CN115691717B - 一种裂缝自修复混凝土配合比设计方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝自修复混凝土配合比设计方法及其应用。所述设计方法包括：确定基准混凝土配合比，预测待修复裂缝面积，测试核壳构造球形修复剂修复能力，计算修复剂理论掺量和将计算所得修复剂等质量替代砂/石并确定自修复混凝土配合比。本发明通过在基准混凝土配合比基础上，基于裂缝修复面积设计修复剂掺量，并保障95%置信水平，根据设计的修复剂掺量等质量替代砂/石，即可获得自修复混凝土配合比。为裂缝自修复混凝土的配合比设计提供了一种方法，避免了修复剂使用的盲目性，可应用于富水环境中服役的混凝土结构。

Description

一种裂缝自修复混凝土配合比设计方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种混凝土配合比设计方法及其应用，特别涉及一种裂缝自修复混凝土配合比设计方法及其应用。

背景技术

混凝土是全世界范围内除水之外用量最大的人造材料，广泛应用于各类基础设施的建设。同时，混凝土作为一种脆性材料，抗拉强度相对较低，在使用过程中难以避免的产生微裂缝。微裂缝的存在为侵蚀介质提供了快速通道，腐蚀性离子通过裂缝快速到达混凝土内部，加速混凝土材料的损伤，导致结构功能受损，严重时将导致工程事故发生。根据王铁梦院士研究结论，由于温湿度变化等不均匀体积变形导致的微裂缝占混凝土裂缝的80％以上。此类裂缝以宽度不大于1.0mm的微细裂缝为主。因此，混凝土微裂缝的治理具有重要意义。

针对微细裂缝的修复，工程中常用人工探查与施用修复剂结合的方式进行修补。这种修补方式取决于人工探查效率。当结构部位形状复杂或人员难以进入时，裂缝修复无法得到保障。通过在混凝土内添加修复剂可以赋予混凝土自修复功能。当混凝土开裂时，修复剂响应，释放出内部的修复组分，完成裂缝修复。自修复混凝土在工程实践中已经开展了部分应用。但对于修复剂在混凝土中的使用方法，目前尚无具体方法。尤其针对掺用修复剂的混凝土配合比目前尚无专门的设计方法。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种针对掺用核壳构造球形修复剂的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，该方法弥补了自修复混凝土理论设计方法的缺失，设计效果准确可靠，能够保障裂缝自修复效果；本发明的另一目的在于提供一种该设计方法所制备混凝土于富水环境中服役的混凝土结构中的应用。

技术方案：本发明所述的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，包括如下步骤：

(1)确定基准混凝土配合比，根据实际工程条件按照相应标准计算、试配和确定；

(2)预测待修复裂缝面积；

(3)测试核壳构造球形修复剂修复能力：根据修复组分在特定宽度模拟裂缝中与水分反应后的膨胀面积确定体积膨胀倍率k，步骤如下：

取单颗粒修复剂的修复组分置于测试装置中，测量并记录此时修复剂面积S₁；在测试装置中注入饱和氢氧化钙溶液，测量并记录此时修复组分扩展面积S₂；修复剂产物的膨胀倍率按照公式1计算可得：

(4)计算修复剂理论掺量；

对于外半径小于等于5.0mm球形核壳构造修复剂，其掺加数量n_s应满足公式2要求，其单方混凝土中的掺加质量m_s应满足公式3要求：

对于外半径大于5mm球形核壳构造修复剂，其掺加数量n_b应满足公式4要求，其单方混凝土中的掺加质量m_b应满足公式5要求：

式中，n_s，n_b—修复剂掺加数量，个；r_i—核壳型修复剂内半径，mm；w—裂缝宽度，mm；η—修复程度，裂缝拟修复程度，取值范围0-1.0；m_s，m_b—单方混凝土中修复剂掺加质量，kg；r_o—核壳型修复剂外半径；ρ—修复剂密度，kg/m³；S_c—裂缝面积，mm²mm²；

