【摘要】：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,如何使得材料實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能已成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前針對(duì)水泥基材料自修復(fù)的研究很多,微膠囊自修復(fù)作為比較常用的被動(dòng)修復(fù)方法之一,受到了越來(lái)越多的關(guān)注。采用微膠囊方法進(jìn)行水泥基材料自修復(fù)時(shí),研究學(xué)者多采用微膠囊封裝液態(tài)膠粘劑,將其植入水泥基材料中,分析修復(fù)前后水泥基材料的力學(xué)、耐久性能,評(píng)價(jià)微膠囊的修復(fù)效率。而將微膠囊方法應(yīng)用于水泥混凝土路面中,對(duì)其在車(chē)輛、環(huán)境荷載下開(kāi)裂行為的研究則未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。應(yīng)用微膠囊方法對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行自修復(fù)的首要條件是保證其能夠承受車(chē)輛及溫度荷載的作用而不發(fā)生提前破裂,即微膠囊的囊壁材料應(yīng)具有一定的抗裂性;而應(yīng)用的最終目的則是在路面出現(xiàn)裂紋時(shí),裂紋能夠穿破微膠囊,即微膠囊的囊壁材料應(yīng)具有一定的可裂性,基于此研究目的,本文開(kāi)展了自修復(fù)微膠囊在水泥混凝土路面中的開(kāi)裂行為研究。與宏觀路面尺寸相比,微膠囊的尺寸比較小(通常小于1000μm),在同一尺度對(duì)兩者進(jìn)行研究不現(xiàn)實(shí),必須采用多尺度方法。本文建立兩尺度宏-細(xì)觀分析模型對(duì)微膠囊的力學(xué)行為進(jìn)行分析,在宏觀尺度,將含微膠囊的自修復(fù)水泥混凝土視為各向同性的均質(zhì)材料,在細(xì)觀尺度,視為水泥混凝土和微膠囊組成的兩相復(fù)合材料。在尺度劃分的基礎(chǔ)上,根據(jù)微膠囊的摻量及水泥混凝土的配合比對(duì)各尺度材料的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算,作為微膠囊修復(fù)水泥混凝土材料的等效熱力學(xué)常數(shù)預(yù)估的基礎(chǔ)。同時(shí),對(duì)細(xì)觀尺度幾何模型的建立方法進(jìn)行介紹。加入微膠囊之后,水泥混凝土的等效熱力學(xué)參數(shù)將受到一定的影響,本文采用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論方法,從微觀尺度出發(fā)對(duì)水泥混凝土的等效彈性常數(shù)進(jìn)行預(yù)估,并采用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證,說(shuō)明理論方法的可行性。在此基礎(chǔ)上,將囊芯簡(jiǎn)化為不可壓縮固體,采用理論方法對(duì)微膠囊的等效熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,并將微膠囊作為水泥混凝土中的一項(xiàng)夾雜,對(duì)含微膠囊的水泥混凝土的等效熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行預(yù)估。引入耦合多尺度方法,對(duì)車(chē)輛與溫度荷載耦合作用下自修復(fù)水泥混凝土中微膠囊的應(yīng)力進(jìn)行分析。根據(jù)耦合多尺度的原理,對(duì)細(xì)觀模型施加周期性邊界條件,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)合適的強(qiáng)度準(zhǔn)則尋找模型的應(yīng)力敏感單元,提取應(yīng)力敏感單元高斯積分點(diǎn)處的應(yīng)變分量,并將其作為細(xì)觀模型的平均應(yīng)變施加至細(xì)觀模型,依此對(duì)微膠囊的囊壁應(yīng)力進(jìn)行分析。此外,對(duì)可能影響囊壁應(yīng)力水平的因素,如囊壁彈性模量、囊壁厚度/囊芯半徑比、微膠囊尺寸及超載作用進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,對(duì)微膠囊的抗裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)混凝土中出現(xiàn)裂紋時(shí),裂紋的擴(kuò)展能夠穿破微膠囊,是微膠囊修復(fù)的最終目的。將微膠囊摻加于水泥混凝土路面中,微膠囊與水泥混凝土之間的界面強(qiáng)度可能會(huì)影響裂紋的擴(kuò)展路徑,本文聯(lián)合采用擴(kuò)展有限元及內(nèi)聚力模型的,對(duì)水泥混凝土路面中微膠囊的可裂性進(jìn)行分析。裂紋在水泥混凝土中的擴(kuò)展采用擴(kuò)展有限元模擬,在微膠囊與水泥混凝土界面則采用內(nèi)聚力模型模擬。此外,分析囊壁彈性模量、囊壁厚度/囊芯半徑比及粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)微膠囊囊壁可裂性的影響,對(duì)微膠囊的可裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文建立的水泥混凝土路面中自修復(fù)微膠囊的抗裂性和可裂性分析方法能夠?yàn)槲⒛z囊修復(fù)在水泥混凝土路面中的應(yīng)用提供參考,有助于微膠囊設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化,對(duì)適用于水泥混凝土路面的微膠囊囊壁彈性模量、囊壁厚度/囊芯半徑比、微膠囊尺寸及微膠囊與水泥混凝土基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度提出合理化建議。
【圖文】：

