囊芯，所述囊芯包括多孔粒化高炉矿渣和填充于高炉矿渣孔隙内的修复剂，所述囊壁包裹于囊芯表面。

更进一步的，所述粒化高炉矿渣采用连续级配，其粒径为0.5-10mm，孔径为50-200μm。

更进一步的，所述囊壁采用乙基纤维素，且囊壁厚度为3-6μm；所述修复剂采用硅酸钠。

上述混凝土自修复胶囊的制备方法，其具体工艺为：

步骤一：筛分粒化高炉矿渣、制备修复剂水溶液；

步骤二：将步骤一中所得粒化高炉矿渣浸入所得修复剂水溶液中，取出并进行干燥，得到填充有硅酸钠的高炉矿渣修复颗粒；

步骤三：将囊壁材料均匀包裹在步骤二中所得高炉矿渣修复颗粒表面，即可得到自修复胶囊。

更进一步的，步骤一中制备所得修复剂水溶液的浓度为140-160g/L。

更进一步的，步骤二中浸渍时溶液温度为20-30℃，浸渍时间为2-5h，干燥温度为50-70℃，干燥时间为1-3h。

更进一步的，在制备高炉矿渣修复颗粒的过程中，对粒化高炉矿渣进行3-5次的重复浸渍烘干处理，最后在50-70℃下烘干至恒重。

更进一步的，步骤三中先溶解囊壁材料，并采用喷雾喷涂干燥法将其喷涂于高炉矿渣修复颗粒表面，最后进行热风干燥至恒重。

更进一步的，步骤三中采用质量比为1∶(2-3)的乙醇与四氯化碳混合溶液为溶剂对囊壁材料进行溶解；进行喷雾干燥处理时，控制进风口温度为50-70℃，进料速度为280-340mL/h；热风干燥处理的温度为20-40℃。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种混凝土自修复胶囊，包括囊壁和囊芯，所述囊芯包括多孔粒化高炉矿渣和填充于高炉矿渣孔隙内的修复剂，通过将修复剂填充于粒化高炉矿渣孔隙中，从而一方面能够提高自修复胶囊的强度，加入混凝土中进行搅拌和浇筑时，与现有的微胶囊相比，不容易破裂，不会造成修复剂流出而失效，可以有效确保修复剂的使用效果。另一方面，该自修复胶囊与混凝土基底材料的相容性较好，添加在混凝土中不会对混凝土的整体强度造成不良影响。

(2)本发明的一种混凝土自修复胶囊，使用的粒化高炉矿渣一方面可以充当骨架保护修复剂，进一步确保自修复胶囊不易破裂；另一方面，还可以替代混凝土中一部分骨料的添加，从而减少了混凝土骨料的使用量，降低了生产成本。同时，由于粒化高炉矿渣是一种脆性材料，抗拉强度低，因此在混凝土开裂后，受到拉力作用的高炉矿渣容易裂开，并释放其内部的修复剂对混凝土裂缝进行修复。此外，在修复剂不足以修复裂缝的情况下，高炉矿渣的潜在活性将会被激发，会发生水化反应，生成胶结材料愈合裂缝。修复剂的修复和高炉矿渣水化反应协同发挥作用，从而可以进一步提高混凝土的强度，提高自修复功能发挥的作用和时间。

(3)本发明的一种混凝土自修复胶囊，利用粒化高炉矿渣的多孔结构，可以直接将修复剂填充于粒化高炉矿渣的空隙内；同时通过对粒化高炉矿渣的粒径和孔径分布进行优化设计，从而一方面能够对微胶囊中修复剂的填充量及填充的均匀性进行有效控制，添加入混凝土中，能够更大程度地保证混凝土的自修复效果。另一方面，能够使高炉矿渣自修复胶囊在混凝土中能够连续有序分布，进而使修复剂在混凝土内部分布更加均匀，储存的修复剂多，修复功能容易被裂缝激发，修复效果更为显著。

(4)本发明的一种混凝土自修复胶囊的制备方法，通过对自修复微胶囊的制备工艺进行优化设计，使修复剂填充于粒化高炉矿渣孔隙中，从而能够有效提高自修复胶囊的强度、确保其修复效果；同时本申请的囊壁采用喷雾干燥法进行制备，从而能够均匀地将囊壁材料喷涂于自修复胶囊颗粒表面，将修复剂与外界环境隔离，不易造成修复剂失效，且该方法工艺简单、控制方便，适宜连续化生产，与现有的技术相比，制备出的胶囊囊壁包裹完整，有利于进一步提高修复效果。

