CN116199446A - 绿色自发愈合混凝土胶囊及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种绿色自发愈合混凝土胶囊及其制作方法，它包括：钢制胶囊套，它们具有容纳腔；环形陶瓷，其紧置于所述容纳腔中从而使钢制胶囊套对称设置，所述钢制胶囊套之间形成间距槽，所述间距槽内的所述环形陶瓷表面或钢制胶囊套表面设有凸块，并借助于凸块以使钢制胶囊在混凝土形成稳固状态，以增强胶囊和混凝土之间的咬合力；所述环形陶瓷具有第一腔和第二腔，第一腔和第二腔借助于隔板分离；所述第一腔内置地质聚合物胶凝材料，所述第二腔内置反应激发剂；当混凝土产生裂缝时，环形陶瓷受到外力作用发生破坏，隔板也随之产生位移或者破坏，使第一腔和第二腔内的地质聚合物胶凝材料和反应激发剂混合在一起发生反应，从而形成固化进而修补裂缝。
Description
技术领域
本发明涉及一种绿色自发愈合混凝土胶囊及其制作方法。
背景技术
据市场调查和专利检索，裂缝作为评价混凝土工作状态的重要因素，其产生与否影响着混凝土构件的工作性能，大部分构件产生裂缝后，其各方面性能会急速下降甚至失去工作能力。对于桥梁、道路这类建筑物，一些微小的裂缝足以导致严重的安全事故。不仅如此，由于这些裂缝产生的时间是随机的，工程上无法保证能够第一时间发现并修补这些致命漏洞。
为了探索出能够及时修复混凝土构件产生的裂缝的办法，学者们进行了各种试验研究并取得了不错的成果。另外，大部分自愈合胶囊其内部材料并不是早强材料，导致修复时间较长。中国专利专利公开号CN106747653A，其胶囊破坏后修复效率较低，需要3天以上才可完成修复。中国专利专利公开号CN106747653A其胶囊材料使用细菌与微生物手段，其制备过程复杂，成本过高，不便于大体积应用。因此上述原因一定程度上限制了混凝土自修复胶囊的普及应用。为此，我们研制了一种绿色自发愈合混凝土胶囊及其制作方法。
发明内容
本发明的目的所要解决的技术问题是要提供一种绿色自发愈合混凝土胶囊，胶凝材料经激发剂催化聚合反应后可在短时间内固化，并且伴有高流动性可沿着内部裂纹流出，从而修复裂纹。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种绿色自发愈合混凝土胶囊，它包括：
钢制胶囊套，它们具有容纳腔；
环形陶瓷，其紧置于所述容纳腔中从而使钢制胶囊套对称设置，所述钢制胶囊套之间形成间距槽，所述间距槽内的所述环形陶瓷表面或钢制胶囊套表面设有凸块，并借助于凸块以使钢制胶囊在混凝土形成稳固状态，以增强胶囊和混凝土之间的咬合力；
所述环形陶瓷具有第一腔和第二腔，第一腔和第二腔借助于隔板分离；所述第一腔内置地质聚合物胶凝材料，所述第二腔内置反应激发剂；
当混凝土产生裂缝时，环形陶瓷受到外力作用发生破坏，隔板也随之产生位移或者破坏，使第一腔和第二腔内的地质聚合物胶凝材料和反应激发剂混合在一起发生反应，从而形成固化进而修补裂缝。
于本发明的一个或多个实施例中，所述地质聚合物胶凝材料包括S95级高炉矿渣、II级粉煤灰、沸石粉和硅灰混合物，在胶囊破裂后与反应激发剂混合。
于本发明的一个或多个实施例中，每100份地质聚合物胶凝材料含有70～80份高炉矿渣、10～15份粉煤灰、5～8份硅灰和5～8份沸石粉组成。
于本发明的一个或多个实施例中，所述反应激发剂包括固体氢氧化钠、硅酸钠和碳酸钠粉末混合而成的复合粉末。
