论文总字数：24316字

摘 要

混凝土在服役过程中难免会出现开裂等情况，一旦出现开裂，很多有害离子便能在水分的携带作用下通过裂缝快速进入混凝土内部，破坏内部钢筋结构，降低其耐久性，然而传统的人工修补方式施工复杂且费用高，为了降低修复成本，提高混凝土的自修复能力十分必要，同时，有害离子大多以水为载体进入混凝土内部，研究混凝土的水分传输行为意义重大。络合剂作为结晶型外加剂的一种，能显著提高混凝土的自愈合能力，因此本文采用添加络合剂和偏高岭土的方式来提高混凝土自修复能力，进而开展混凝土微结构与水分传输性能研究。

本文首先介绍了混凝土自修复机制的研究现状，然后对与本文拟研究内容相关数据资料进行了详细的分析总结，最后对本文所研究的络合剂、偏高岭土及饱和度对混凝土微结构与水分传输进行了预测分析。主要预测结论如下：

（1）预测掺入不同含量偏高岭土制备的混凝土，其致密性和强度会有所不同，当偏高岭土含量较少时，混凝土致密性和强度随着偏高岭土掺入量的增加而逐渐提高，当偏高岭土含量较多时，混凝土致密性和强度随着偏高岭土掺入量的增加出现下降趋势，预计偏高岭土掺量在15%左右最为合理。合理掺量的偏高岭土能显著改善混凝土微结构的密实性，进而延缓混凝土中水分的传输。

（2）预测加入不同掺量离子络合剂制备的混凝土，其自修复效果和水分传输能力不同。当加入的离子络合剂较少时，混凝土自修复效果随着络合剂的增加而变好，当离子络合剂较多时，自修复能力下降，预计离子络合剂掺量在0.50%左右时自修复效果最好，此时较大裂缝能快速修复，强度得到恢复，混凝土内部修复更加致密以后水分渗透能力减弱。

（3）预测不同饱和度条件下，混凝土水分传输性能不同，饱和度越大时，混凝土越难吸水，水分传输能力越弱。络合型自修复混凝土因其内部更加致密，水分传输速率明显低于普通混凝土。

关键词：混凝土；自修复；络合剂；偏高岭土；水分传输

Abstract

It is inevitable that concrete will crack in the service process. Once cracks occur, many harmful ions can enter the concrete rapidly through cracks under the action of water carrying, damaging the internal reinforcement structure and reducing its durability. However, the traditional manual repair method is complex and expensive. In order to reduce the repair cost and improve the self repair ability of concrete, it is very important to It is necessary, at the same time, most of the harmful ions enter the concrete with water as the carrier, so it is of great significance to study the water transport behavior of concrete. As one of the crystalline admixtures, ion chelator can significantly improve the self-healing capacity of concrete.

Therefore, this paper adopts the way of adding ion chelator and metakaolin to improve the self-healing capacity of concrete, and then carries out the research on the microstructure and water transfer performance of concrete. In this paper, the research status of concrete self-healing mechanism is introduced in detail, and the data related to the content of this paper are analyzed and summarized. Finally, the ion chelator, metakaolin and saturation studied in this paper are predicted and analyzed for concrete microstructure and water transfer. The main prediction conclusions are as follows:

(1) It is predicted that the density and strength of concrete prepared with different content of metakaolin will be different. When the content of metakaolin is less, the density and strength of concrete will gradually increase with the increase of metakaolin content. When the content of metakaolin is more, the density and strength of concrete will appear with the increase of metakaolin content It is predicted that 15% of metakaolin is the most reasonable. The proper amount of metakaolin can significantly improve the compactness of concrete microstructure, and then delay the transmission of water in concrete.

(2) It is predicted that the self-healing effect and water transfer capacity of concrete prepared by adding different amount of ion chelator are different. When less ionic ion chelator is added, the self-healing effect of concrete will become better with the increase of ion chelator. When there are more ion chelators, the self-healing ability will decrease. It is predicted that the self-healing effect will be the best when the content of ionic ion chelator is about 0.50%. At this time, the larger cracks can be quickly repaired, the strength will be restored, and the water permeability will be weakened after the internal repair of concrete becomes more compact.

(3) It is predicted that under different saturation conditions, the water transfer performance of concrete is different. The higher the saturation is, the more difficult the concrete is to absorb water, and the weaker the water transfer capacity is. Because of its denser interior, the moisture transfer rate of the self repairing concrete is obviously lower than that of the ordinary concrete.

