新型有機(jī)微膠囊混凝土自修復(fù)復(fù)合材料及自愈合機(jī)理

在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)自修復(fù)的化學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)自愈合仿生修復(fù)，在高科技領(lǐng)域和重大工程項(xiàng)目中存在巨大應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究潛力。本課題以工程應(yīng)用為目標(biāo)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了新型的有機(jī)微膠囊混凝土復(fù)合材料，探索有機(jī)微膠囊修復(fù)劑對(duì)于混凝土微裂紋的自愈合機(jī)理，在國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道。研究表明有機(jī)微膠囊在混凝土自修復(fù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用具有工業(yè)可行性。建立微膠囊性質(zhì)，粒徑參數(shù)和摻量與混凝土復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度，劈拉強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系，優(yōu)化自修復(fù)混凝土復(fù)合材料化學(xué)組成，工藝條件和界面設(shè)計(jì)等，開(kāi)辟新的混凝土復(fù)合材料耐久性研究方法和應(yīng)用途徑。通過(guò)微膠囊模型試樣和斷裂特性的分析，建立裂紋應(yīng)力與有機(jī)微膠囊破裂的關(guān)系，建立有機(jī)微膠囊對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)效率，修復(fù)條件和修復(fù)范圍。研究有機(jī)微膠囊自修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理，為混凝土結(jié)構(gòu)中有機(jī)微膠囊的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和臨界尺寸控制提供測(cè)量方法和評(píng)價(jià)方法，為有機(jī)微膠囊在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程依據(jù)。

項(xiàng)目從濱?；炷辆C合劣化機(jī)理及測(cè)試方法入手；通過(guò)新型微膠囊設(shè)計(jì)、性能表征及自修復(fù)混凝土系統(tǒng)構(gòu)建；基于多個(gè)目標(biāo)參數(shù)對(duì)自修復(fù)混凝土的修復(fù)過(guò)程與機(jī)理進(jìn)行探索；并以實(shí)驗(yàn)表征與數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，建立自修復(fù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系。 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了固（水泥）/液（水）作用過(guò)程的表征方法、開(kāi)裂過(guò)程的跟蹤測(cè)試方法、氯離子侵蝕過(guò)程的無(wú)損檢測(cè)方法及鋼筋銹蝕特征分析方法；形成了新型自修復(fù)微膠囊的設(shè)計(jì)思想與制備工藝；架構(gòu)了新型的物理/化學(xué)/生物自修復(fù)混凝土體系；建立了自修復(fù)混凝土實(shí)驗(yàn)表征與數(shù)值模擬互為支撐的性能評(píng)價(jià)體系；并積極向工程應(yīng)用推進(jìn)。 本項(xiàng)目成功執(zhí)行，已發(fā)表論文48篇，其中SCI 論文40 篇；授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利35 項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利4項(xiàng)；培養(yǎng)博士后6 人，培養(yǎng)博士5 人，培養(yǎng)碩士13人；畢業(yè)11 人。在項(xiàng)目執(zhí)行期間，項(xiàng)目組成員獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。 依托本項(xiàng)目，廣東省教育廳立項(xiàng)批準(zhǔn)項(xiàng)目依托單位（深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Micro Lab成立“中-荷濱海土木工程材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”；項(xiàng)目組與劍橋大學(xué)、巴斯大學(xué)、卡迪夫大學(xué)聯(lián)合舉辦第一屆中英自修復(fù)材料國(guó)際論壇1 次(The Sino-UK Workshop on Self-healing Materials 2015，參加人員35人。2015 年1 月23-25 日；11 個(gè)報(bào)告)；另以本項(xiàng)目負(fù)責(zé)人邢鋒教授為主席成立RILEM-SHE（Self-Healing Evaluation）技術(shù)委員會(huì)，委員包括中國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、英國(guó)、意大利、西班牙、新加坡、日本、韓國(guó)、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家的自修復(fù)混凝土方面的專(zhuān)家學(xué)者。(RILEM TC SHE，并組織 1st meeting，30 June 2016, Shenzhen); 在本項(xiàng)目執(zhí)行的基礎(chǔ)上，依托單位成功舉辦 4th International Conference on Durability of Concrete Structures 1 次(ICDCS 2016, 29 June to 1 July, 2016, Shenzhen)；主辦第三屆全國(guó)防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)術(shù)會(huì)議1 次（2015. 13-15，深圳）。 2100433B

探索混凝土裂縫自修復(fù)新方法是提高混凝土結(jié)構(gòu)安全性和服役壽命的重要途徑之一，也是近些年混凝土研究的國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)之一。本項(xiàng)目根據(jù)混凝土材料的化學(xué)特性與應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，提出基于良好修復(fù)相容性的混凝土裂縫自修復(fù)的礦物自愈合新方法。研究混凝土結(jié)構(gòu)損傷開(kāi)裂信息傳遞機(jī)制，提出礦物材料自修復(fù)混凝土裂縫的設(shè)計(jì)方法；試驗(yàn)研究其關(guān)鍵影響因素，并提出自愈合效果有效評(píng)價(jià)方法；應(yīng)用反應(yīng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論探討裂縫礦物自愈合成因，探明混凝土裂縫礦物自愈合的誘導(dǎo)機(jī)制；提出中子成像技術(shù)動(dòng)態(tài)跟蹤礦物離子在混凝土裂縫中擴(kuò)散、遷移、誘導(dǎo)成核與結(jié)晶過(guò)程，采用CT掃描技術(shù)微觀測(cè)試手段監(jiān)測(cè)裂縫界面區(qū)沉積物生長(zhǎng)過(guò)程及其與基體相容性，從微觀、細(xì)觀和宏觀三個(gè)層次闡明礦物自愈合法修復(fù)混凝土裂縫的愈合過(guò)程與愈合機(jī)理，從而揭示礦物自愈合法修復(fù)混凝土裂縫的激勵(lì)機(jī)制這個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。研究成果為礦物自愈合法修復(fù)混凝土裂縫的理論與應(yīng)用解決科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)。

自修復(fù)混凝土可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決和不能解決的技術(shù)關(guān)鍵，在重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的及時(shí)修復(fù)以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對(duì)確保建筑物的安全和耐久性都極具重要性，也對(duì)傳統(tǒng)的建筑材料研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。

總之，為了迎合21 世紀(jì)人類(lèi)對(duì)建筑材料和結(jié)構(gòu)提出的功能——智能一體化要求，對(duì)存在潛在損壞危險(xiǎn)的混凝土表面進(jìn)行有效保護(hù)、對(duì)造成裂紋和損傷的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行自修復(fù)，使混凝土結(jié)構(gòu)具備自防護(hù)功能，是具有很大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的事情；自修復(fù)混凝土可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決和不能解決的技術(shù)關(guān)鍵，它對(duì)確保高層建筑、橋梁、核電站等重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全和長(zhǎng)期的耐久性，以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震沖擊等諸多破壞因素方面有很大的應(yīng)用潛力，對(duì)確保建筑物的安全和耐久性都極具重要性，也對(duì)傳統(tǒng)的建筑材料研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。