于本发明的一个或多个实施例中，每100份质量的反应激发剂含有10～15份固体氢氧化钠、85～90份模数1.0～2.0的硅酸钠和碳酸钠粉末。
于本发明的一个或多个实施例中，每100份质量的反应激发剂包含2～4份氧化镁粉末，其中，氧化镁粉末活性为60秒和220秒的搭配，活性搭配比例为1：1。
本发明还提供一种绿色自发愈合混凝土胶囊的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.制作钢制胶囊套，采用高强度钢材制作，掺入混凝土后能够提高混凝土的抗拉和抗冲击性能；胶囊尺寸与粗骨料粒径相似，具体尺寸根据到混凝土试件尺寸与骨料粒径大小进行调整；
b.填充环形陶瓷，将地质聚合物胶凝材料填充到第一腔内和反应激发剂填充到第二腔内；通过设置隔板将第一腔内和第二腔内形成独立的空间；
c.组装成型，将环形陶瓷内径制成成与钢制胶囊壁的内径尺寸一样，设置在容纳腔内紧固，即可得胶囊成品。
于本发明的一个或多个实施例中，所述胶囊长度20-25mm；囊壁厚度1.0-1.5mm；胶囊内径为5-10mm；所述环形陶瓷厚0.3-0.4mm，直径2-3mm。
于本发明的一个或多个实施例中，所述胶囊拌入到在混凝土内部，分布密度约1个/150cm3。
于本发明的一个或多个实施例中，所述胶囊加入混凝土中的方法包括：先在搅拌完成后振捣过程中将胶囊群加入；再把胶囊群使用水溶性粘合剂将多个胶囊粘结在一起增加整体胶囊群体的净强度，以抵抗由于振捣过程中粗骨料挤压产生的力，从而减小在浇筑过程中胶囊的损坏比例；然后水溶性粘合剂与新拌合的混凝土内部的水接触溶解，胶囊可稳定分散在混凝土中。
本发明同背景技术相比存在的效果是：采用上述的技术方案，通过胶凝材料经激发剂催化聚合反应后可在短时间内固化，并且伴有高流动性可沿着内部裂纹流出，从而修复裂纹。
(1)利用沸石粉在反应体系中起到晶种的作用，控制晶种尺寸从而控制结晶速率，减少活性物缩聚反应需要的能量，并且能够优化混凝土内部的结晶结构，显著提高早期力学性能；
(2)利用了地质聚合物中胶凝材料含有碱性溶液，可以不需通过其他预处理手段即可去除橡胶颗粒表面的硬脂酸锌，从而提高橡胶颗粒在混凝土中的界面性能，在宏观上提高材料强度，最大程度发挥了橡胶增韧减脆的优势；
(3)通过MgO粉末对地质聚合物进行收缩补偿，主要机理是利用MgO粉末在地质聚合物发生聚合反应过程中同时生成Mg(OH)2与水化硅酸钙等产物填充内部孔隙抑制修复材料在固化时的收缩行为；
(4)快速固化，修复材料反应固化后1天即可达到30MPa的抗压强度。当然，含有该胶囊的混凝土构件在产生裂纹后，同时存在外界水流入内部(如地下水、雨水等)，可进一步加速反应速率，加快修复速率，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明一个实施例中绿色自发愈合混凝土胶囊的展开结构示意图；
图2为图1中沿a-a线剖面的绿色自发愈合混凝土胶囊结构示意图；
图3为图2中沿b-b线剖面的绿色自发愈合混凝土胶囊结构示意图；
本领域的技术人员可以从附图中所示出形状、构造并理解得出的方案，附图的各种部件不一定是按比例的，并且附图的各种部件和元件的尺寸可以进行放大或缩小，从而更清楚地说明本文描述的本发明的实施方案。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
附图中所显示的方位不能理解为限制本发明的具体保护范围，仅供较佳实施例的参考理解，可以图中所示的产品部件进行位置的变化或数量增加或结构简化。