Key words: concrete; self-healing; ion chelator; metakaolin; water transfer;

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2自修复混凝土研究现状 2

1.2.1混凝土本征自愈合 2

1.2.2基于矿物外加剂的自修复 2

1.2.3基于微生物的自修复 3

1.2.4基于微胶囊的自修复 3

1.2.5基于络合剂的自修复 4

1.3混凝土水分传输研究现状 5

1.3.1水分传输过程 6

1.3.2水分传输表征方法 6

1.4研究目的与意义 7

1.5研究内容 8

1.6本文研究情况说明 8

第2章 相关研究工作介绍 9

2.1偏高岭土对混凝土微结构的影响 9

2.1.1原材料 9

2.1.2试样制备及养护 9

2.1.3结果与分析 9

2.2络合剂对裂缝自修复效果与水分传输 11

2.2.1原材料 11

2.2.2试样制备及养护 11

2.2.3结果与分析 12

2.3.饱和度对水分传输性能影响 18

2.3.1原材料及设备 18

2.3.2试样制备及养护 19

2.3.3结果与分析 19

第3章 本文研究结果预测分析 24

3.1技术路线 24

3.1.1制作不同偏高岭土掺量混凝土 24

3.1.2制作不同掺量离子络合剂混凝土 24

3.1.3制作不同饱和度混凝土 24

3.2 预期结果与分析 25

3.2.1偏高岭土对混凝土微结构和水分传输影响影响 25

3.2.2络合剂对混凝土裂缝自愈合以及水分传输性能影响 26

3.2.3饱和度对水分传输性能影响 26

第4章 预期结论 27

参考文献 28

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景

混凝土具有抗压强度高、成本低、施工方便等优点，是应用最广泛的建筑材料。然而，混凝土的抗拉强度有限，它在服役过程中容易因为结构荷载过大、塑性变形和干燥收缩以及热效应等原因形成裂纹^[1]。裂缝产生以后，侵蚀性液体和气体渗入基体，对内部的水泥浆和钢筋造成进一步破坏，降低了混凝土结构的性能，从而影响混凝土结构的耐久性。

混凝土结构耐久性下降，使得房屋，公路，桥梁等混凝土建筑使用年限大幅下降，尤其是桥梁，桥墩有一部分在水中浸泡，一旦出现裂缝，水中有害物质将会侵入，劣化过程将会加速，严重影响桥梁安全性能。为了尽量减少恶化，必须得经常检查和维护，通常需要耗费大量人力和时间^[2]，因此，检查和维护无论是对私人还是公共行政部门来说都是一项巨大的成本。好多年前，就有人曾作过推算^[3]，如果把我国现有建筑物的使用寿命延长一年，相当于新建房屋上亿平方米，或相当于创造几百亿的投资。近几年，混凝土建筑数量迅猛增加，如果寿命增加一年所带来的经济效益将更加不可估量。由此可见，进行混凝土耐久性研究能带来巨大的经济效益和深远意义。为了降低这些成本，通过延长结构的使用寿命来提高其经济可持续性是建筑业面临的首要问题之一。传统的提高混凝土耐久性的方法包括：（1）选择合适的水泥品种；（2）控制混凝土水灰比；（3）改变混凝土保护层及表面涂层；（4）添加钢筋阻锈剂；（5）采用阴极保护法等。这些方法在钢筋混凝土结构不出现损伤及开裂的前提下均能起到较好的防护效果。但这些方法也只能是延缓混凝土失效，而且一旦混凝土出现裂缝等结构损伤，有害物质侵入以后，这些防护便起不了很大作用了。正如自然界的动植物一样，混凝土也存在着基于未水化颗粒的继续水化作用及氢氧化钙碳化作用的自体愈合现象，因此，胶凝材料的自愈特性越来越得到世界各国研究学者的关注^[4]。裂缝的自愈合阻断了裂缝的通道，从而防止了漏水。恢复混凝土结构的功能。同时，由于自愈而导致的裂纹路径的阻塞抑制了侵蚀性离子的进入，从而延长了混凝土结构的使用寿命^[5]。然而，无论是混凝土劣化过程，还是混凝土裂缝自修复，水都是重要的参与者，在混凝土出现裂缝时，水成为有害物质的传输载体，在混凝土自修复时，水也是水化反应的反应物^[6]，而且现在混凝土在水中，甚至是海洋中的运用也越来越广泛，研究水分传输也成为混凝土研究热门。

