環(huán)氧樹(shù)脂微膠囊自愈混凝土的性能研究

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

0 前言

所謂自愈混凝土，指混凝土擁有像生命一樣感知斷裂并愈合的能力，屬于結(jié)構(gòu)上具有自愈能力的智能復(fù)合材料。

自愈混凝土修復(fù)方式有微膠囊自愈法、空心光纖自愈法、記憶合金自愈法、微生物自愈法等。國(guó)際上，日本和荷蘭在自愈混凝土的研究較為領(lǐng)先，2007年第一次關(guān)于“自愈材料”的國(guó)際會(huì)議在荷蘭舉行，會(huì)議結(jié)束后，日本成立“水泥系自修復(fù)性能評(píng)價(jià)及其利用方法委員會(huì)”，并迅速開(kāi)展研究工作，現(xiàn)在的研究方向是使用顆粒化膨脹材料代替砂，生產(chǎn)自愈混凝土。荷蘭則采用細(xì)菌孢子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制作成微膠囊，利用休眠的孢子被裂縫中的水激活的原理，吃掉乳酸鈣，生成石灰石，對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)。

微膠囊的制備方法簡(jiǎn)便，在基體中分散性好，使得其成為自愈型材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的粘接性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在建筑、航空航天、電工電子等領(lǐng)域的復(fù)合材料制備環(huán)節(jié)。本文采用環(huán)氧樹(shù)脂微膠囊制作自愈混凝土，并對(duì)其進(jìn)行研究。

1 微膠囊材料的選擇

環(huán)氧樹(shù)脂微膠囊采用界面聚合法，以環(huán)氧樹(shù)脂作囊芯材料，以三乙烯四胺作固化劑，在環(huán)氧樹(shù)脂表面形成膠聯(lián)結(jié)構(gòu)的尿醛樹(shù)脂壁材，包裹環(huán)氧樹(shù)脂液芯的自修復(fù)微膠囊。這種微膠囊生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本較低，適合規(guī)模化生產(chǎn)。

環(huán)氧樹(shù)脂作為修復(fù)劑被包裹在尿醛樹(shù)脂囊壁的微膠囊中，均勻分散于混凝土或膠砂中，當(dāng)基體材料受到破壞后，材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展促使自愈微膠囊破裂釋放出環(huán)氧樹(shù)脂，由于毛細(xì)作用使環(huán)氧樹(shù)脂滲入裂縫中，使裂縫黏合。

2 微膠囊制作工藝

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

雙三乙烯四胺（工業(yè)級(jí)）、酚A型環(huán)氧樹(shù)脂（化學(xué)純）、吐溫-80、無(wú)水乙醇（分析純）。

2.2 樣品制備

三口燒瓶先后加入40g蒸餾水和0.6g吐溫-80，在40℃條件下攪拌20min，等待乳化劑完全溶解后，加入20g的E-51，在55℃和400r/min條件下攪拌1h，再緩慢滴加三乙烯四胺2g，滴加完成后，繼續(xù)反應(yīng)2～3.5h。

反應(yīng)結(jié)束時(shí)，向釜中加入冰塊以快速降溫，達(dá)到室溫后，進(jìn)行抽濾。依次用蒸餾水、乙醇洗脫。在常溫下干燥24h后，在100℃下繼續(xù)干燥10min，得到自愈微膠囊樣品。

2.3 測(cè)試與表征

圖1 自愈微膠囊粒徑分布

2.3.1 粒徑極其分布

將自愈微膠囊分散于去離子水中，通過(guò)廣角靜態(tài)動(dòng)態(tài)同步激光散射儀觀測(cè)自愈微膠囊的粒徑分和平均粒徑。

從圖1可以看出，自愈微膠囊的粒徑成正態(tài)分布，最大粒徑為624.6μm，最小粒徑為107.5μm，平均粒徑為274.9μm，微膠囊粒徑分布具有分散性，因?yàn)樵跀嚢枳饔孟拢磻?yīng)釜中不同區(qū)域的乳液獲得的動(dòng)能不同，攪拌器葉片周圍乳液受到的剪切力較容器壁處的大，獲得的動(dòng)能也多，因此在攪拌器葉片附近，乳液形成了很多湍流旋渦，有利于形成粒徑小的微膠囊，而在容器壁位置形成的微膠囊粒徑較大。

