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1、开题报告一、立论依据课题来源，选题依据和背景情况、课题研究目的或工程应用价值混凝土是当今世界上用途最广、用量最大的建筑材料。随着现代科技的发展以及人类对建筑要求的日益多样化，混凝土材料正在向着高强、高性能、多功能和智能化方向发展。可以预见，将来混凝土依然是国家现代化建设不可缺少的建筑材料。然而，混凝土材料脆性大的固有缺陷，大大降低其抗裂性，影响结构的可靠性、耐久性及安全性，极大地缩短建筑物的安全使用寿命。近四五十年以来，混凝土结构物因对材质劣化造成失效以致破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。美国标准局(NBS)1975年的调查表明，美国每年因腐蚀造成的各种损失为700多亿美元，
2、其中混凝土开裂导致钢筋锈蚀造成的损失约占40。据英国1979年的调查，其混凝土结构有36%需重建或改建；英国每年用于修复钢筋混凝土的费用就高达200亿英镑，日本目前仅用于房屋维修的费用就高达400亿日元，德国用于旧建筑物的维修加固的费用是总建筑费用的80%，瑞典每年用于桥梁耐久性修复上的投资达2800万美元之多，总体上来讲，发达国家每年的混凝土结构维修费用约占建筑总投资的40%以上，相当一部分发达国家每年用于建筑维修的费用都超过新建的费用。此外，我国钢筋混凝土结构因开裂导致耐久性问题也是极其严重的。我国二十世纪60年代曾对华南、华东地区沿海27座钢筋混凝土结构进行调查表明，因混凝土开裂，钢筋锈
3、蚀导致结构损坏的占74%。中国建筑科学研究院的调查表明，我国现役工业建筑物损坏严重，其结构的使用寿命一般不能保证50年，多数在25-30年左右就必须进行大修或加固。1994年铁路部门的统计表明，我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2675座，其中的722座发生裂损；青岛市一16层钢筋混凝土结构大楼1989年11月竣工，1990年4月交付使用。3年后楼盖混凝土开裂，钢筋严重腐蚀，致使结构失效，16层楼盖全部拆卸。因此，混凝土的裂缝问题一直是学术界和工程界所关注和研究的重大课题。裂缝的修复自然就成为国内外学者研究的热点问题。对于绝大多数建筑物，建成并投入使用后，人们便失去了对其结构的全面控制，结构失效
4、、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者以及使用者的意志为转移，人们对它的预测及防范都是一件十分困难的事情。在实际的混凝土工程中经常出现基体的微开裂等微观范围的损伤，而这种微裂缝通常是不可视的，加上探测技术的局限性，往往无法探测到这些微裂缝，当然更谈不上修复。如果这些损伤部位不能及时进行修复，不但会影响混凝土材料的强度和耐久性，而且可能由此引发宏观裂缝并出现脆性断裂，产生严重的灾难性事故。传统的混凝土材料的修复形式主要是定期维护与事后维修，这种消极的、被动的维修方式不仅费用庞大，而且效果不佳，更无法满足现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。实际的混凝土工程结构中，许多微小裂纹发生在结构内部
5、，如果这些微观范围的损伤在发展成宏观裂缝之前，能得到有效的修复，那么将大大提高结构的安全性和使用寿命。因此我们迫切需要采用某种技术或方式，主动、自动地对裂纹和损伤部位进行修复，从而恢复甚至提高混凝土材料的强度以达到延长混凝土结构使用寿命的目的。混凝土裂缝自修复材料就是应这方面的需要开始发展起来的。混凝土裂缝自修复材料是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生，恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。但是，由于当前的粘结剂型自修复技术存在空心纤维或胶囊难以制备，空心纤维或胶囊与混凝土材料共同搅拌容易破碎以及修复材料