研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)蓄水結(jié)構(gòu)物、涵洞和地下管道的混凝土。土能夠?qū)崿F(xiàn)自然自修復(fù)的主要機(jī)理有兩點(diǎn)：裂縫處水泥的進(jìn)一步O3）的沉淀。水泥的進(jìn)一步水化主要是指當(dāng)混凝土在服役期間化的水泥顆粒或者膠凝材料在有水分存在的條件下進(jìn)一步水化，，充，實(shí)現(xiàn)混凝土的自然修復(fù)。Jacobsen 等人在高性能混凝土的裂氫氧化鈣（CH）和鈣礬石（AFt）[2]，Schlangen 等人通過(guò)將有裂養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)裂紋面處有新生成的水化硅酸鈣（C-S-H）[3]。而 Ed裂縫自然修復(fù)效果明顯，當(dāng)其在水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，空氣中的二氧化碳成碳酸根離子（CO32-），與混凝土中的鈣離子（Ca2+）在過(guò)飽和3沉淀對(duì)裂縫進(jìn)行了填充修復(fù)，如圖 1.1 所示[4]。Sisomphon 等人度在裂口處濃度最高，因此 CaCO3沉淀的場(chǎng)所一般位于裂口處[5

混凝土在發(fā)生損傷時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別，對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出適應(yīng)性反應(yīng)以及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前在土木工程領(lǐng)域使用較多的智能修復(fù)材料為形狀記憶合金（SMA）[41]。SMA 的主要特性是形狀記憶及超彈性，這兩個(gè)特性使得 SMA 在混凝土中具有很廣闊的應(yīng)用前景，使得混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)等性能在加載之后能夠恢復(fù)，不過(guò) SMA 的形狀記憶功能需要通過(guò)電等外部激勵(lì)實(shí)現(xiàn)。Song 等人對(duì) SMA 中最常用的錫鈦合金在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了回顧。在混凝土梁的關(guān)鍵部位埋入 SMA 絞線，當(dāng)在加載過(guò)程中出現(xiàn)裂縫時(shí)，通過(guò)電激勵(lì) SMA 能夠使裂縫在卸載后自動(dòng)閉合，如圖 1.2 所示[42]。Kirkby 等人將 SMA 與微膠囊相結(jié)合植入聚合物中以促進(jìn)裂縫自修復(fù)[43]。狄生奎等人對(duì)混凝土梁的裂縫寬度與 SMA 電阻變化的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了梁裂縫的恢復(fù)情況[44]。崔迪等人發(fā)現(xiàn)利用 SMA 的超彈性，對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力可以有效提高 SMA 混凝土梁的承載力及耗散能[45]。歐進(jìn)萍等人研究發(fā)現(xiàn)鋼筋的塑性變形對(duì) SMA 的變形恢復(fù)具有不利影響[46]。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：U414;U416.216

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2688890