(5)将计算所得修复剂等质量替代砂/石，确定自修复混凝土配合比。

优选地，所述核壳构造球形修复剂的密度为1900kg/m³-2100kg/m³。

优选地，步骤(2)所述预测待修复裂缝面积方法以100mm×100mm×100mm代表性体积单元贯穿裂缝面积作为每立方混凝土裂缝面积测算依据。

优选地，步骤(2)所述预测待修复裂缝面积的计算公式为：

参数a按计算确定，

裂缝面积S_c按公式6计算所得：

式中，S_c—裂缝面积，mm²；a—曲面裂缝控制参数；D_max—骨料最大粒径，mm；δ—试验指数，取0.5-0.7，用于表征级配中粗细骨料比例不同。

优选地，所述修复剂的p_x需满足公式7要求：

式中，p_x—某粒径d骨料的通过百分率，％；D_max—骨料最大粒径，mm；δ—试验指数，取0.5-0.7，用于表征级配中粗细骨料比例不同。

优选地，步骤(5)中所述确定的自修复混凝土配合比后需进行适配，测量基准混凝土与自修复混凝土的浆体密度；当密度满足自修复混凝土密度与基准混凝土密度相近，误差不超过±20kg/m³时，即确定自修复混凝土配合比。

采用所述设计方法得到的混凝土配合比可应用于富水环境的混凝土结构中。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明所述的设计方法弥补了自修复混凝土理论设计方法的缺失，提供了一种基于裂缝面积不同修复程度的自修复混凝土配合比的设计方法；(2)本发明可针对不同粒径大小的修复剂进行专门设计，保障了设计效果的准确性；(3)本发明涉及的自修复混凝土设计方法基于真实混凝土配合比，考虑不同骨料对修复效果的影响，更贴近真实工况要求；(4)本发明设计方法可确保修复效果置信水平不低于95％，能够保障裂缝自修复效果。

附图说明

图1为自修复混凝土设计步骤图；

图2为修复剂膨胀倍率测试示意图；

图3为裂缝与修复剂位置情况示意图；

图4为预测得到的裂缝面上修复剂数量概率密度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

某工程使用的混凝土配合比为表1。骨料粒径分布满足Fuller曲线，最大骨料粒径为25mm，级配曲线试验指数为0.7。

表1基准混凝土配合比

在以上配合比中掺用直径为5mm，密度为2000kg/m³的核壳构造球形修复剂(修复剂及其制备同文献：Zheng Tianwen,Su Yilin,Zhang Xuan,Zhou Hengyi,QianChunxiang.Effect and Mechanism of Encapsulation-Based Spores on Self-HealingConcrete at Different Curing Ages.[J].ACS applied materials&interfaces,2020,12(47))。自修复混凝土配合比计算步骤如下(自修复混凝土设计步骤如图1所示)：

步骤一，基准混凝土配合比如表1。

步骤二，已知最大骨料粒径为25mm，级配曲线试验指数为0.7，参数a和c计算结果如下：

根据参数a取值，裂缝面积S_c计算结果如下：

可以看出，由于骨料存在裂缝面是凹凸不平的，对于100mm×100mm×100mm代表性体积单元的待修复裂缝面积为10977.2mm²，显著大于100mm×100mm＝10000mm²的平面裂缝。

步骤三，取单颗粒修复剂的修复组分置于测试装置中(如图2所示)，测量并记录此时修复剂面积S₁＝16.7mm²；在测试装置中注入饱和氢氧化钙溶液；测量并记录此时修复组分扩展面积S₂＝418.7mm²；使用的修复剂内半径为2mm，外半径为2.5mm，修复组分膨胀倍率k＝417.7/16.7＝25倍。

步骤四，对宽度为0.5mm的裂缝，完全修复时(修复程度η＝1.0)，掺加的修复剂数量应满足下式：

n_s≥297个

步骤五，单方混凝土中修复剂的掺加质量应为38.86kg/m³。

根据修复剂等质量替代砂的方式，自修复混凝土的配合比为表2。

表2自修复混凝土配合比(kg/m³)