具体实施方式

本发明的一种混凝土自修复胶囊，包括囊壁和囊芯，所述囊壁包裹在囊芯表面，所述囊芯包括载体和负载于载体上的修复剂，所述囊壁采用乙基纤维素，且囊壁厚度为3-6μm；所述修复剂采用硅酸钠；所述粒化高炉矿渣为多孔结构，其粒径为0.5-10mm，孔径为50-200μm。

上述自修复胶囊的制备方法，其具体工艺为：

步骤一：首先采用连续级配的方式筛分出粒径为0.5-10mm的粒化高炉矿渣，其中控制粒径为0.5-2.5mm、2.5-5mm、5-7.5mm和7.5-10mm的高炉矿渣的质量百分数分别为10-20％、30-40％、35-45％和5-15％，且与上述粒径范围相对应的孔径分别为50-90μm、90-130μm、130-170μm和170-200μm。制备浓度为140-160g/L的硅酸钠水溶液。

步骤二：将步骤一中所得粒化高炉矿渣浸入所得硅酸钠水溶液中，溶液温度为20-30℃，并使用超声波促进浸渍，浸渍2-5h后，取出在50-70℃下干燥1-3h，再浸入硅酸钠水溶液中，重复上述浸渍烘干步骤3-5次，最后在50-70℃烘箱烘干至恒重，即可得到填充自修复剂硅酸钠的高炉矿渣修复颗粒。

步骤三：取质量比为1:(2-3)的乙醇与四氯化碳，配置成混合溶剂溶解乙基纤维素，并充分搅拌。将步骤二所得高炉矿渣修复颗粒放入喷雾干燥装置中，以50-70℃的进风口温度和280-340mL/h的进料速度进行喷雾干燥，使乙基纤维素均匀的包覆在高炉矿渣颗粒表面，然后在喷雾干燥装置中进行20-40℃热风干燥至恒重，即可得到自修复胶囊。

针对目前使用的混凝土极易产生裂纹，难以监测和及时修复等不足，现有技术中通常是采用向混凝土中添加自修复微胶囊的方式，对混凝土中产生的裂纹进行修补。但是，现有添加使用的自修复微胶囊主要存在两个方面的问题。一方面，因其囊壁强度较低，在添加并搅拌的过程中极易破裂，导致修复剂流出而失效；另一方面，微胶囊与基体材料的相容性相对较差，且其与水泥基体的界面结合也较低，加入后易对混凝土的整体强度造成不良影响。

本发明的混凝土自修复胶囊，包括囊壁和囊芯，囊芯包括多孔粒化高炉矿渣和修复剂，通过采用将修复剂填充于粒化高炉矿渣孔隙中，从而能够有效提高自修复胶囊的强度，使其在添加使用时不易破裂，不会导致修复剂提前流出而失效。同时，粒化高炉矿渣修复颗粒与混凝土基板材料相容性较好，添加后可以有效提高混凝土的整体强度。具体的，所述粒化高炉矿渣为一种工业废渣，生产中易于获得，且原料成本较低，其主要成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃，是一种非晶体玻璃态物质，其主要成分与水泥熟料相似，具有一定的活性，本发明中不需要将其研磨成矿渣微粉进行使用，也无需进行造孔处理，而是利用其原本的多孔结构，将修复剂直接填充于粒化高炉矿渣的孔隙中，从而制备得到自修复胶囊，操作相对简单。此外，一方面，高炉矿渣具有一定的抗压强度，从而可以充当骨架来保护内部修复剂，使胶囊更不容易破裂，能够进一步提高胶囊的抗压强度，在进行混凝土搅拌和浇筑时更加不容易破裂。当用于混凝土自修复时，在混凝土开裂前，高炉矿渣有足够的强度与混凝土共同工作承受荷载，能够在一定程度上与混凝土共同承受外界的荷载，因此有利于进一步提高混凝土整体强度，使其在较大的工作荷载下不容易产生裂纹，有效延长了混凝土的寿命。另一方面，粒化高炉矿渣是一种脆性材料，当混凝土达到极限拉应变开裂后，裂缝截面上开裂的混凝土不再受力，原来承受的拉力转由周围的高炉矿渣胶囊承担，高炉矿渣胶囊的应力突然增大被破坏，释放其内部的修复剂，对混凝土的裂缝进行修复。同时，高炉矿渣还具有潜在的水化活性硬性，一旦混凝土出现裂缝，粒化矿渣胶囊破裂，不仅修复剂可以起到修复的作用，且在修复剂不足以修复裂缝的情况下，水渗入到破裂后的粒化矿渣胶囊内部，矿渣的潜在活性将会被激发，粒化高炉矿渣会发生水化反应，使裂缝胶结愈合，修复剂的修复和高炉矿渣水化反应协同发挥作用，从而可以进一步提高混凝土的强度，提高自修复功能发挥的作用和时间，且高炉矿渣还可以替代混凝土中一部分细骨料的添加，从而减少了混凝土骨料的使用量，降低了生产成本。

