力-氯离子复响应微胶囊/水泥基复合材料的制备与自修复性能研究

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混凝土开裂及其内部钢筋的锈蚀是造成混凝土结构耐久性降低的最重要的两个原因,基于仿生学原理的微胶囊自修复技术为提高混凝土结构耐久性、实现自修复提供了新的解决方案。然而传统微胶囊裂纹触发效率低、修复剂与固化剂接触率低等问题难以得到解决,并且对于氯离子造成的钢筋腐蚀问题束手无策。鉴于此,本课题将力-氯离子复响应特性引入双壁微胶囊中,设计并合成了一种力-氯离子复响应微胶囊,并将其应用到水泥基复合材料中,旨在从力学性能和电化学性能两个方面提升水泥基复合材料的耐久性。采用两步界面聚合法,同时将硫酸铅(Pb SO4)作为氯离子触发剂镶嵌于囊壁上,成功地制备了力-氯离子复响应微胶囊,系统性地研究了微胶囊的制备合成工艺技术参数及其对微胶囊的结构与性能的影响,确定最佳的微胶囊制备工艺方法;采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等测试方法对力-氯离子微胶囊的结构与性能进行表征;采用SEM、EDS、力学实验、纳米压痕、数字散斑相关方法(DSCM)等测试手段,从力学性能方面对自修复水泥基复合材料的自修复性能进行了研究;采用动电位极化、交流阻抗谱测试方法从电化学性能角度研究了自修复水泥基复合材料的自修复性能,并建立自修复过程的电化学模型。研究结果表明,以最佳工艺合成的力-氯离子复响应微胶囊具有良好的形态,平均粒径为53.8μm,FT-IR及热重分析(TGA)表明其双壁双芯结构已经形成,SEM及EDS证实了Pb SO4成功镶嵌于囊壁之上,并且微胶囊具有良好的热稳定性及力-氯离子响应性能;对力-氯离子复响应微胶囊/水泥基复合材料的力学自修复性能研究结果表明,添加3%微胶囊的自修复水泥基复合材料能够获得最高84%的强度恢复率,在含氯离子环境下更是能提高至101%,且微胶囊能够在水泥拌和过程中稳定存在,3%掺量的微胶囊在基体内部的分散性良好,采用纳米压痕结合量纲分析法推导得出双壁微胶囊内芯与外芯释放的临界应力分别为9.2MPa和8.4MPa,DSCM追踪了自修复水泥基复合材料在加载过程中的变形行为,从应力应变曲线、应变场分布、灰度相关系数特征值St C和应变特征值Sts之间的变化规律,得出自修复水泥基复合材料基于填补裂纹、限制裂纹发展、修复裂纹的力学自修复机理;对力-氯离子复响应微胶囊/水泥基复合材料的电化学自修复性能研究结果表明,通过在水泥基复合材料中添加微胶囊能够有效降低其内部钢筋的腐蚀电流密度,添加9%微胶囊的自修复水泥基复合材料在3.5%的氯化钠溶液中浸泡28天时可以获得最高40%的修复效率,裂纹和氯离子共同作用下修复效率最高可提升至56%,通过等效电路模型的演变和拟合明确了微胶囊基于提高自修复水泥基复合材料的电阻率,保护钢筋钝化膜以延缓自修复水泥基复合材料内部钢筋的腐蚀速率的电化学自修复机理。
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