6、的时效性差、不能多次愈合等一系列问题，使得该类自修复技术仍然处于实验室探索阶段，没有取得实质性的进展。而水泥基渗透结晶型材料因为抗渗性能好，具有较强的自修复功能，正受到世人越来越多的关注。但是由于国外对此项技术高度保密，导致水泥基渗透结晶型材料在发展和应用过程中存在以下许多问题:第一，材料合成制备技术的垄断。由于国外对水泥基渗透结晶型材料的制备技术高度保密，有关该类材料的合成制备也始终未见报导；第二，缺乏反应机理与相关理论的研究。目前有关水泥基渗透结晶型材料的研究基本都是工程应用和宏观力学性能和抗渗性能研究，对其作用机理的研究甚少。第三，微观或亚微观结构研究少。目前关于水泥基渗透结晶型材料对混
7、凝土的微观或亚微观结构的影响基本未见研究报道。此外，对混凝土耐久性的影响缺乏研究。针对上述各种混凝土自修复技术存在的问题，本文将在水泥基渗透结晶型材料的研究基础上，探索和提出裂缝自修复机理，并以此为理论依据，合成制备具有裂缝自修复功能的材料；将通过力学性能、渗透性能的测试和利用压汞试验、SEM等技术手段探讨该材料对混凝土的裂缝自修复功能及其对混凝土微观和亚微观结构的影响进；同时系统研究该材料对混凝土的化学侵蚀、冻融循环、钢筋锈蚀、碱集料反应等耐久性可能产生的影响。二、文献综述国内外研究现状、发展动态混凝土裂缝自修复材料属于智能混凝土的一类，目前国内外大部分的研究集中于仿生学原理的胶囊或纤维内填
8、充修补剂，混凝土开裂导致胶囊或纤维断裂，修补剂流出从而实现自愈合这条思路上。日本东北大学的三桥博三教授将装有修复剂的胶囊放入混凝土中，在外力作用下一旦混凝土开裂，部分胶囊破裂，修复剂流出深入裂缝从而使裂缝得到修复。在国内，同济大学混凝土材料研究重点实验室的科研人员、福州大学土木建筑系的刘承超以及哈尔滨工业大学土木工程学院的欧进萍等都在进行这方面的研究水下混凝土裂缝修补技术的进展，新型建筑材料，2007.10;9-12。欧进萍和匡亚川根据人体伤口由“破裂流血凝结愈合”的过程，以及动物体内血液在血管中的流动来源于心脏跳动的能量的原理，设计了如图2-1所示的实验。此试验的特点是在系统中加入了模仿人体
9、心脏的具有一定内压力的修复剂容器，而纤维胶管则相当于人体的血管匡亚川，欧进萍.混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展J.力学进展，2006,36(3):406-414。 试验结果证实这种纤维具有一定的自愈合效果，但对于大裂缝的修补效果不明显，而且纤维管壁的厚度、修补纤维管的长度、混凝土相邻裂缝间距的最小值等相关参数很难确定。目前，除欧进萍和匡亚川对自愈合混凝土修复前性能进行了理论分析外，大部分的研究还处于试验验证阶段，还缺乏自愈合混凝土修复后性能的计算分析方法，是一个值得探讨的课题智能混凝土与结构。此外，由于这种自愈合混凝土的施工、制备困难，成本高，修补一次后即失去自修复作用，这些因素必将阻碍该种混
10、凝土的推广应用。相比较而言，基于渗透结晶原理的混凝土裂缝自修复材料制备相对简单，无毒环保，成本较低，施工方便，作用效果持久等特点，具有无可比拟的优势。第二次世界大战期间，德国钢铁紧张，开始使用水泥造船。但是水泥船渗漏水严重，无法正常应用。在这样的背景下，促进了水泥基渗透结晶型材料的产生和发展。水泥基渗透结晶型防水材料是1942年德国化学家Lauritz Jensen(劳伦斯杰逊)在解决水泥船渗漏水的实践中发明， 英文名为：Cemendtious Catfillaryf/CrystallinWaterprootlng Materials,简称CCCW。这种材料系由普通硅酸盐水泥、石英砂或硅砂、带
