随着交通战略的实施与城镇化的发展,未来几年我国将有大量的海底隧道投入运营,成为海底隧道运营大国。然而,无限海水覆盖的天然条件、海下发育的复杂地质、服役承受的恶劣环境,以及隧道结构的差异性决定了运营期海底隧道面临着多类型、高频次的风险灾害,其灾害防控已成为保障隧道长期服役安全的严峻挑战。因此,为了保障海底隧道长期服役安全,从结构修复新材料的角度出发,研发具有自修复功能的新型柔性材料,对于延长隧道运维周期,一定程度地解决隧道反复修、反复坏的问题,具有重要的理论与实践价值。隧道结构破坏、施工缝张裂具有缓慢持续的特点,柔性修复与自修复是今后的主要发展方向和研究热点,也是海底隧道运营维护的迫切需求。本文从柔性基体材料和微胶囊修复体系两方面出发,研发了隧道柔性自修复材料,分析了其性能特征与影响因素,揭示了其自修复机理。1.柔性基体材料研发:利用碳酸钙晶须、碳纳米管、丁苯乳液共同提高了水泥基材料的柔韧性能,设立三因素四水平的正交试验。开展了碳纳米管的分散性试验、配制了人工海水。通过正交试验的级差分析与方差分析研究了不同影响因素对材料性能的影响规律,最后通过矩阵分析法确定了柔性基体材料的最佳配比,最佳配比为掺加3%的碳酸钙晶须、0.2%的碳纳米管和10%的丁苯乳液。2.自修复微胶囊研发:通过原位聚合法合成了微胶囊,以甲醛、尿素、三乙醇胺聚合的脲醛树脂为囊壁,包裹着环氧树脂与稀释剂混合溶液的囊芯。甲醛与尿素的摩尔比为1.5:1、环氧树脂与稀释剂的质量比为100:17.5、乳化阶段的适宜温度为50℃,酸化终点pH适宜为2,固化阶段的适宜温度为60℃。以不同芯壁比、不同搅拌速度和不同反应温度设立三因素三水平正交试验,研究其对微胶囊的粒径、产率、芯材含量和微观形貌的影响规律。结果证明,在芯壁比=1:1时,反应温度为50℃、搅拌速率在600rpm时,微胶囊的性能达到最佳。3.微胶囊柔性自修复材料性能分析:将自修复微胶囊掺入柔性基体中,制备柔性自修复材料,微胶囊掺量为0%、1%、3%、5%。研究表明微胶囊在水泥基体中分散良好,可以稳定存在。通过柔性自修复材料的力学强度试验与孔隙率试验,证明微胶囊掺入后会对材料的抗压强度、抗折强度均造成不利影响。主要原因是微胶囊掺入后会导致材料的孔隙率提高,且主要是增加了0.1～100μm的大孔的体积。通过Balshin方程研究了材料的抗压强度和孔隙率之间的联系,认为同一材料的抗压强度可以利用孔隙率大致表征。4.微胶囊柔性基体自修复机理:对材料的自修复性能展开了研究。首先对不同掺量的微胶囊进行前期预损伤、预损伤程度为0%、30%、60%、90%。研究了微胶囊掺量和预损伤程度对力学性能、强度恢复率、吸水率、孔隙率的影响。预损伤后材料的抗压强度和孔隙率仍然存在一定的联系,但相关性小于未损伤时。微胶囊掺入会使得宏观裂纹修复,根据EDS分析证明修复物质是固化后的环氧树脂。通过SEM和EDS分析证明裂纹中除了固化后的环氧树脂外,还存在着化学结晶沉淀作用产生的碳酸钙。