微膠囊自修復水泥基材料低溫性能研究

摘""""" 要：采用環氧樹脂（E-51）和膨脹硅酸鹽水泥為芯材、乙基纖維素為壁材，利用物理法制備自修復微膠囊。探究不同摻量下微膠囊對水泥基體強度的影響；研究水泥砂漿在不同修復齡期及溫度下的自修復性能；實驗結果表明：隨著微膠囊摻量的增加，水泥砂漿抗壓抗折強度均呈降低趨勢。在早期修復齡期下，低溫下的強度修復率低于常溫環境下。3%摻量微膠囊在低溫環境下有較好修復效果。

關" 鍵" 詞：微膠囊；自修復；砂漿；低溫

中圖分類號：TU528"""" 文獻標志碼：A"""" 文章編號：1004-0935（2024）11-1702-04

混凝土材料是當今運用最為廣泛的建筑材料。在寒冷地區的凍融循環中，由于滲透壓、溫度應力疲勞破壞和孔隙水的膨脹破壞，非常容易導致混凝土出現內部開裂和表面剝落現象^[1-3]。同時在長期的服役過程中受到外部荷載及環境的影響，不可避免地會產生一些局部損傷和微裂縫。雖然混凝土材料通過自身水化作用及碳化作用對微裂縫有一定的自修復能力，但其效果極其微弱且耗時較長，特別是對于較寬的裂縫，其在工程中的作用幾乎可以忽略掉^[4-7]。傳統裂縫修復方法通常采取加固、灌漿、填充等人工修復的方法。其效率低、成本高，無法對微裂縫進行實時修復。為此，研究人員提出了具有仿生學特征的自修復混凝土技術來解決裂縫開裂問題^[8-10]。目前主要包括結晶沉淀法、微膠囊法、微生物法、SMA法及液芯光纖/纖維法^[11-12]。

微膠囊法主要原理是將含有修復劑的微膠囊預先埋入水泥基體中，并在其中摻入催化劑。當基體材料被損傷產生微裂紋時，裂紋尖端應力使分散在水泥基體中的微膠囊破裂從而釋放修復劑，并與固化劑相結合引發聚合反應，從而修補裂紋^[13-15]。

目前，國內外對于微膠囊自修復水泥基材料的自修復性能，尤其是不同低溫環境、不同開裂齡期下的強度修復研究較少。本文選取環氧樹脂（E-51）及膨脹硅酸鹽水泥形成雙組分修復體系，乙基纖維素作為囊壁材料。采用擠出滾圓法制備不同粒徑的自修復微膠囊。探究微膠囊摻量對水泥砂漿強度及自修復性能的影響，最終驗證該微膠囊應用于低溫自修復混凝土的可行性。

1" 實驗部分

1.1" 原材料

微膠囊合成所需原材料： 環氧樹脂E51、BGE稀釋劑、明膠、膨脹硅酸鹽水泥、微晶纖維素、羧丙甲基纖維素、吐溫80、乙基纖維素溶液。

實驗所用水泥為P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。砂為天然河砂，中砂，細度模數2.7。催化劑為T31環氧樹脂固化劑。

1.2" 實驗方法

1.2.1" 自修復微膠囊的制備

首先將稀釋后的環氧樹脂加入明膠溶液中并攪拌均勻，之后采用凝固法使環氧樹脂溶液在低溫下形成固態，再將其研磨成粉末狀顆粒。采用擠出滾圓機將環氧樹脂顆粒、微晶纖維素、膨脹硅酸鹽水泥及羧丙甲基纖維素混合均勻，將吐溫80加入少量的水混合后倒入原材料混合物中。攪拌完成后將制備好的濕料放入擠壓系統中，采用擠出滾圓的方式制造囊芯顆粒。在滾圓過程中將配置好的乙基纖維素溶液噴灑于囊芯材料上。經過鼓風干燥后，使膠囊間彼此分散。最后通過14目（1 180 μm）及12目