11、有活性功能基团的化学复合物组成。它以粉状形式供应用户。大多数的应用是仅仅与水拌合(有些情况还要加入化学添加剂)，调配成可以涂刷或喷涂的浆料，正如它的名称示意的内涵，它不仅形成一个有效的防水涂层，而且其含有的活性化学复合物，可向混凝土内部渗透，与混凝土中的水分、游离的活性物质产生化学反应，形成不溶的结晶体复合物，进而靠结晶体增长填塞毛细通道。这些结晶体通常可以增长到0.4mm即高于混凝土毛细管径的最大尺寸，从而使混凝土致密、防水。由于是借助化学反应改善了整个混凝土基体的防水性能，不仅使得防水性能容易长期保持，同时也提高了基体混凝土的强度和密实性。混凝土干燥时，该活性功能化学物处于休眠状态;当混凝
12、土开裂，有水渗入时，该物质继续水化生成新的结晶，对裂缝进行自动填充，实现自修复。博士论文二次世界大战后，欧洲和日本经济的快速增长，使这一材料的工程应用不断扩大。产品也从早期的德国的VANDEX(稳挡水)品牌(现转售到瑞士)延伸发展出加拿大的XYPEX(赛帕斯)、加拿大的KRYSOL、新加坡的FORMDEX(防挡水)、美国的PENETRON (膨内传)、法国的DIPSEC、澳大利亚的CRYSTAL、日本的PANDEX等数十个品牌，均有不同程度的改进，形成了系列产品。日本研究人员通过试验发现，CCCW的结晶体渗透深度可达1m。同时发现，当渗透到0.5m时，仅占据混凝土毛细通路全程的50%。经混凝土
13、壁的渗透，没有确定的时间，因结晶体的增长，可短期暂停，一旦湿气再次出现，可继续晶体增长的化学反应，从而保证了完全、充分地向混凝土结构内部渗透。 CCCW的主要优点是抗渗性能和自愈性能好，粘结力强、可防止钢筋锈蚀，且对人体无毒， 在施工方面其简单快速更是其他防水材料所无法相比的。CCCW在60年代中期从欧洲传到北美，目前在欧洲、美国、加拿大、日本、新加坡等国家和地区的混凝土防水工程中应用已十分广泛，并获得工程界一致好评。该产品在日本应用较多，是唯一制订日本国家统一标准的无机防水涂料，专家称赞水泥基渗透结晶型防水材料是对环境保护、对人类生存都有益处的防水材料国外水泥基渗透结晶型防水材料的研究与发展
14、，中国建筑防水，2001/6,9-12。我国二十世纪八十年代从国外引进此种产品，并应用于上海地铁工程。九十年代中期开始从国外引进母料(活性化学物质) 在国内批量生产，应用于地下防水工程，因其良好的防水效果受到了工程界的好评。对于水泥基渗透结晶型防水材料，国外还没有产品标准，仅有产品说明书与技术资料，一般只有抗渗压力、凝结时间、抗压强度等指标，并附有相应的标准试验方法理解并执行GB 18445-2001水泥基渗透结晶型防水材料，杨斌，建筑材料工业技术监督研究中心，建材标准化与质量管理，2006/1，2-6。目前已广泛应用于工业与民用建筑的地下结构、地铁、桥梁路面、饮用水厂、污水处理厂、电站、水利
15、工程等方面 （包括三峡工程、国家大剧院等），取得了较显著的经济效益及社会效益。水泥基渗透结晶型防水材料（GB 184452001）国家标准自2002年3月1日实施以来，其被越来越多地应用在各种防水工程，尤其是水工、隧道、地下室等防水工程中，产品的性能也越来越多的为人们所认识。标准对产品的推广应用起到了积极的作用，对产品的生产和使用也起到了指导作用。尤其国标GB502082002地下防水工程质量验收规范中明确了其验收标准，对水泥基渗透结晶型防水材料的广泛应用起到了很好的推动作用。目前，国内从当初标准制定时几家单位到现在有将近百家公司宣称从事这类材料的生产、销售或应用，发展十分迅速。这类材料由于具
16、有节约能源，保护环境、对人体健康无害，生产工艺简单，成本低，施工工艺简便，防水效果长久，具有裂缝自愈合的功效，在国内应用前景十分广泛。然而，无论设计、建设、施工单位和质量监督单位，甚至是科研单位对水泥基渗透结晶型防水材料了解仍不系统、全面，对这类防水材料的特性、作用机理、作用效果、应用条件、应用领域等的理解还存在偏差，甚至误解，往往造成应用这类材料达不到预期的防水效果，与厂家所宣传的效果大相径庭。国外相关企业只卖产品，不转让技术，也不申请专利，这也给我国水泥基渗透结晶型材料的发展带来了限制。目前，市场上对这类材料的争议主要集中在机理、应用、使用效果等方面。国家标准的缺陷使得很多其他类型的防水材