本发明还通过对粒化高炉矿渣的粒径和孔径进行选择，并对囊壁厚度进行优化设计，从而一方面能够有效对微胶囊中修复剂的负载量进行控制，并有效提高所得自修复胶囊的强度；另一方面，能够有效将修复剂与外界环境隔离，使修复剂不易失效，进而充分保证了混凝土的自修复的效果。同时，通过高炉矿渣的连续级配分布，分别对不同粒径范围内高炉矿渣的质量百分数进行优化设计，并控制每个粒径范围内高炉矿渣的孔径大小与之相匹配，从而能够使高炉矿渣自修复胶囊在混凝土中连续有序分布，进而使修复剂在混凝土内部分布更加均匀，且储存的修复剂多，修复功能更容易被裂缝激发，修复效果更为显著。

更优化的，本发明还通过对胶囊的制备工艺进行优化设计，从而能够有效确保其修复效果。具体的，尤其是采用喷雾干燥法进行制备自修复胶囊时，较现有的浸泡法及水包油法进行生产时，一方面能够使囊壁更加均匀的分布于自修复将囊颗粒表面，另一方面制备出的胶囊囊壁包裹更加完整，进而能够进一步提高修复效果，且本发明的制备工艺简单、控制方便，适合连续化生产，生产成本较低。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

(1)高炉矿渣筛分：

分选出粒径为0.5-2.5mm、2.5-5mm、5-7.5mm和7.5-10mm的高炉矿渣的质量百分数分别为10％、35％、40％和15％，且与上述粒径范围相对应的孔径分别为50-90μm、90-130μm、130-170μm和170-200μm。

(2)高炉矿渣修复颗粒制备：

制备14g/100ml硅酸钠水溶液，将高炉矿渣浸入30℃的硅酸钠溶液中，浸渍2h后,取出在50℃干燥1h，再浸入硅酸钠水溶液中，重复浸渍烘干步骤共3次，最后在50℃烘箱烘干至恒重，即可得到填充自修复剂硅酸钠的高炉矿渣修复颗粒。

(3)喷雾干燥法制备自修复胶囊：

取质量1:2的乙醇与四氯化碳，配置成混合溶剂溶解乙基纤维素，充分搅拌。将之前制备好的高炉矿渣修复颗粒放入喷雾干燥装置中，以50℃的进风口温度和280mL/h的进料速度进行喷雾干燥，使乙基纤维素均匀的包覆在高炉矿渣颗粒表面，然后在喷雾干燥装置中进行20℃热风干燥至恒重，即可得到自修复胶囊。

实施例2

(1)高炉矿渣筛分：

分选出粒径为0.5-2.5mm、2.5-5mm、5-7.5mm和7.5-10mm的高炉矿渣的质量百分数分别为15％、35％、45％和5％，且与上述粒径范围相对应的孔径分别为50-90μm、90-130μm、130-170μm和170-200μm。

(2)高炉矿渣修复颗粒制备：

制备16g/100ml硅酸钠水溶液，将高炉矿渣浸入25℃的硅酸钠溶液中，浸渍3h后,取出在60℃干燥1.5h，再浸入硅酸钠水溶液中，重复浸渍烘干步骤共3次，最后在60℃烘箱烘干至恒重，即可得到填充自修复剂硅酸钠的高炉矿渣修复颗粒。

(3)喷雾干燥法制备自修复胶囊：

取质量1:3的乙醇与四氯化碳，配置成混合溶剂溶解乙基纤维素，充分搅拌。将之前制备好的高炉矿渣修复颗粒放入喷雾干燥装置中，以60℃的进风口温度和340mL/h的进料速度进行喷雾干燥，使乙基纤维素均匀的包覆在高炉矿渣颗粒表面，然后在喷雾干燥装置中进行30℃热风干燥至恒重，即可得到自修复胶囊。

实施例3

(1)高炉矿渣筛分：

分选出粒径为0.5-2.5mm、2.5-5mm、5-7.5mm和7.5-10mm的高炉矿渣的质量百分数分别为15％、30％、40％和15％，且与上述粒径范围相对应的孔径分别为50-90μm、90-130μm、130-170μm和170-200μm。

