CN114751675B - 一种混凝土裂缝自修复剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土裂缝自修复剂，主要由液体原料A和固体原料B组成，按重量份计，液体原料A的具体成分为壳聚糖10~25份、纤维素纤维20~50份、环氧丙烷10~25份；固体原料B的具体成分为氧化钙100~200份、铝矾土10~25份、偏高岭土20~40份、碳酸钙5~10份、膨胀剂100~150份，以及足量水。本发明提供的混凝土裂缝自修复剂的掺入使得混凝土抗压强度提高，裂缝修复后的抗压强度高于预制裂缝前的抗压强度，在混凝土裂缝修复后的抗压强度有所提高，强度恢复率较好，能够达到155%，裂缝修复效果较好，裂缝实现完全愈合，自修复效果良好；在加入混凝土后，能够提高浆体密实度，孔洞减少，与基体相容性较好，利于裂缝修复，抗冻性有明显改善，具有良好的应用前景，适宜广泛推广应用。

Description

一种混凝土裂缝自修复剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及混凝土裂缝修复技术领域，具体是指一种混凝土裂缝自修复剂及其制备方法与应用。

背景技术

混凝土作为一种微型多孔的脆性材料，易受外部荷载和温度等外部条件的影响而产生不同程度的微裂缝和局部损伤。混凝土微裂缝会对构件的耐久性和响，从而影响混凝土构件的服役性能。一方面，目前已有的技术难以对微裂缝进行无损、准确的探测，常规的方法也难以修复内部的微裂纹。另一方面，多年来在自然环境中观察到了混凝土微裂缝的自修复现象，这是因为形成碳酸钙和无水水泥材料的连续水化，但是这些微裂缝自修复的效率相对较低，因此改善混凝土以提高裂缝自修复能力的研究受到了学术界和工程界越来越广泛的关注。

虽然关于混凝土裂缝的自愈合上述研究进展显著，但仍有许多问题亟待解决，空心纤维或胶囊易破碎，形状记忆合金价格昂贵且长期使用会产生蠕变，电沉积法的自修复效果的评价方法研究相对较少，使得以上技术并未成熟。因此，研发一种容易操作、施工方便、经济性好、性能可靠的裂缝自修复材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种容易操作、施工方便、经济性好、性能可靠的混凝土裂缝自修复剂。

本发明的另一个目的在于提供上述混凝土裂缝自修复剂的制备方法。

本发明还有一个目的在于提供上述混凝土裂缝自修复剂及的具体应用。

本发明通过下述技术方案实现：一种混凝土裂缝自修复剂，主要由液体原料A和固体原料B组成，按重量份计，所述液体原料A的具体成分为壳聚糖10～25份、纤维素纤维20～50份、环氧丙烷10～25份；所述固体原料B的具体成分为氧化钙100～200份、铝矾土10～25份、偏高岭土20～40份、碳酸钙5～10份、膨胀剂100～150份，以及足量水。

本技术方案的工作原理为，包含液体原料A和固体原料B，液体原料A中以纤维素纤维作为载体，混合壳聚糖和环氧丙烷，其制得的浑浊液混入混凝土后，在混凝土出现裂缝时，就会使环氧丙烷的环状结构断裂，暴露出易产生化学反应的两个末端，当阳光照射涂料时，紫外线会让涂料中的壳聚糖活跃，与环氧丙烷断裂的末端互相吸引，结合在一起，从而修复断裂的环状结构，在纤维素纤维的存在的情况下，就会使裂开的混凝土被修复。

固体原料B中，氧化钙与在浆体中不断络合、渗透、沉淀来修复浆体中的微裂缝，膨胀剂可直接与水反应生成离子晶体，密实早期浆体结构；偏高岭土具有吸水性，在缺少水分的情况下，可不断释放水分，使水泥浆体继续水化，提高修复效果；铝矾土可以改善浆体的塑性，增强修复后浆体的整体强度。因此，裂缝得到修复，强度得到提高。

液体原料A主要实现混凝土裂缝的快速修复，为固体原料B提供良好的修复环境，使得固体原料B在后续混凝土裂缝的修复过程中，发挥更为优异的自修复效果，两者配合使用，能够实现混凝土裂缝即快且好的自修复过程。

为了更好地实现本发明，进一步地，按重量份计，所述液体原料A的具体成分为壳聚糖18份、纤维素纤维39份、环氧丙烷23份；所述固体原料B的具体成分为氧化钙147份、铝矾土19份、偏高岭土35份、碳酸钙5份、膨胀剂120份，以及足量水。

上述一种混凝土裂缝自修复剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)在水中依次按重量配比加入纤维素纤维、壳聚糖、环氧丙烷，搅拌制成浑浊液，将其装入避光密封罐中，即得液体原料A；