（1 400 μm）的篩網選出粒徑為1.4～1.7 mm的微膠囊進行實驗。

1.2.2" 水泥砂漿試件的制備

砂漿試樣的制備與養護：參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》進行砂漿試件的制備。砂漿配合質量比為水∶水泥∶砂=1∶2∶6。微膠囊摻量質量分數分別按水泥質量的3%、6%、9%添加，微膠囊與固化劑的質量比為2∶1。稱取相應質量的原材料攪拌均勻后放入尺寸為40 mm×

40 mm×160 mm的三聯模具中，并采用振動臺振搗均勻。最后置于標準養護條件下養護24 h后拆模，并繼續養護至規定齡期。

試件預損傷：首先將標準養護28 d后的水泥砂漿試塊置于抗壓抗折一體化實驗機下測試其初始抗壓強度，作為砂漿抗壓強度修復效果的初始指標。隨后將需預損傷的試件以2.4 kN·s^-1的速度加載至原始強度的70%后停止加載并維持90 s恒載。最后將預損傷后的試件置于不同溫度下養護至規定齡期，試件每隔3 d進行24 h浸水處理。

1.2.3" 微膠囊對水泥砂漿初始強度的影響

依據GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》對砂漿試件進行抗壓強度及抗折強度測試。

1.2.4" 微膠囊對水泥砂漿自修復性能的影響

以砂漿試件的抗壓強度修復率<！--[if gte vml 1]>

o：href=\"file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml17572＼wps21.jpg\"/>

<！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->評價微膠囊對水泥砂漿抗壓強度的修復效果，計算公式見（1）。

式中：η — 抗壓強度修復率，%；

<！--[if gte vml 1]>

o：href=\"file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml17572＼wps23.jpg\"/>

<！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->"— 損傷未修復抗壓強度，MPa；

<！--[if gte vml 1]>

o：href=\"file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml17572＼wps24.jpg\"/>

<！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->"— 修復后的抗壓強度，MPa。

2" 結果與分析

2.1" 微膠囊摻入對水泥砂漿強度的影響

圖1、圖2為不同微膠囊摻量下水泥砂漿試件抗壓、抗折強度隨齡期變化圖。

可以看出隨著微膠囊摻量的不斷增加，水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度均呈下降趨勢，特別是在高摻量下其對砂漿試塊強度的減弱作用相當明顯。

這一方面是因為隨著微膠囊摻量的提高，越多的砂被取代，且微膠囊本身力學性能較低，使得砂漿中的薄弱相增多。另一方面因為微膠囊及固化劑的摻加，水泥的密度也有部分減少，從而導致強度的降低。

2.2" 不同溫度及齡期下微膠囊自修復性能

圖3、4、5分別為4種摻量的微膠囊試塊在經過其最大抗壓強度70%預壓荷載后在不同溫度及齡期下的自修復情況。

由上圖可以看出，強度修復率基本隨修復齡期的增加而線性增加。在-10 ℃與-20 ℃溫度時，3種摻量微膠囊均表現出較好的強度修復效果，同時強度修復一直延續至28 d，所需的修復齡期較長。證明了T31固化劑在低溫環境下也能夠正常固化環氧樹脂。觀察未摻入微膠囊的對照組，發現其強度修復率隨齡期緩慢增加，這也表明了水泥基體通過自身水化作用有一定的自修復能力。

在-10 ℃修復環境下，9%摻量質量分數微膠囊在早期便展現出較高的強度修復率。分析認為其在早期修復過程中發生了進一步水化作用，使其早期修復率有較大提升。經過14 d低溫修復后，微裂縫處的膨脹水泥遇水膨脹，且環氧樹脂與固化劑已基本完成開環聚合反應，形成交聯結構，二者共同作用下使裂紋逐漸愈合從而提高強度。

在-20 ℃修復環境下，3%摻量質量分數微膠囊表現出較好的修復效果。可能的原因是較低摻量下試件強度較高，預損傷破壞的程度變低，使其本身基體強度未受到較大損傷。

圖6為不同微膠囊摻量水泥砂漿試塊在不同溫度下養護7 d后的自修復情況。

從圖6中可以看出，試塊前期強度修復率基本隨溫度的降低而降低。在20 ℃常溫環境下。質量分數為3%、6%、9%的3種微膠囊摻量試件修復率分別為8.4%、7.8%、12.7%，均高于-20 ℃下的6.3%、4.3%、11.6%。其可能原因是較高溫度下修復劑在短時間內就能夠實現部分固化。而當溫度過低時，環氧樹脂固化速度變緩，故低溫修復環境下需要更多的修復時間。