17、料由于能够满足国家标准规定的二次抗渗压力指标而进入了这一领域，市场比较混乱，鱼目混杂，产品质量参差不齐。而且，国内产品目前虽然实现了国产化，但是生产所需原材料全部国产化研制的企业甚少，应用效果与进口产品相比仍具有一定的差距。由于巨大的市场需要，开展相关的研究工作，解决国内在该领域存在的突出问题已经迫在眉睫。其发展的趋势主要有以下几个方向：进一步开展基础理论研究，对此类材料的作用机理进行深入的探讨，对结晶形貌和渗透机理做出客观的结论；进一步提高产品质量，使渗透结晶的效果达到或超过国际先进水平；对于产品作用效果和渗透深度的表征手段进行改进和创新；由于渗透结晶防水效果的局限性，与聚合物防水材料进行复
18、合也是一个重要的发展方向。三、研究内容1、主要研究内容及关键技术2、拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析3、预期目标1、主要研究内容：(1)在对大量国内外相关资料进行分析的基础上，提出裂缝自修复机理，并以此为依据，合成制备一种新型的水泥基渗透结晶型材料；(2)通过试件的力学性能、抗渗性能的变化和电通量等试验，研究所制备材料对混凝土的力学性能、抗渗性能和抗离子渗透能力的影响，运用SEM和XRD等手段对混凝土内部结晶产物进行微观分析，采用压汞仪分析混凝土内部孔隙率和孔结构，结合原材料的组成和工艺变化对水泥基渗透结晶型材料的作用机理进行深入探讨；(3)研究混凝土的特性、外界环境等因素对渗
19、透结晶型材料性能的影响；(4)通过试件长期在酸、碱、盐溶液中浸泡和冻融循环后力学性能、抗渗性能的变化，研究所制备材料对混凝土耐化学侵蚀和抗冻融破坏性能的影响；(5)通过改变所制备的自修复材料用量、活性集料的掺量、浸渍环境、水泥中的碱含量和胶砂比等条件后试件长度膨胀率的变化，研究该材料对混凝土碱集料反应的抑制作用；(6)通过吸水率、氯离子扩散系数以及电极电位的变化，研究所制备的自修复材料对钢筋锈蚀的防护作用。2、关键技术：（1）活性化学物质和反应助剂的选择本项目以化学转换反应机理为理论基础来研制裂缝自修复材料，所以必须选择适当的活性化学物质以及促进化学转换反应的反应助剂。这需要从大量试验中筛选。
20、（2）裂缝自修复材料的制备如何采用正交试验进行配方优化，选择合适的原材料与制备工艺来制备混凝土裂缝自修复材料。（3）裂缝自修复材料的自修复性能研究选择合适的测试手段对所制备材料对混凝土的自修复性能进行表征，通过改进或创新找到比较科学、简单易行的表征方法。（4）裂缝自修复材料对混凝土耐久性的影响研究了裂缝自修复材料不同的使用方法(涂覆和内掺)、用量对混凝土试件的耐化学侵蚀、抗冻融破坏、碱-骨料反应以及钢筋锈蚀等的影响，并进一步探讨了其作用机理。3、拟采取的技术路线a、首先在大量调研的基础上选定几种活性化学组分和反应助剂，并对其作用机理进行分析；b、通过平行试验对活性化学组分和助剂的应用效果进行比
21、较，选择合适的材料；c、通过正交试验进行配方优化，经过合适的制备工艺制备出渗透结晶型裂缝自修复材料；d、在大量查阅的基础上通过多种手段对自修复材料的应用效果进行表征，通过比较确定几种合适的检测手段；e、研究制备的自修复材料对混凝土耐久性的影响。4、可行性分析：该课题是一项从原材料选择，到自修复材料的制备，再到性能验证和耐久性研究的系列的、综合性的课题，为了保证课题可以顺利开展，必须具备扎实的软件基础和齐全的硬件设施，以下有利条件将为课题研究提供保障：a、前期试验：2010年3月-2010年6月，我们对水泥基渗透结晶型材料的制备和性能表征进行了初试，对该材料的制备方法和性能的检测手段积累了相关经