按表1和表2配合比进行试配，测试所得基准混凝土拌合物浆体密度为2410±5kg/m³，自修复混凝土拌合物浆体密度为2408±6kg/m³。自修复混凝土拌合物浆体密度略低于基准混凝土拌合物浆体密度，因为修复剂颗粒密度低于其替代的砂的密度。但因为修复剂总体掺量不大，因此对浆体密度几乎无影响。

对两类混凝土的抗压强度进行了对比，基准混凝土7d、14d和28d抗压强度分别为21MPa、30MPa和38MPa，自修复混凝土7d、14d和28d抗压强度分别为21.5MPa、31MPa和38.5MPa。可见，使用本发明设计的自修复混凝土力学性能不会受到影响。

对两类混凝土的碳化深度进行了对比，基准混凝土28d碳化深度为14.3mm，自修复混凝土28d碳化深度为14.8mm，二者无显著区别。可见，使用本发明设计的自修复混凝土其耐久性不会受到负面影响。

实施例2

参照表1基准混凝土配合比。参加某型核壳构造修复剂，外半径4.0mm，内半径3.5mm，自修复混凝土配合比设计过程如下：

步骤一，基准混凝土配合比如表1所示。

步骤二，与实施例1相同，待修复裂缝面积预计为10977.2mm²。

步骤三，使用的修复剂内半径为3.5mm，外半径为4.0mm，修复组分膨胀倍率为25倍。

步骤四，对宽度为0.5mm的裂缝，完全修复时(修复程度η＝1.0)，掺加的修复剂数量应满足下式：

n_b≥77个

步骤五，单方混凝土中修复剂的掺加质量应为41.26kg/m³。

根据修复剂等质量替代石子的方式，自修复混凝土的配合比为表3。

表3自修复混凝土配合比(kg/m³)

按表1和表3配合比进行试配，测试所得基准混凝土拌合物浆体密度为2410±5kg/m³，自修复混凝土拌合物浆体密度为2405±5kg/m³。自修复混凝土拌合物浆体密度略低于基准混凝土拌合物浆体密度，因为修复剂颗粒密度低于其替代的砂的密度。但因为修复剂总体掺量不大，因此对浆体密度几乎无影响。

从表2和表3的配合比看出，掺用内半径较大的修复剂时，修复剂的添加数量相应减少，总体添加质量相差不大。

实施例3

参照实施例1，对裂缝宽度为0.3mm的裂缝进行设计。

步骤一至步骤三相同。步骤四，对宽度为1.0mm的裂缝，完全修复时(修复程度η＝1.0)，掺加的修复剂数量应满足下式：

n_s≥215个

步骤五，单方混凝土中修复剂的掺加质量应为28.13kg/m³。

根据修复剂等质量替代砂的方式，自修复混凝土的配合比为表4。

表4自修复混凝土配合比(kg/m³)

按表1和表4配合比进行试配，测试所得基准混凝土拌合物浆体密度为2410±5kg/m³，自修复混凝土拌合物浆体密度为2410±5kg/m³。自修复混凝土拌合物浆体密度与基准混凝土拌合物浆体密度相同。

从表1和表4配合比看出，当裂缝宽度为0.3mm时，掺加的修复剂质量为28.13kg/m³，当裂缝宽度为0.5mm时，掺加的修复剂质量为38.86kg/m³。当预测裂缝宽度较大时，需要掺加的修复剂数量也相应增加。因此，在自修复混凝土配合比设计时，可以预设为0.5mm宽度微细裂缝。

实施例4

以本发明设计方法与对论文(Effects of the crack geometric features onthe probability density of spherical healing agent particles in concrete)中修复剂掺加数量计算方法进行比对。

参照论文中的计算方法，裂缝面积为10977.2mm²，修复剂修复能力为418.7mm²，修复剂颗粒半径为2.5mm，100mm×100mm×100mm代表性体积单元中掺加修复剂数量为：