(2)高炉矿渣修复颗粒制备：

制备15g/100ml硅酸钠水溶液，将高炉矿渣浸入25℃的硅酸钠溶液中，浸渍5h后,取出在70℃干燥3h，再浸入硅酸钠水溶液中，重复浸渍烘干步骤共5次，最后在70℃烘箱烘干至恒重，即可得到填充自修复剂硅酸钠的高炉矿渣修复颗粒。

(3)喷雾干燥法制备自修复胶囊：

取质量1:2.5的乙醇与四氯化碳，配置成混合溶剂溶解乙基纤维素，充分搅拌。将之前制备好的高炉矿渣修复颗粒放入喷雾干燥装置中，以70℃的进风口温度和290mL/h的进料速度进行喷雾干燥，使乙基纤维素均匀的包覆在高炉矿渣颗粒表面，然后在喷雾干燥装置中进行35℃热风干燥至恒重，即可得到自修复胶囊。

实施例4

(1)高炉矿渣筛分：

分选出粒径为0.5-2.5mm、2.5-5mm、5-7.5mm和7.5-10mm的高炉矿渣的质量百分数分别为20％、40％、35％和5％，且与上述粒径范围相对应的孔径分别为50-90μm、90-130μm、130-170μm和170-200μm。

(2)高炉矿渣修复颗粒制备：

制备15g/100ml硅酸钠水溶液，将高炉矿渣浸入20℃的硅酸钠溶液中，浸渍4h后,取出在65℃干燥4h，再浸入硅酸钠水溶液中，重复浸渍烘干步骤共4次，最后在65℃烘箱烘干至恒重，即可得到填充自修复剂硅酸钠的高炉矿渣修复颗粒。

(3)喷雾干燥法制备自修复胶囊：

取质量1:2的乙醇与四氯化碳，配置成混合溶剂溶解乙基纤维素，充分搅拌。将之前制备好的高炉矿渣修复颗粒放入喷雾干燥装置中，以65℃的进风口温度和320mL/h的进料速度进行喷雾干燥，使乙基纤维素均匀的包覆在高炉矿渣颗粒表面，然后在喷雾干燥装置中进行40℃热风干燥至恒重，即可得到自修复胶囊。

Claims (10)

1.一种混凝土自修复胶囊，包括囊壁和囊芯，其特征在于：所述囊芯包括多孔粒化高炉矿渣和填充于高炉矿渣孔隙内的修复剂，所述囊壁包裹于囊芯表面。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土自修复胶囊，其特征在于：所述粒化高炉矿渣采用连续级配，其粒径为0.5-10mm，孔径为50-200μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种混凝土自修复胶囊，其特征在于：所述囊壁采用乙基纤维素，且囊壁厚度为3-6μm；所述修复剂采用硅酸钠。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的混凝土自修复胶囊的制备方法，其特征在于：其具体工艺为：

步骤一：筛分粒化高炉矿渣、制备修复剂水溶液；

步骤二：将步骤一中所得粒化高炉矿渣浸入所得修复剂水溶液中，取出并进行干燥，得到填充有修复剂的高炉矿渣修复颗粒；

步骤三：将囊壁材料均匀包裹在步骤二中所得高炉矿渣修复颗粒表面，即得到自修复胶囊。

5.根据权利要求4所述的一种混凝土自修复胶囊的制备方法，其特征在于：步骤一中制备所得修复剂水溶液的浓度为140-160g/L。

6.根据权利要求4所述的一种混凝土自修复胶囊的制备方法，其特征在于：步骤二中浸渍时溶液温度为20-30℃，浸渍时间为2-5h，干燥温度为50-70℃，干燥时间为1-3h。

7.根据权利要求6所述的一种混凝土自修复胶囊的制备方法，其特征在于：在制备高炉矿渣修复颗粒的过程中，对粒化高炉矿渣进行3-5次的重复浸渍烘干处理，最后于50-70℃下烘干至恒重。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的一种混凝土自修复胶囊的制备方法，其特征在于：步骤三中先溶解囊壁材料，并采用喷雾喷涂干燥法将其喷涂于高炉矿渣修复颗粒表面，最后进行热风干燥至恒重。

9.根据权利要求8所述的一种混凝土自修复胶囊的制备方法，其特征在于：步骤三中采用质量比为1∶(2-3)的乙醇与四氯化碳混合溶液为溶剂对囊壁材料进行溶解；进行喷雾干燥处理时，控制进风口温度为50-70℃，进料速度为280-340mL/h；热风干燥处理的温度为20-40℃。

10.一种如权利要求1-3中任一项所述的混凝土自修复胶囊在混凝土中的应用。