光磁耦合式自愈合混凝土的制備與研究

龔志明，王 鵬，周曉鋒

（1.鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 224000；2.河海大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210000）

水泥混凝土被廣泛應(yīng)用于公路、橋梁、房屋建筑以及水工建筑物等中。傳統(tǒng)的混凝土脆性高、抗拉強(qiáng)度低，很容易出現(xiàn)微觀裂縫，如果不加控制會(huì)演變?yōu)楹暧^裂縫，甚至造成建筑物的坍塌，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全［1］。因此，混凝土裂縫的修復(fù)一直是學(xué)術(shù)界和工程界所關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

1 混凝土自愈合方法

為了規(guī)避災(zāi)害，延長混凝土的使用壽命，有必要采取修復(fù)措施。由于微觀裂縫不易察覺，人們往往采用被動(dòng)的事后修復(fù)，如，灌漿、涂膜等，具有一定的局限性及滯后性。而自修復(fù)/自愈合利用仿生原理，用修復(fù)膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷混凝土的自修復(fù)與再生，變被動(dòng)為主動(dòng)。

目前混凝土自愈合方法主要有微膠囊法、結(jié)晶沉淀法、滲透結(jié)晶法、微生物法等6種［2］。由于微膠囊具有保護(hù)和隔離的作用、對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響小，而且分散性更強(qiáng)，加入特殊材料甚至可改善混凝土的物理性質(zhì)，考慮用微膠囊法制備自愈合混凝土（圖1）。

圖1 混凝土自愈合方法

2 光磁耦合式自愈合混凝土的制備方法

為了解決傳統(tǒng)微膠囊修復(fù)混凝土不可控、完全依賴外界環(huán)境變化的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)一種光磁耦合式自愈合混凝土，這種混凝土在制備時(shí)加入了磁性微膠囊和導(dǎo)光裝置，在光熱場(chǎng)和磁場(chǎng)的協(xié)同作用下，使得微膠囊能夠及時(shí)有效地破裂，達(dá)到最佳的修復(fù)效果（圖2～3）。其制備方法如下：

圖2 光磁耦合式自愈合混凝土

圖3 導(dǎo)光裝置示意

2.1 微膠囊壁材的制備

將5 g尿素和13.2 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%的甲醛溶液，加入到500 mL的三口瓶中，待尿素全部溶解后，用三乙醇胺調(diào)節(jié)溶液pH=8.0～9.0后，在70℃恒溫水浴下用400～450 r/min的轉(zhuǎn)速回流攪拌1 h，得到透明粘稠的脲醛樹脂預(yù)聚體。

2.2 磁性芯材乳液的制備

稱取0.5 g黑色磁性Fe3O4納米粒子、0.5 g復(fù)合乳化劑（十二烷基苯磺酸鈉和聚乙烯醇按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2∶1混合制成）和10 g環(huán)氧樹脂（E-51），加入去離子水200 g，在高速分散均質(zhì)機(jī)上以6 000 r/min的速度分散30 min，形成O/W型乳化液，乳化過程中加入1～2滴正辛醇。

2.3 磁性微膠囊的制備

將預(yù)聚體與芯材乳液以1∶1混合，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙庥谌橐旱姆稚⒔橘|(zhì)水中，攪拌速度450 r/min，70℃下恒溫反應(yīng)3 h，分批加入催化劑NH4Cl，緩慢調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0，并再加入適量去離子水，以溶液不黏稠為宜，加入適量固化劑間苯二酚，繼續(xù)攪拌2 h使微膠囊固化。最后，用碳酸鈉溶液或者稀NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為7.0，自然冷卻至室溫，即得微膠囊溶液，溶液經(jīng)靜置后分為2層，上層為水相層，下層為微膠囊沉積物。將該溶液用去離子水清洗3～4遍并抽濾，于空氣中干燥，即得微膠囊粉末產(chǎn)品。

2.4 光磁耦合式自愈合混凝土的制備

將準(zhǔn)確稱量的440份水泥、600份砂、1 160份碎石人工翻拌至均勻，再加入195份水、11份固化劑DMP-30繼續(xù)翻拌至均勻，最后依次加入1.5%（按水泥體積）PVA纖維和22份磁性微膠囊，繼續(xù)攪拌至均勻。將圖2中導(dǎo)光裝置固定在混凝土成型模具上，然后澆筑成型，1 d后脫模并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，即得自愈合混凝土。

其中，導(dǎo)光裝置包括遮光旋蓋、采光部件、光纖束、機(jī)械轉(zhuǎn)軸4個(gè)部分。導(dǎo)光裝置固定在混凝土成型模具上，應(yīng)保證澆筑后，遮光旋蓋在混凝土表面，采光部件在其內(nèi)部，光纖束在內(nèi)部散開為一條條光纖。采光部件形狀為拋物球面，且內(nèi)表面涂有反射涂層，光纖束的光入射端面位于拋物球面的焦平面上，這樣光纖束既可引入直射的太陽光，又可導(dǎo)入經(jīng)拋物球面反射的太陽光，進(jìn)一步提高了集熱效率。