22、验，这将为我们后期的工作提供便利； b、人员基础：课题导师籍凤秋教授多年从事水泥基复合材料的科研和教学工作，在新型水泥基复合材料的研制与应用以及纳米材料与土木工程材料的复合研究与应用领域功底深厚，发表学术论文（SCI、EI检索）十余篇，近年来主持的横向课题主要有：2009年主持完成低碱混凝土膨胀剂的研究；2009年，主研河北省建设厅项目“纳米钢纤维复合增强水泥混凝土韧性研究”获得鉴定，排名第二。取得国家专利一项:一种制备BN纳米管的新方法，排名第二。在研的项目多项。本人和课题参与人员都是材料科学与工程专业毕业，有一定的专业基础。c、设备支持：试验所需的万能压力试验机、混凝土抗渗仪、氯离子渗透仪
23、、压汞仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、冻融循环测定仪等大型仪器设备建筑材料测试中心基本具备，为试验的进行提供了坚实的硬件基础。d、经费支持：本课题隶属于省建设厅项目混凝土裂缝自修复材料研制，2009-2010，由籍凤秋教授主研，课题经费比较充足，为课题的顺利进行提供资金支持。5、预期目标通过上述研究最终获得一种渗透结晶型具有自修复功能的材料，除具有自修复性能外，还应达到：（1）可显著提高水泥基材料(砂浆、混凝土)的抗渗性能和二次抗渗性能；（2）可提高水泥混凝土耐化学侵蚀和抗冻融破坏能力；（3）可有效抑制水泥混凝土的碱集料反应，可使碱集料反应造成的长度膨胀显著减少；（4）可显著减少水和氯离子等
24、侵蚀性介质对混凝土的渗透，有效防止水泥混凝土中的钢筋锈蚀；（5）良好的经济效益和社会效益，易于实现产业化 。四、研究基础在过去的六个月时间里，课题攻关工作已经开展，在大量阅读国内外文献的基础上，我们选取硅酸盐水泥、磨细的石英砂为主要原料，以柠檬酸钠、硅酸钠、胆碱等材料做为活性化学物质，通过正交试验制备了几种水泥基渗透结晶型裂缝自修复材料，通过国家标准规定的二次抗渗压力试验进行效果验证，结果发现该材料有一定的自修复性能，表面涂有自修复涂层的混凝土试件的抗渗压力和二次抗渗压力都有一定程度的提高，但是试验量还很少，不能完全说明问题，自修复的效果还有待于进一步提高。而涂有自修复涂层的混凝土试件在强度上
25、则没有明显的变化，将混凝土试块压坏以后进行二次养护，由于压坏的试块边角处有不同程度的破损，试验结果呈现出很大的离散性，没有找到规律，说明该方法表征混凝土裂缝自修复效果还存在很多需要解决的问题。另外，在前期试验中我们发现，采用二次抗渗法标准混凝土自修复性能费事费力，很不方便，经过探讨，采用混凝土吸水量试验和电通量试验进行表征可能更加简便，有待验证。因此，课题接下来的工作主要有：尝试采用其他的原材料和工艺，制备出能使混凝土二次抗渗压力更高的自修复材料；在此基础上尝试将无机活性化学物质与聚合物材料进行复合，以期待赋予该材料新的、更加出色的性能；优化配方，得到最优化组成和工艺，完成材料制备；改变该材料
26、的用量和混凝土的配比以及使用环境，对比使用效果得到最佳用量与混凝土组成以及周围环境的关系；研究该材料对混凝土耐久性的影响，主要包括抗冻性、耐化学侵蚀和碱集料反应的项目。五、工作计划序号阶段及内容起止时间阶段成果形式1调研及准备试验材料2010年10月15日2010年10月31日试验方案2裂缝自修复材料选择及其制备研究2010年11月1日2010年12月30日实物3裂缝自修复材料的自修复性能测试以及影响因素研究2010年12月1日2011年5月30日试验记录4自修复材料对混凝土耐化学侵蚀和抗冻融破坏性能影响的试验研究；2011年6月1日2011年8月1日试验记录5自修复材料对混凝土混凝土碱集料反应、对钢筋锈蚀的试验研究；2011年7月2011年9月试验记录6进一步完善实验，总结与鉴定2011年10月2011年11月毕业论文六、评审意见