说明书中所述的“连接”及附图中所示出的部件相互“连接”关系，可以理解为固定地连接或可拆卸连接或形成一体的连接；可以是直接相连或通过中间媒介相连，本领域普通技术人员可以根据具体情况理解连接关系而可以得出螺接或铆接或焊接或卡接或嵌接等方式以适宜的方式进行不同实施方式替用。
说明书中所述的上、下、左、右、顶、底等方位词及附图中所示出方位，各部件可直接接触或通过它们之间的另外特征接触；如在上方可以为正上方和斜上方，或它仅表示高于其他物；其他方位也可作类推理解。下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。
以下参考图1-3来描述具体的施例，然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的，本实施例提供一种绿色自发愈合混凝土胶囊，它包括钢制胶囊套1、环形陶瓷2、凸块3、地质聚合物胶凝材料4、反应激发剂5和隔板6，其中，钢制胶囊套1具有容纳腔；环形陶瓷2紧置于所述容纳腔中从而使钢制胶囊套对称设置，所述钢制胶囊套之间形成间距槽，所述间距槽内的所述环形陶瓷表面或钢制胶囊套表面设有凸块3，并借助于凸块3以使钢制胶囊在混凝土形成稳固状态，以增强胶囊和混凝土之间的咬合力；所述环形陶瓷2具有第一腔和第二腔，第一腔和第二腔借助于隔板6分离；所述第一腔内置地质聚合物胶凝材料4，所述第二腔内置反应激发剂5；
当混凝土产生裂缝时，环形陶瓷2受到外力作用发生破坏，隔板6也随之产生位移或者破坏，使第一腔和第二腔内的地质聚合物胶凝材料和反应激发剂混合在一起发生反应，从而形成固化进而修补裂缝。
所述地质聚合物胶凝材料4包括S95级高炉矿渣、II级粉煤灰、沸石粉和硅灰混合物，在胶囊破裂后与反应激发剂混合。
每100份地质聚合物胶凝材料含有70～80份高炉矿渣、10～15份粉煤灰、5～8份硅灰和5～8份沸石粉组成。
所述反应激发剂包括固体氢氧化钠、硅酸钠和碳酸钠粉末混合而成的复合粉末。每100份质量的反应激发剂含有10～15份固体氢氧化钠、85～90份模数1.0～2.0的硅酸钠和碳酸钠粉末。
每100份质量的反应激发剂包含2～4份氧化镁粉末，其中，氧化镁粉末活性为60秒和220秒的搭配，活性搭配比例为1：1。
本发明还提供一种绿色自发愈合混凝土胶囊的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.制作钢制胶囊套，采用高强度钢材制作，掺入混凝土后能够提高混凝土的抗拉和抗冲击性能；胶囊尺寸与粗骨料粒径相似，具体尺寸根据到混凝土试件尺寸与骨料粒径大小进行调整；
b.填充环形陶瓷，将地质聚合物胶凝材料填充到第一腔内和反应激发剂填充到第二腔内；通过设置隔板将第一腔内和第二腔内形成独立的空间；
c.组装成型，将环形陶瓷内径制成成与钢制胶囊壁的内径尺寸一样，设置在容纳腔内紧固，即可得胶囊成品。
上述具体制作参数可以参考如下：胶囊长度20-25mm；囊壁厚度1.0-1.5mm；胶囊内径为5-10mm；所述环形陶瓷厚0.3-0.4mm，直径2-3mm。所述胶囊拌入到在混凝土内部，分布密度约1个/150cm3。
进一步地详细说明各部分的具体实施例及原理：钢制胶囊采用高强度钢材制作，掺入混凝土后能够提高混凝土的抗拉和抗冲击性能。胶囊尺寸与粗骨料粒径相似，具体尺寸受到混凝土试件尺寸与骨料粒径大小影响，优选尺寸为：胶囊长度20-25mm；囊壁厚度1.0-1.5mm；胶囊内径为5-10mm，。胶囊在混凝土内部的分布密度约1个/150cm3。