3" 結論

1）微膠囊的摻入會在一定程度上降低水泥砂漿試件的力學性能。且隨著微膠囊摻量的增加，砂漿抗壓、抗折強度均呈降低趨勢。

2）微膠囊能夠對水泥砂漿起到自修復作用。在不同溫度下，強度修復率基本隨修復齡期增加而線性增加。在較早齡期，低溫下的修復率普遍低于常溫環境。未摻入微膠囊的試樣隨齡期變化也有一定的自修復效果。

3）綜合對比不同微膠囊摻量水泥砂漿試件的力學性能及其在低溫環境下的修復狀況，3%微膠囊摻量質量分數的水泥砂漿試件在低溫環境下的效果最好。

參考文獻：

[2] 郝浩. 微膠囊自修復水泥基材料失效機理及抗凍性研究[D]. 鎮江： 江蘇大學， 2022.

[3] 杜瑋. 異氰酸酯微膠囊制備及其對混凝土自修復性能的影響研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2020.

[4] 袁雄洲. 熱熔膠水泥基材料裂縫自修復性能、機理與耐久性壽命預測[D]. 南京： 東南大學， 2012.

[5] 陳懷成， 錢春香， 任立夫. 基于微生物礦化技術的水泥基材料早期裂縫自修復[J]. 東南大學學報（自然科學版）， 2016， 46（3）： 606-611.

[6] WANG J Y， SOENS H， VERSTRAETE W， et al. Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores[J]. Cement and Concrete Research， 2014， 56： 139-152.

[7] 黃穎鑫. 微膠囊-纖維水泥基復合材料自修復性能的實驗研究[D]. 深圳： 深圳大學， 2020.

[8] 黃麗娜， 毛倩瑾， 張建， 等. 海藻酸鈣微膠囊對水泥基材料的自修復效果研究[J]. 混凝土世界， 2021（10）： 52-55.

[9] 林智揚， 劉榮桂， 湯燦， 等. 包裹硅酸鈉的微膠囊自修復混凝土在不同修復劑下的修復性能[J]. 硅酸鹽通報， 2020， 39（4）： 1092-1099.

[10] 任禹敏. 自修復混凝土用無機壁材微膠囊的制備及力學性能研究[D]. 深圳： 深圳大學， 2019.

[11] 胡寶云， 車寧. 自修復混凝土國內專利形勢淺析[J]. 廣東化工， 2018， 45（9）： 170-171.

[12] VAN TITTELBOOM K， WANG J Y， ARAúJO M， et al. Comparison of different approaches for self-healing concrete in a large-scale lab test[J]. Construction and Building Materials， 2016， 107： 125-137.

[13] 周鳳梅. 水泥混凝土微膠囊自修復技術研究[D]. 重慶： 重慶交通大學， 2015.

[14] 謝昱昊. 水泥基用自修復微膠囊的制備與強度修復研究[D]. 南昌： 南昌大學， 2018.

[15] 劉澤博. 水泥基復合材料微膠囊自修復技術研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2020.

Study on Low Temperature Properties of Microcapsule

Self-Healing Cement-Based Materials

WANG Jipeng， LI Yao， DU Muzhi

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： Self-healing microcapsules were prepared by physical method using epoxy resin （E-51）， expanded portland cement as core material and ethyl cellulose as wall material. The influence of microcapsules on the strength of cement matrix under different dosage was studied. The self-healing properties of cement mortar at different repair ages and temperatures were studied. The test results showed that the compressive and flexural strength of cement mortar decreased with the increase of microcapsule content. In the early repair age， the strength repair rate at low temperature was lower than that at normal temperature. The sample with 3% microcapsule had good repair effect in low temperature environment.

Key words： Microcapsule; Self-healing; Mortar; Low temperature