微膠囊自修復(fù)水泥基材料低溫性能研究

摘""""" 要：采用環(huán)氧樹脂（E-51）和膨脹硅酸鹽水泥為芯材、乙基纖維素為壁材，利用物理法制備自修復(fù)微膠囊。探究不同摻量下微膠囊對(duì)水泥基體強(qiáng)度的影響；研究水泥砂漿在不同修復(fù)齡期及溫度下的自修復(fù)性能；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著微膠囊摻量的增加，水泥砂漿抗壓抗折強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。在早期修復(fù)齡期下，低溫下的強(qiáng)度修復(fù)率低于常溫環(huán)境下。3%摻量微膠囊在低溫環(huán)境下有較好修復(fù)效果。

關(guān)" 鍵" 詞：微膠囊；自修復(fù)；砂漿；低溫

中圖分類號(hào)：TU528"""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號(hào)：1004-0935（2024）11-1702-04

混凝土材料是當(dāng)今運(yùn)用最為廣泛的建筑材料。在寒冷地區(qū)的凍融循環(huán)中，由于滲透壓、溫度應(yīng)力疲勞破壞和孔隙水的膨脹破壞，非常容易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)內(nèi)部開裂和表面剝落現(xiàn)象^[1-3]。同時(shí)在長(zhǎng)期的服役過程中受到外部荷載及環(huán)境的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些局部損傷和微裂縫。雖然混凝土材料通過自身水化作用及碳化作用對(duì)微裂縫有一定的自修復(fù)能力，但其效果極其微弱且耗時(shí)較長(zhǎng)，特別是對(duì)于較寬的裂縫，其在工程中的作用幾乎可以忽略掉^[4-7]。傳統(tǒng)裂縫修復(fù)方法通常采取加固、灌漿、填充等人工修復(fù)的方法。其效率低、成本高，無法對(duì)微裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)。為此，研究人員提出了具有仿生學(xué)特征的自修復(fù)混凝土技術(shù)來解決裂縫開裂問題^[8-10]。目前主要包括結(jié)晶沉淀法、微膠囊法、微生物法、SMA法及液芯光纖/纖維法^[11-12]。

微膠囊法主要原理是將含有修復(fù)劑的微膠囊預(yù)先埋入水泥基體中，并在其中摻入催化劑。當(dāng)基體材料被損傷產(chǎn)生微裂紋時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力使分散在水泥基體中的微膠囊破裂從而釋放修復(fù)劑，并與固化劑相結(jié)合引發(fā)聚合反應(yīng)，從而修補(bǔ)裂紋^[13-15]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于微膠囊自修復(fù)水泥基材料的自修復(fù)性能，尤其是不同低溫環(huán)境、不同開裂齡期下的強(qiáng)度修復(fù)研究較少。本文選取環(huán)氧樹脂（E-51）及膨脹硅酸鹽水泥形成雙組分修復(fù)體系，乙基纖維素作為囊壁材料。采用擠出滾圓法制備不同粒徑的自修復(fù)微膠囊。探究微膠囊摻量對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度及自修復(fù)性能的影響，最終驗(yàn)證該微膠囊應(yīng)用于低溫自修復(fù)混凝土的可行性。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 原材料

微膠囊合成所需原材料： 環(huán)氧樹脂E51、BGE稀釋劑、明膠、膨脹硅酸鹽水泥、微晶纖維素、羧丙甲基纖維素、吐溫80、乙基纖維素溶液。

實(shí)驗(yàn)所用水泥為P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。砂為天然河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.7。催化劑為T31環(huán)氧樹脂固化劑。

1.2" 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1" 自修復(fù)微膠囊的制備

首先將稀釋后的環(huán)氧樹脂加入明膠溶液中并攪拌均勻，之后采用凝固法使環(huán)氧樹脂溶液在低溫下形成固態(tài)，再將其研磨成粉末狀顆粒。采用擠出滾圓機(jī)將環(huán)氧樹脂顆粒、微晶纖維素、膨脹硅酸鹽水泥及羧丙甲基纖維素混合均勻，將吐溫80加入少量的水混合后倒入原材料混合物中。攪拌完成后將制備好的濕料放入擠壓系統(tǒng)中，采用擠出滾圓的方式制造囊芯顆粒。在滾圓過程中將配置好的乙基纖維素溶液噴灑于囊芯材料上。經(jīng)過鼓風(fēng)干燥后，使膠囊間彼此分散。最后通過14目（1 180 μm）及12目

（1 400 μm）的篩網(wǎng)選出粒徑為1.4～1.7 mm的微膠囊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2" 水泥砂漿試件的制備

砂漿試樣的制備與養(yǎng)護(hù)：參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行砂漿試件的制備。砂漿配合質(zhì)量比為水∶水泥∶砂=1∶2∶6。微膠囊摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別按水泥質(zhì)量的3%、6%、9%添加，微膠囊與固化劑的質(zhì)量比為2∶1。稱取相應(yīng)質(zhì)量的原材料攪拌均勻后放入尺寸為40 mm×

40 mm×160 mm的三聯(lián)模具中，并采用振動(dòng)臺(tái)振搗均勻。最后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

試件預(yù)損傷：首先將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的水泥砂漿試塊置于抗壓抗折一體化實(shí)驗(yàn)機(jī)下測(cè)試其初始抗壓強(qiáng)度，作為砂漿抗壓強(qiáng)度修復(fù)效果的初始指標(biāo)。隨后將需預(yù)損傷的試件以2.4 kN·s^-1的速度加載至原始強(qiáng)度的70%后停止加載并維持90 s恒載。最后將預(yù)損傷后的試件置于不同溫度下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，試件每隔3 d進(jìn)行24 h浸水處理。