1.2自修复混凝土研究现状

1.2.1混凝土本征自愈合

众所周知，混凝土置于野外环境下能够自身发生水化反应，生成的水化产物能自动修补微小裂缝，从而提升强度。早在1925年Abram发现测完28d抗压强度的损伤混凝土试件置于户外环境8年后，抗压强度提高至28d的两倍多，至此首次发现混凝土的自修复现象^[7]。之后挪威的 Stefan将遭受冻融损伤的混凝土放在水中2~3个月，发现混凝土抗压强度出现 4%~5%的恢复^[8]。日本Nobuaki和美国Ryu采用电化学技术研究了钢筋混凝土裂缝的愈合，发现裂缝有部分愈合并且渗透性降低^[9]。在那之后，挪威学者Stefan Jacobsen 也在他的“冻伤水泥-泡水恢复”实验中发现了水泥基材料的自修复现象，经过这样处理的混凝土抗压强度能恢复4~5%。Hannant^[10]将制好的开裂模板在暴露于自然风化和室内储存长达2年的时间后，对预开裂的纤维增强砂浆样品施加拉伸应力的效果进行检查。结果表明，在自然风化条件下，裂纹将充分愈合，以恢复复合材料的原始刚度，愈合后的裂纹表面也可承受相当大的拉应力。随着研究的深入，大家发现混凝土裂缝自身愈合效率是特别低的，一般都是经过好多年才能实现一定自愈合，而且只能修复较小裂缝，但如果让其自身修复的话，有害离子早已经进入混凝土内部，将内部基体和钢筋破坏，为了避免长时间修复而导致大量有害离子进入，因此提出裂缝不能单纯依靠其自身修复，人们开始寻找更加有效的修复方式。

1.2.2基于矿物外加剂的自修复

为了应对混凝土在各种情况下出现裂缝，在生产混凝土时也添加了不同的矿物添加剂。例如，在混凝土硬化过程中，用膨胀剂补偿体积收缩，减少混凝土的微裂纹和宏观裂纹。此外，利用粉煤灰和磨细的脉石降低了混凝土的水化热，生成了二次水化晶体，堵塞了混凝土的孔隙和裂缝。虽然这些方法不能完全避免混凝土中孔隙和裂缝的形成，但对裂缝修补却起到很积极的作用^[11]。因此，不能忽视矿物添加剂对混凝土的作用，而且它在混凝土中占很大比例。一般情况下矿物掺合料的掺量为总胶凝材料的20%~70%。因为很多矿物添加剂本身具有好的活性效应、填充效应和微集料效应，掺入混凝土后可改善混凝土微结构，从而提高混凝土的耐久性、抗渗性。矿物细掺料中含有活性的Al₂O₃和SiO₂,与水泥中的石膏和水泥水化生成的Ca(OH)₂发生反应，生成的C-S-H凝胶可改善混凝土中孔溶液的离子浓度，二次水化生成C-S-H凝胶可提高对氯离子物理吸附和化学结合。水化产物填充在空隙中，将水泥浆体中的连通孔堵住可降低水泥中的孔隙率，可阻止离子进入，进一步改变氯离子渗透性以及耐久性^[12]。早些年，中国对偏高岭土作为混凝土外加剂的研究主要集中在对力学性能的改良方面，而对于抗渗性能的改良研究还存在较大空白。但混凝土抗渗性的增强可以使得混凝土在城市地下工程、水利工程及路基处理等对防渗抗渗有一定要求的工程中有较大的优势。这样可以使得水泥土的应用范围更加广泛，同时也为更好地解决一些工程问题提供帮助。近年来，人们对在混凝土中使用偏高岭土作为水泥的部分替代物或添加剂越来越感兴趣。由于其高火山灰活性，偏高岭土的加入极大地改善了混凝土的力学和耐久性，其中水泥部分被偏高岭土替代。发现含偏高岭土的混凝土的相对强度随着养护时间的增加而增加。杨敏毅,曾俊杰等人^[13]研究了含偏高岭土混凝土的全浸吸水率和毛细上升吸水率。水泥被部分替换为高达20%的偏高岭土。结果表明，偏高岭土的存在极大地减少毛细吸收，避免有害离子随水分进入对混凝土侵蚀。随着混凝土中偏高岭土含量的增加，毛细作用引起的吸收系统地减少。毛细吸收的减少说明其随着水化反应进行，缝隙得到一定的修补，混凝土内部结构更加致密，水分很难再渗透进去。

1.2.3基于微生物的自修复

基于微生物的自修复技术是利用微生物的代谢作用促进碳酸钙沉积来实现裂缝自修复^[14,15]。在1990年，Gollapudi^[16]等首次提出可以利用微生物的代谢作用，诱导生成碳酸钙沉淀，进而修复裂缝，并且不同的微生物可以通过不同的代谢过程诱导生成碳酸钙沉淀；另外，好氧微生物有氧呼吸生成二氧化碳会与水泥水化产物氢氧化钙反应，从而降低了混凝土的碱度对钢筋防护不利，这个过程同时也消耗了氧气和少量水分对钢筋防护有利。然而，利用细菌来修复混凝土中的裂缝，还需要解决一些技术问题，因为微生物的加入会降低水泥基体的强度，导致这些技术在重大工程中难以应用^[17]。

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