因此，1立方米混凝土中修复剂掺加数量为：118×1000＝118000个。

实施例1中，宽度为0.5mm裂缝，代表性体积单元修复剂掺加数量为297个，与该论文计算方法差别较大。原因在于论文中修复剂半径未区分内半径和外半径，统一按外半径计算，这对核壳结构载体的应用是存在较大误差的。如图3所示，裂缝与修复剂相遇存在两种情况(裂缝击穿核壳颗粒内核或裂缝穿透壳体未开启内核)。如按论文计算方法，则未开启内核的载体也被记为有效释放，因此计算数量较少。

如按论文计算方法，以核壳颗粒内核半径进行计算：

1立方米混凝土中修复剂掺加数量为：119×1000＝119000个。

另一方面，按照本发明设计可靠性更高。论文中修复剂掺加数量计算原理为正态分布。本发明针对颗粒半径不大于5.0mm修复剂计算原理为泊松分布。假设代表性体积单元中掺加修复剂数量为118个，分别采用正态分布和泊松分布预测裂缝面上修复剂数量概率密度函数，如图4所示。二者区别显著，泊松分布概率密度曲线“窄而高”，正态分布概率密度曲线“宽而矮”，显然在相同置信区间宽度下，泊松分布置信水平要远高于正态分布，这能够保障较好修复效果。

Claims (7)

1.一种裂缝自修复混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定基准混凝土配合比，根据实际工程条件按照相应标准计算、试配和确定；

(2)预测待修复裂缝面积；

(3)测试核壳构造球形修复剂修复能力：根据修复组分在特定宽度模拟裂缝中与水分反应后的膨胀面积确定体积膨胀倍率k，步骤如下：

取单颗粒修复剂的修复组分置于测试装置中，测量并记录此时修复剂面积S₁；在测试装置中注入饱和氢氧化钙溶液，测量并记录此时修复组分扩展面积S₂；修复剂产物的膨胀倍率按照公式1计算可得：

(4)计算修复剂理论掺量；

对于外半径小于等于5.0mm球形核壳构造修复剂，其掺加数量n_s应满足公式2要求，其单方混凝土中的掺加质量m_s应满足公式3要求：

对于外半径大于5.0mm球形核壳构造修复剂，其掺加数量n_b应满足公式4要求，其单方混凝土中的掺加质量m_b应满足公式5要求：

式中，n_s，n_b—修复剂掺加数量，单位为个；r_i—核壳型修复剂内半径，单位为mm；w—裂缝宽度，单位为mm；η—修复程度，裂缝拟修复程度，取值范围0-1.0；m_s，m_b—单方混凝土中修复剂掺加质量，单位为kg；r_o—核壳型修复剂外半径；ρ—修复剂密度，单位为kg/m³；S_c—裂缝面积，单位为mm²；

(5)将计算所得修复剂等质量替代砂/石，确定自修复混凝土配合比。

2.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述核壳构造球形修复剂的密度为1900kg/m³-2100kg/m³。

3.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤(2)所述预测待修复裂缝面积方法以100mm×100mm×100mm代表性体积单元贯穿裂缝面积作为每立方混凝土裂缝面积测算依据。

4.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤(2)所述预测待修复裂缝面积的计算公式为：

参数a按计算确定，

裂缝面积S_c按公式6计算所得：

式中，S_c—裂缝面积，单位为mm²；a—曲面裂缝控制参数；D_max—骨料最大粒径，单位为mm；δ—试验指数，取0.5-0.7，用于表征级配中粗细骨料比例不同。

5.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述修复剂的p_x需满足公式7要求：

式中，p_x—某粒径d骨料的通过百分率；D_max—骨料最大粒径，单位为mm；δ—试验指数，取0.5-0.7，用于表征级配中粗细骨料比例不同。

6.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤(5)中所述确定自修复混凝土配合比后需进行适配，测量基准混凝土与自修复混凝土的浆体密度；当密度满足自修复混凝土密度与基准混凝土密度相近，误差不超过±20kg/m³时，即确定自修复混凝土配合比。

7.一种采用权利要求1-6中任一所述设计方法得到的混凝土配比在富水环境服役的混凝土结构中的应用。