2.3.2 微膠囊表面分析

使用SEM觀察自愈微膠囊，圖2（a）中自愈微膠囊成表面光滑的球體，膠囊壁致密，微膠囊分散性好。將自愈微膠囊破壞，在SEM下觀察自愈微膠囊斷面，見(jiàn)圖2（b），觀察到自愈微膠囊膠囊內(nèi)壁光滑致密，同時(shí)可以測(cè)量出該微膠囊囊壁厚度約12～13μm，選取4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域約5-11個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂自愈微膠囊，測(cè)量壁厚，統(tǒng)計(jì)得到微膠囊平均囊壁厚度約11.7μm。

圖2 SEM觀察自愈微膠囊

2.3.3 微膠囊自愈混凝土的修復(fù)性能測(cè)試

用萬(wàn)能拉力機(jī)測(cè)試混凝土和摻加5%環(huán)氧樹(shù)脂自愈微膠囊的混凝土，通過(guò)初試狀態(tài)和損傷后的應(yīng)變曲線計(jì)算自愈微膠囊混凝土的自修復(fù)能力，結(jié)果見(jiàn)圖3。普通素混凝土在損傷-修復(fù)后的抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯變化，說(shuō)明普通素混凝土沒(méi)有自修復(fù)性能。摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%環(huán)氧樹(shù)脂自愈微膠囊的混凝土，因?yàn)槲⒛z囊的強(qiáng)度遠(yuǎn)不如混凝土強(qiáng)度，自愈混凝土容易在微膠囊的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低微膠囊自愈混凝土的抗拉強(qiáng)度，微膠囊自愈混凝土經(jīng)拉伸-修補(bǔ)后拉伸強(qiáng)度有所恢復(fù)，修復(fù)率為45%。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 微膠囊自愈混凝土的優(yōu)點(diǎn)

1）微膠囊摻加簡(jiǎn)單并容易混合均勻；

2）提高了混凝土的壽命，可降低維護(hù)、維修成本；

圖3 摻加5%微膠囊的自愈合混凝土抗拉強(qiáng)度比較（MPa）

3）自愈混凝土可適當(dāng)減少配筋，降低建筑成本；

4）自愈混凝土環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)地震、風(fēng)沙、爆炸等災(zāi)害可以降低損失。

3.2 缺點(diǎn)及研究方向

1）如微膠囊摻加量少，則修復(fù)效果不明顯；如微膠囊摻加量較多，則成本較高，且對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有負(fù)面影響。平衡點(diǎn)難掌握，需長(zhǎng)期大量的試驗(yàn)研究。

2）微膠囊的壁厚很難把握，如較厚，則混凝土產(chǎn)生裂紋時(shí)，微膠囊囊壁未必能破裂放出修補(bǔ)劑；如較薄，則在攪拌或施工過(guò)程中，會(huì)有部分已經(jīng)破裂，喪失自愈合效果。囊壁的厚度需要在工程實(shí)際中不斷探索，并開(kāi)發(fā)出適用于微膠囊自愈混凝土的生產(chǎn)工藝和施工工法。

3.3 展望

雖然許多工藝技術(shù)仍處于研究狀態(tài)，但是在綠色、智能建筑的大趨勢(shì)下，微膠囊自愈混凝土技術(shù)有著巨大的潛力，該技術(shù)可以提高混凝土的使用壽命，并節(jié)約人工維護(hù)維修的高額成本，保障建筑物的安全性和耐久性。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，自愈混凝土技術(shù)的應(yīng)用會(huì)是建筑工業(yè)的重要組成部分。