3 用于混凝土自愈合的響應(yīng)裝置

在傳統(tǒng)膠囊配方中加入磁性材料，與相應(yīng)的響應(yīng)裝置協(xié)同工作，通過控制外部磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部磁性微膠囊的響應(yīng)，提高微膠囊的破裂比例，同時(shí)，使得含磁性材料的修復(fù)劑在裂縫中均勻流動(dòng)，增強(qiáng)自愈合效果。設(shè)計(jì)的響應(yīng)裝置利用了電感耦合變壓的原理。單匝的磁場(chǎng)線圈不再與放電系統(tǒng)直接連接，而是由多匝螺線管組成的初級(jí)線圈與放電系統(tǒng)相連，通過電感耦合變壓器將螺線管能量耦合到左右各一匝的磁場(chǎng)線圈上［3］。電感耦合線圈的使用提升了電流密度，在磁場(chǎng)線圈中產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，如圖4所示。

圖4 響應(yīng)裝置示意

4 光磁耦合式自愈合混凝土響應(yīng)裝置的工作流程

使用光磁耦合式自愈合混凝土建造的建筑工程，按照傳統(tǒng)非承重景觀建筑混凝土的檢修期，經(jīng)過10～14個(gè)月后可人工攜帶相應(yīng)的光磁耦合式自愈合混凝土響應(yīng)裝置，以便攜式場(chǎng)響應(yīng)加載進(jìn)行外部磁場(chǎng)控制，同時(shí)輔以光纖引光，進(jìn)一步增強(qiáng)自愈合能力。

利用超聲技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部損傷情況，正常情況下遮光旋蓋位于采光部件正上方，關(guān)閉光通路；若有損傷需要修復(fù)時(shí)，旋開遮光旋蓋，太陽光經(jīng)光纖束導(dǎo)入到混凝土內(nèi)部。由于紅外線具有極高的熱效應(yīng)，混凝土內(nèi)部有一定程度的升溫。

再搭配磁場(chǎng)響應(yīng)，利用超聲技術(shù)監(jiān)測(cè)到自愈合混凝土的裂縫所在位置，將該響應(yīng)裝置移至相應(yīng)位置，首先打開電源開關(guān)，接著摁下電機(jī)控制旋鈕，使電機(jī)開始運(yùn)作，連接軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)控制旋鈕控制電機(jī)的功率，通過控制連接軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)一步控制次級(jí)線圈和磁場(chǎng)線圈的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，改變自愈合混凝土同一位置處磁場(chǎng)的大小以及方向。

5 性能對(duì)比試驗(yàn)

制備方法中除去添加磁性材料及導(dǎo)光裝置的步驟，得到傳統(tǒng)自愈合混凝土；制備方法中除去添加導(dǎo)光裝置的步驟，得到磁性自愈合混凝土。分別對(duì)傳統(tǒng)自愈合混凝土、磁性自愈合混凝土、光磁耦合式自愈合混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試、修復(fù)率測(cè)試等［4］，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

由傳統(tǒng)自愈合混凝土、磁性自愈合混凝土、光磁耦合式自愈合混凝土的性能對(duì)比數(shù)據(jù)，分析可知：

（1）三者的芯材黏度、抗壓強(qiáng)度相差不大。

（2）磁性自愈合混凝土損傷后24 h膠囊破裂率達(dá)62.1%，是傳統(tǒng)自愈合混凝土（25.5%）的2.4倍；損傷后48 h抗折強(qiáng)度恢復(fù)率達(dá)38.6%，是傳統(tǒng)自愈合混凝土（16.6%）的2.3倍；彈性模量恢復(fù)率為64.3%，延長老化期限50%，均較傳統(tǒng)自愈合混凝土有明顯提升。

（3）光磁耦合式自愈合混凝土損傷后24 h膠囊破裂率達(dá)69.8%，延長老化期限58%，在磁性自愈合混凝土的基礎(chǔ)上有了進(jìn)一步的提升。雖然光磁耦合式自愈合混凝土的彈性模量恢復(fù)率比磁性自愈合混凝土（64.3%）略低，為60.7%，但相比傳統(tǒng)自愈合混凝土（43.1%），仍然具有較大的性能改善。

由以上數(shù)據(jù)分析可知，磁性自愈合混凝土的總體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)自愈合混凝土；在磁性自愈合混凝土的基礎(chǔ)上，加入導(dǎo)光裝置，使得光磁耦合式自愈合混凝土的總體性能有了進(jìn)一步的提升。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自愈合混凝土特別之處在于加入了磁性微膠囊和導(dǎo)光裝置。這種光磁耦合式自愈合混凝土，受到光熱場(chǎng)和磁場(chǎng)的協(xié)調(diào)響應(yīng)。磁性微膠囊的外殼一方面在光熱場(chǎng)中由于受熱而熔化，促進(jìn)了破壁過程，此外光纖導(dǎo)入的熱能也可強(qiáng)化修復(fù)液的對(duì)流，增強(qiáng)修復(fù)粒子的布朗運(yùn)動(dòng)；另一方面，微膠囊受磁場(chǎng)擾動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中外殼與周圍物質(zhì)碰撞而破裂，同時(shí)由于修復(fù)液中含磁性材料，被釋放后修復(fù)液在裂縫中均勻流動(dòng)，混凝土內(nèi)部損傷的修復(fù)效率、混凝土的自愈合能力得到了極大的提升。