(2)依次按重量配比依次向混合氧化钙、铝矾土、偏高岭土、碳酸钙、膨胀剂，再将混合物加入水中，待其在水中混合均匀后，进行挤压脱水干燥，得到含水率不超过15％的湿料；

(3)将步骤(2)获得的湿料加入压片模具中，利用压片机制取粒径为2～5mm的圆片颗粒，即为固体原料坯料；

(4)将步骤(3)制得的原料坯料浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液中，然后取出，室温放置3～5min，即得固体原料B。

为了更好地实现本发明的制备方法，进一步地，所述步骤(2)中的干燥过程为，通过干燥炉加热烘干。

为了更好地实现本发明的制备方法，进一步地，所述步骤(3)中，利用压片机制圆片颗粒的具体过程为，利用压片机对压片模具加压至4.25Mpa，然后保压2～5min，随后脱模得到粒径2～5mm的颗粒。

为了更好地实现本发明的制备方法，进一步地，所述步骤(3)中，压片机的对压片模具加压后，保压具体时间为3min。

为了更好地实现本发明的制备方法，进一步地，所述步骤(4)中，溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液的浓度为0.35g/mL。

为了更好地实现本发明的制备方法，进一步地，所述步骤(4)中，所述原料坯料浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液中的时间为3～5s，且在取出浸泡的原料坯料后，立刻在其表面包覆一层水泥粉或细沙，然后室温放置3min。

上述的一种混凝土裂缝自修复剂的应用，具体应用于能够自动修复裂缝的混凝土制备中，该混凝土的具体制备过程，具体为：在避免阳光直射的环境下，将水泥、砂子、水、混凝土裂缝自修复剂中的固体原料B搅拌混合，最后加入液体原料A，搅拌混合均匀，其中，水泥、砂子、水的质量比为2：5：1，所述混凝土裂缝自修复剂的质量为加入水泥质量的2～10％。

为了更好地实现本发明的应用，进一步地，所述混凝土裂缝自修复剂的质量为加入水泥质量的7.5％。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明提供的混凝土裂缝自修复剂的掺入使得混凝土抗压强度提高，裂缝修复后的抗压强度高于预制裂缝前的抗压强度，强度恢复率高于100％，说明自修复剂对裂缝有一定的修复作用；

(2)本发明提供的混凝土裂缝修复剂在混凝土裂缝修复后的抗压强度有所提高，强度恢复率较好，能够达到155％，裂缝修复效果较好，裂缝实现完全愈合，自修复效果良好；

(3)本发明提供的混凝土裂缝修复剂在加入混凝土后，能够提高浆体密实度，孔洞减少，与基体相容性较好，利于裂缝修复，且抗冻性有明显改善，具有良好的应用前景，适宜广泛推广应用。

具体实施方式

为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例的提供了一种混凝土裂缝自修复剂，主要由液体原料A和固体原料B组成，所述液体原料A的具体成分为壳聚糖18g、纤维素纤维39g、环氧丙烷23g；所述固体原料B的具体成分为氧化钙147g、铝矾土19g、偏高岭土35g、碳酸钙5g、膨胀剂120g，以及足量水。

其具体制备方法，包括以下步骤：

(1)在水中依次按重量配比加入纤维素纤维、壳聚糖、环氧丙烷，搅拌制成浑浊液，将其装入避光密封罐中，即得液体原料A；

(2)依次按重量配比依次向混合氧化钙、铝矾土、偏高岭土、碳酸钙、膨胀剂，再将混合物加入水中，待其在水中混合均匀后，进行挤压脱水干燥，得到含水率不超过15％的湿料；

(3)将步骤(2)获得的湿料加入压片模具中，利用压片机制取粒径为2～5mm的圆片颗粒，即为固体原料坯料；

(4)将步骤(3)制得的原料坯料浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液中，然后取出，室温放置3～5min，即得固体原料B。

其中，述步骤(2)中的干燥过程为，通过干燥炉加热烘干。

所述步骤(3)中，利用压片机制圆片颗粒的具体过程为，利用压片机对压片模具加压至4.25Mpa，然后保压2～5min，随后脱模得到粒径2～5mm的颗粒。压片机的对压片模具加压后，保压具体时间为3min。