环形陶瓷2的参数：环形陶瓷厚0.3-0.4mm，直径2-3mm，内径与钢制胶囊壁的内径尺寸一样，设置在胶囊中部的凹槽内，其厚度适当，在混凝土产生裂缝时能及时破损，使囊内愈合剂能够流出，快速修补裂缝。陶瓷材料对温度敏感性不高，不会由于水泥硬化产生的水化热使其破坏。通过设置凸块，使钢制胶囊在混凝土中更加的稳定，增强胶囊和混凝土之间的咬合力。
地质聚合物胶凝材料主要成分为S95级高炉矿渣、II级粉煤灰、沸石粉、硅灰混合物，在胶囊破裂后与反应激发剂混合。每100份胶凝材料含有70～80份高炉矿渣、10～15份粉煤灰、5～8份硅灰和5～8份沸石粉组成。
反应激发剂起到使地质聚合物发生聚合反应的作用，由固体氢氧化钠、硅酸钠和碳酸钠粉末混合而成的复合粉末。其中，每100份质量的复合粉末含有10～15份固体氢氧化钠、85～90份模数1.0～2.0的硅酸钠和碳酸钠粉末。为了降低地质聚合物固化后的收缩率提高修复质量，每100份复合粉末需要额外添加2～4份氧化镁粉末，其中氧化镁活性为60秒和220秒的搭配，活性搭配比例为1：1。
隔板设置在与凹槽对应的位置，将胶囊内腔分为两个部分，一个用来放置地质聚合物胶凝材料，另一个存放反应激发剂，当混凝土产生裂缝时，环形陶瓷受到外力作用发生破坏，隔板也随之产生位移或者破坏，使两个腔室中的材料混合在一起反应，树脂固化进而修补裂缝。
进一步地，先在搅拌完成后振捣过程中将胶囊群加入；再把胶囊群使用水溶性粘合剂将多个胶囊粘结在一起增加整体胶囊群体的净强度，以抵抗由于振捣过程中粗骨料挤压产生的力，从而减小在浇筑过程中胶囊的损坏比例；然后水溶性粘合剂与新拌合的混凝土内部的水接触溶解，胶囊可稳定分散在混凝土中。
本发明中愈合剂的主要胶凝材料经激发剂催化聚合反应后可在短时间内固化，并且伴有高流动性可沿着内部裂纹流出，从而修复裂纹，其主要原理是：利用沸石粉在反应体系中起到晶种的作用，控制晶种尺寸从而控制结晶速率，减少活性物缩聚反应需要的能量，并且能够优化混凝土内部的结晶结构，显著提高早期力学性能；利用了地质聚合物中胶凝材料含有碱性溶液，可以不需通过其他预处理手段即可去除橡胶颗粒表面的硬脂酸锌，从而提高橡胶颗粒在混凝土中的界面性能，在宏观上提高材料强度，最大程度发挥了橡胶增韧减脆的优势；通过MgO粉末对地质聚合物进行收缩补偿，主要机理是利用MgO粉末在地质聚合物发生聚合反应过程中同时生成Mg(OH)2与水化硅酸钙等产物填充内部孔隙抑制修复材料在固化时的收缩行为；修复材料反应固化后1天即可达到30MPa的抗压强度。实际使用环境中，含有该胶囊的混凝土构件在产生裂纹后，同时存在外界水流入内部(如地下水、雨水等)，可进一步加速反应速率，加快修复速率，具有广泛的适用性。
实施时，在新拌混凝土振捣过程中加入。胶囊中间部分使用陶瓷材料的钢制胶囊来存放愈合剂成分，当混凝土变形产生裂缝时，中间陶瓷材料受到应力作用从而发生破坏，导致愈合剂沿着内部裂纹流出。其愈合剂大部分为废弃物再生的绿色材料，并且愈合剂自身具有硬化时间短同时兼有流动性大的优点，硬化后早期强度高，最终使得该自愈合胶囊的修复效率高。
为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节，以便实践所述实施方案。所属技术领域的技术人员应当理解，而本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，应由各权利要求限定之。