1.2.3" 微膠囊對(duì)水泥砂漿初始強(qiáng)度的影響

依據(jù)GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》對(duì)砂漿試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度測(cè)試。

1.2.4" 微膠囊對(duì)水泥砂漿自修復(fù)性能的影響

以砂漿試件的抗壓強(qiáng)度修復(fù)率<！--[if gte vml 1]>

o：href=\"file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml17572＼wps21.jpg\"/>

<！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->評(píng)價(jià)微膠囊對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的修復(fù)效果，計(jì)算公式見（1）。

式中：η — 抗壓強(qiáng)度修復(fù)率，%；

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o：href=\"file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml17572＼wps23.jpg\"/>

<！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->"— 損傷未修復(fù)抗壓強(qiáng)度，MPa；

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o：href=\"file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml17572＼wps24.jpg\"/>

<！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->"— 修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 微膠囊摻入對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響

圖1、圖2為不同微膠囊摻量下水泥砂漿試件抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期變化圖。

可以看出隨著微膠囊摻量的不斷增加，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，特別是在高摻量下其對(duì)砂漿試塊強(qiáng)度的減弱作用相當(dāng)明顯。

這一方面是因?yàn)殡S著微膠囊摻量的提高，越多的砂被取代，且微膠囊本身力學(xué)性能較低，使得砂漿中的薄弱相增多。另一方面因?yàn)槲⒛z囊及固化劑的摻加，水泥的密度也有部分減少，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。

2.2" 不同溫度及齡期下微膠囊自修復(fù)性能

圖3、4、5分別為4種摻量的微膠囊試塊在經(jīng)過其最大抗壓強(qiáng)度70%預(yù)壓荷載后在不同溫度及齡期下的自修復(fù)情況。

由上圖可以看出，強(qiáng)度修復(fù)率基本隨修復(fù)齡期的增加而線性增加。在-10 ℃與-20 ℃溫度時(shí)，3種摻量微膠囊均表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度修復(fù)效果，同時(shí)強(qiáng)度修復(fù)一直延續(xù)至28 d，所需的修復(fù)齡期較長(zhǎng)。證明了T31固化劑在低溫環(huán)境下也能夠正常固化環(huán)氧樹脂。觀察未摻入微膠囊的對(duì)照組，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度修復(fù)率隨齡期緩慢增加，這也表明了水泥基體通過自身水化作用有一定的自修復(fù)能力。

在-10 ℃修復(fù)環(huán)境下，9%摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)微膠囊在早期便展現(xiàn)出較高的強(qiáng)度修復(fù)率。分析認(rèn)為其在早期修復(fù)過程中發(fā)生了進(jìn)一步水化作用，使其早期修復(fù)率有較大提升。經(jīng)過14 d低溫修復(fù)后，微裂縫處的膨脹水泥遇水膨脹，且環(huán)氧樹脂與固化劑已基本完成開環(huán)聚合反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，二者共同作用下使裂紋逐漸愈合從而提高強(qiáng)度。

在-20 ℃修復(fù)環(huán)境下，3%摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)微膠囊表現(xiàn)出較好的修復(fù)效果?？赡艿脑蚴禽^低摻量下試件強(qiáng)度較高，預(yù)損傷破壞的程度變低，使其本身基體強(qiáng)度未受到較大損傷。

圖6為不同微膠囊摻量水泥砂漿試塊在不同溫度下養(yǎng)護(hù)7 d后的自修復(fù)情況。

從圖6中可以看出，試塊前期強(qiáng)度修復(fù)率基本隨溫度的降低而降低。在20 ℃常溫環(huán)境下。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%、9%的3種微膠囊摻量試件修復(fù)率分別為8.4%、7.8%、12.7%，均高于-20 ℃下的6.3%、4.3%、11.6%。其可能原因是較高溫度下修復(fù)劑在短時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)部分固化。而當(dāng)溫度過低時(shí)，環(huán)氧樹脂固化速度變緩，故低溫修復(fù)環(huán)境下需要更多的修復(fù)時(shí)間。

3" 結(jié)論

1）微膠囊的摻入會(huì)在一定程度上降低水泥砂漿試件的力學(xué)性能。且隨著微膠囊摻量的增加，砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。

2）微膠囊能夠?qū)λ嗌皾{起到自修復(fù)作用。在不同溫度下，強(qiáng)度修復(fù)率基本隨修復(fù)齡期增加而線性增加。在較早齡期，低溫下的修復(fù)率普遍低于常溫環(huán)境。未摻入微膠囊的試樣隨齡期變化也有一定的自修復(fù)效果。

3）綜合對(duì)比不同微膠囊摻量水泥砂漿試件的力學(xué)性能及其在低溫環(huán)境下的修復(fù)狀況，3%微膠囊摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水泥砂漿試件在低溫環(huán)境下的效果最好。

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Study on Low Temperature Properties of Microcapsule

Self-Healing Cement-Based Materials

WANG Jipeng， LI Yao， DU Muzhi

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： Self-healing microcapsules were prepared by physical method using epoxy resin （E-51）， expanded portland cement as core material and ethyl cellulose as wall material. The influence of microcapsules on the strength of cement matrix under different dosage was studied. The self-healing properties of cement mortar at different repair ages and temperatures were studied. The test results showed that the compressive and flexural strength of cement mortar decreased with the increase of microcapsule content. In the early repair age， the strength repair rate at low temperature was lower than that at normal temperature. The sample with 3% microcapsule had good repair effect in low temperature environment.

Key words： Microcapsule; Self-healing; Mortar; Low temperature