所述步骤(4)中，溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液的浓度为0.35g/mL，原料坯料浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液中的时间为3～5s，且在取出浸泡的原料坯料后，立刻在其表面包覆一层水泥粉或细沙，然后室温放置3min。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上，提供了上述一种混凝土裂缝自修复剂的具体应用，其具体应用于能够自动修复裂缝的混凝土制备中，该混凝土的具体制备过程，具体为：在避免阳光直射的环境下，将水泥、砂子、水、混凝土裂缝自修复剂中的固体原料B搅拌混合，最后加入液体原料A，搅拌混合均匀，其中，水泥、砂子、水的质量比为2：5：1，所述混凝土裂缝自修复剂的质量为加入水泥质量的7.5％。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例3：

本实施例针对上述实施例提供的混凝土裂缝自修复剂，进行混凝土裂缝修复实验：

(1)制备混凝土自修复剂：

混凝土自修复剂有液体原料A和固体原料B组成，其中液体原料A包含壳聚糖、纤维素纤维、环氧丙烷三种组分，固体原料B包含氧化钙、铝矾土、偏高岭土、碳酸钙、膨胀剂五种组分，采用均匀设计方法设计实验，每个组分(八种组分)、液体原料A、固体原料B作为影响因素，一共十个影响因素，得到10种配比的混凝土裂缝修复剂作为对照组，上述实施例制备得到的混凝土裂缝自修复剂作为实验组，测试影响因素对混凝土裂缝自修复剂的影响。

其中：

表一混凝土裂缝自修复剂的配比

(2)制备试件

根据表1配置的混凝土裂缝自修复剂按质量比7.5％掺入与水泥、砂子、水中，制备成型尺寸为40mm×40mm×40mm的立方体试件，组别为1～11，并配置不掺混凝土裂缝自修复剂的试件作为对照组(组别12)。其中，水泥、砂子、水的质量比为2：5：1，所述混凝土裂缝自修复剂的质量为加入水泥质量的7.5％。

将每组试件在相对湿度为98％和温度为(20±1)℃的养护箱中养护24h时后脱模，继续在(20±1)℃密封养护至28d，然后将试样劈分成两半，获得宽度为150～450μm的裂缝，各试样裂缝宽度如表二所示：

表二每组试样的裂缝宽度

(3)进行裂缝表面愈合率测试

用体视显微镜以50倍的放大系数观察裂缝在正常室外环境中自修复12h、1d、3d、7d后的愈合情况，并测量其表面宽度并用下式计算裂缝愈合率：

其中：W_i为初始裂缝宽度，μm；W_t为经过修复时间t之后的裂缝宽度，μm；τ为裂缝愈合率，％。

为了更全面反映裂缝愈合情况，观察每个试样同一裂缝上不同位置的愈合情况，试样的裂缝表面处取7条间距为5mm的平行线，与裂缝交点处为宽度测量处。采用体视显微镜对7d预压裂缝后再重新养护的7d混凝土试件表面裂缝进行观测。

具体裂缝表面愈合率如表三所示：

表三每组试样裂缝表面愈合率(％)

根据表三内容，得出结论如下：

组别1是未添加液体原料A的试样，根据其愈合率可知，裂缝修复过过程较慢，最终7d后的裂缝愈合情况并不理想，说明在缺少液体原料A的情况下，固体原料B对混凝土裂缝也具有一定修复效果，但是修复周期长，且修复效果并不明显。

组别2～4中的混凝土裂缝修复剂中，其制备的液体原料A中各缺少一种组分，在对混凝土裂缝的修复过程中，其愈合率与组别1相差不大，说明液体原料A中缺少任一组分，均不会实现混凝土裂缝修复效果，只有固体原料B在发挥混凝土裂缝的修复效果。

组别5～10中的混凝土裂缝修复剂中，其制备的固体原料B各缺少一种组分，其前期混凝土裂缝愈合率较高，说明液体原料A在混凝土裂缝修复初期，起到快速愈合的效果。其中，组别5与组别10的最终的混凝土裂缝的修复效果较差，说明氧化钙和膨胀剂在混凝土裂缝后期的自修复过程中发挥较为重要的作用，在缺少这两种组分中的任一种，固体原料B基本无法发挥混凝土裂缝的修复效果。

另外，组别5～10中，在7d后的修复效果均无法与完整固体原料B相比，说明固体原料B中的每个组分均不可缺失，否则会对混凝土裂缝的自修复过程造成不利影响。

组别11采用上述实施例提供的最优混凝土裂缝修复剂，其不仅愈合时间较快，在7d后的愈合率能够达到100％，实现混凝土裂缝的完全痊愈。说明在液体原料A和固体原料B完整的同时使用时，才能实现混凝土裂缝既快又好修复过程。

组别12未在混挺土中加入任何混凝土裂缝修复剂，其不能实现混凝土裂缝的自愈合过程。

实施例4：

针对上述实施例提供的最优混凝土裂缝自修复剂，对其进行力学性能测试，即以表一中的组别11作为实验组，组别12作为对照组。针对实验组和对照组的试件，测试其预制裂缝前的抗压强度，然后测试其预制裂缝后，修复7d后的抗压强度，对其进行对比，具体如表四所示：