Claims (10)
1.一种绿色自发愈合混凝土胶囊，其特征在于，它包括：
钢制胶囊套，它们具有容纳腔；
环形陶瓷，其紧置于所述容纳腔中从而使钢制胶囊套对称设置，所述钢制胶囊套之间形成间距槽，所述间距槽内的所述环形陶瓷表面或钢制胶囊套表面设有凸块，并借助于凸块以使钢制胶囊在混凝土形成稳固状态，以增强胶囊和混凝土之间的咬合力；
所述环形陶瓷具有第一腔和第二腔，第一腔和第二腔借助于隔板分离；所述第一腔内置地质聚合物胶凝材料，所述第二腔内置反应激发剂；
当混凝土产生裂缝时，环形陶瓷受到外力作用发生破坏，隔板也随之产生位移或者破坏，使第一腔和第二腔内的地质聚合物胶凝材料和反应激发剂混合在一起发生反应，从而形成固化进而修补裂缝。
2.根据权利要求1所述的绿色自发愈合混凝土胶囊，其特征在于，所述地质聚合物胶凝材料包括S95级高炉矿渣、II级粉煤灰、沸石粉和硅灰混合物，在胶囊破裂后与反应激发剂混合。
3.根据权利要求2所述的绿色自发愈合混凝土胶囊，其特征在于，每100份地质聚合物胶凝材料含有70～80份高炉矿渣、10～15份粉煤灰、5～8份硅灰和5～8份沸石粉组成。
4.根据权利要求3所述的绿色自发愈合混凝土胶囊，其特征在于，所述反应激发剂包括固体氢氧化钠、硅酸钠和碳酸钠粉末混合而成的复合粉末。
5.根据权利要求4所述的绿色自发愈合混凝土胶囊，其特征在于，每100份质量的反应激发剂含有10～15份固体氢氧化钠、85～90份模数1.0～2.0的硅酸钠和碳酸钠粉末。
6.根据权利要求5所述的绿色自发愈合混凝土胶囊，其特征在于：每100份质量的反应激发剂包含2～4份氧化镁粉末，其中，氧化镁粉末活性为60秒和220秒的搭配，活性搭配比例为1：1。
7.一种制作权利要求1-6任一项所述绿色自发愈合混凝土胶囊的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.制作钢制胶囊套，采用高强度钢材制作，掺入混凝土后能够提高混凝土的抗拉和抗冲击性能；胶囊尺寸与粗骨料粒径相似，具体尺寸根据到混凝土试件尺寸与骨料粒径大小进行调整；
b.填充环形陶瓷，将地质聚合物胶凝材料填充到第一腔内和反应激发剂填充到第二腔内；通过设置隔板将第一腔内和第二腔内形成独立的空间；
c.组装成型，将环形陶瓷内径制成成与钢制胶囊壁的内径尺寸一样，设置在容纳腔内紧固，即可得胶囊成品。
8.根据权利要求7所述的绿色自发愈合混凝土胶囊的制作方法，其特征在于：所述胶囊长度20-25mm；囊壁厚度1.0-1.5mm；胶囊内径为5-10mm；所述环形陶瓷厚0.3-0.4mm，直径2-3mm。
9.根据权利要求8所述的绿色自发愈合混凝土胶囊的制作方法，其特征在于：所述胶囊拌入到在混凝土内部，分布密度约1个/150cm3。
10.根据权利要求9所述的绿色自发愈合混凝土胶囊的制作方法，其特征在于：所述胶囊加入混凝土中的方法包括：先在搅拌完成后振捣过程中将胶囊群加入；再把胶囊群使用水溶性粘合剂将多个胶囊粘结在一起增加整体胶囊群体的净强度，以抵抗由于振捣过程中粗骨料挤压产生的力，从而减小在浇筑过程中胶囊的损坏比例；然后水溶性粘合剂与新拌合的混凝土内部的水接触溶解，胶囊可稳定分散在混凝土中。
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