表四预制裂缝前后试件的抗压强度(MPa)

组别	预制裂缝前	预制裂缝修复后
			实验组	55	52
对照组	35	10

根据表四内容可知，掺入本发明所述的混凝土裂缝自修复剂的试件7d后的抗压强度均高于对照组，说明混凝土裂缝自修复剂的掺入提高了胶砂试件的抗压强度，混凝土裂缝自修复剂在浆体中起到填充孔隙、密实结构、提高强度的作用。由上述分析可知，混凝土裂缝自修复剂对试件裂缝的修复效果较好，同时能够提高试件的抗压强度。

实施例5：

本实施例针对上述实施例提供的最优混凝土裂缝自修复剂，对其进行混凝土抗冻性能测试，即以表一中的组别11作为实验组，组别12作为对照组。

采用快冻法进行500次抗冻试验，测试混凝土的质量损失率和相对动弹性模量。具体如表五所示：

表五试件的质量损失率和相对动弹性模量(％)

组别	质量损失率(％)	相对动弹性模量(％)
			实验组	≤2	80.9
对照组	≥5	57.8

根据表五内容可知，混凝土冻融循环次数相同时，对照组混凝土的质量损失率高于实验组的混凝土；冻融循环200次时，对照组混凝土的质量损失率超过实验组混凝土质量损失率的2倍。随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量减小。冻融循环次数相同时，实验组混凝土的相对动弹性模量高于对照组混凝土。冻融循环200次时，实验组的混凝土的相对动弹性模量比对照组混凝土高23.1％，表明实验组混凝土抗冻性优于对照组混凝土，说明本发明提供的混凝土裂缝自修复剂可以提高混凝土的抗冻性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种混凝土裂缝自修复剂，其特征在于，主要由液体原料A和固体原料B组成，按重量份计，所述液体原料A的具体成分为壳聚糖10~25份、纤维素纤维20~50份、环氧丙烷10~25份；所述固体原料B的具体成分为氧化钙100~200份、铝矾土10~25份、偏高岭土20~40份、碳酸钙5~10份、膨胀剂100~150份，以及足量水。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土裂缝自修复剂，其特征在于，按重量份计，所述液体原料A的具体成分为壳聚糖18份、纤维素纤维39份、环氧丙烷23份；所述固体原料B的具体成分为氧化钙147份、铝矾土19份、偏高岭土35份、碳酸钙5份、膨胀剂120份，以及足量水。

3.根据权利要求1或2所述一种混凝土裂缝自修复剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在水中依次按重量配比加入纤维素纤维、壳聚糖、环氧丙烷，搅拌制成浑浊液，将其装入避光密封罐中，即得液体原料A；

（2）按重量配比依次混合氧化钙、铝矾土、偏高岭土、碳酸钙、膨胀剂，再将混合物加入水中，待其在水中混合均匀后，进行挤压脱水干燥，得到含水率不超过15%的湿料；

（3）将步骤（2）获得的湿料加入压片模具中，利用压片机制取粒径为2~5mm的圆片颗粒，即为固体原料坯料；

（4）将步骤（3）制得的原料坯料浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液中3~5s，然后取出，立刻在其表面包覆一层水泥粉或细沙，然后室温放置3min，即得固体原料B，其中，溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液的浓度为0.35g/mL。

4.根据权利要求3所述一种混凝土裂缝自修复剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的干燥过程为，通过干燥炉加热烘干。

5.根据权利要求3所述一种混凝土裂缝自修复剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，利用压片机制圆片颗粒的具体过程为，利用压片机对压片模具加压至4.25Mpa，然后保压2~5min，随后脱模得到粒径2~5mm的颗粒。

6.根据权利要求5所述一种混凝土裂缝自修复剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，压片机的对压片模具加压后，保压具体时间为3min。

7.根据权利要求1或2所述的一种混凝土裂缝自修复剂的应用，其特征在于，具体应用于能够自动修复裂缝的混凝土制备中，该混凝土的具体制备过程，具体为：在避免阳光直射的环境下，将水泥、砂子、水、混凝土裂缝自修复剂中的固体原料B搅拌混合，最后加入液体原料A，搅拌混合均匀，其中，水泥、砂子、水的质量比为2：5：1，所述混凝土裂缝自修复剂的质量为加入水泥质量的2~10%。

8.根据权利要求7所述的一种混凝土裂缝自修复剂的应用，其特征在于，所述混凝土裂缝自修复剂的质量为加入水泥质量的7.5%。