【摘要】：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,如何使得材料實現(xiàn)自修復功能已成為材料領域研究的熱點。目前針對水泥基材料自修復的研究很多,微膠囊自修復作為比較常用的被動修復方法之一,受到了越來越多的關注。采用微膠囊方法進行水泥基材料自修復時,研究學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,分析修復前后水泥基材料的力學、耐久性能,評價微膠囊的修復效率。而將微膠囊方法應用于水泥混凝土路面中,對其在車輛、環(huán)境荷載下開裂行為的研究則未見報導。應用微膠囊方法對水泥混凝土路面進行自修復的首要條件是保證其能夠承受車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具有一定的抗裂性;而應用的最終目的則是在路面出現(xiàn)裂紋時,裂紋能夠穿破微膠囊,即微膠囊的囊壁材料應具有一定的可裂性,基于此研究目的,本文開展了自修復微膠囊在水泥混凝土路面中的開裂行為研究。與宏觀路面尺寸相比,微膠囊的尺寸比較小(通常小于1000μm),在同一尺度對兩者進行研究不現(xiàn)實,必須采用多尺度方法。本文建立兩尺度宏-細觀分析模型對微膠囊的力學行為進行分析,在宏觀尺度,將含微膠囊的自修復水泥混凝土視為各向同性的均質材料,在細觀尺度,視為水泥混凝土和微膠囊組成的兩相復合材料。在尺度劃分的基礎上,根據微膠囊的摻量及水泥混凝土的配合比對各尺度材料的體積分數(shù)進行計算,作為微膠囊修復水泥混凝土材料的等效熱力學常數(shù)預估的基礎。同時,對細觀尺度幾何模型的建立方法進行介紹。加入微膠囊之后,水泥混凝土的等效熱力學參數(shù)將受到一定的影響,本文采用復合材料細觀力學理論方法,從微觀尺度出發(fā)對水泥混凝土的等效彈性常數(shù)進行預估,并采用有限元數(shù)值模擬方法進行驗證,說明理論方法的可行性。在此基礎上,將囊芯簡化為不可壓縮固體,采用理論方法對微膠囊的等效熱力學參數(shù)進行分析,并將微膠囊作為水泥混凝土中的一項夾雜,對含微膠囊的水泥混凝土的等效熱力學參數(shù)進行預估。引入耦合多尺度方法,對車輛與溫度荷載耦合作用下自修復水泥混凝土中微膠囊的應力進行分析。根據耦合多尺度的原理,對細觀模型施加周期性邊界條件,在此基礎上,根據合適的強度準則尋找模型的應力敏感單元,提取應力敏感單元高斯積分點處的應變分量,并將其作為細觀模型的平均應變施加至細觀模型,依此對微膠囊的囊壁應力進行分析。此外,對可能影響囊壁應力水平的因素,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行參數(shù)敏感性分析,對微膠囊的抗裂性進行評價。當混凝土中出現(xiàn)裂紋時,裂紋的擴展能夠穿破微膠囊,是微膠囊修復的最終目的。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度可能會影響裂紋的擴展路徑,本文聯(lián)合采用擴展有限元及內聚力模型的,對水泥混凝土路面中微膠囊的可裂性進行分析。裂紋在水泥混凝土中的擴展采用擴展有限元模擬,在微膠囊與水泥混凝土界面則采用內聚力模型模擬。此外,分析囊壁彈性模量、囊壁厚度/囊芯半徑比及粘結強度對微膠囊囊壁可裂性的影響,對微膠囊的可裂性進行評價。本文建立的水泥混凝土路面中自修復微膠囊的抗裂性和可裂性分析方法能夠為微膠囊修復在水泥混凝土路面中的應用提供參考,有助于微膠囊設計參數(shù)的優(yōu)化,對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強度提出合理化建議。
【圖文】：

研究學者發(fā)現(xiàn)蓄水結構物、涵洞和地下管道的混凝土。土能夠實現(xiàn)自然自修復的主要機理有兩點：裂縫處水泥的進一步O3）的沉淀。水泥的進一步水化主要是指當混凝土在服役期間化的水泥顆�；蛘吣z凝材料在有水分存在的條件下進一步水化，，充，實現(xiàn)混凝土的自然修復。Jacobsen 等人在高性能混凝土的裂氫氧化鈣（CH）和鈣礬石（AFt）[2]，Schlangen 等人通過將有裂養(yǎng)護，發(fā)現(xiàn)裂紋面處有新生成的水化硅酸鈣（C-S-H）[3]。而 Ed裂縫自然修復效果明顯，當其在水中養(yǎng)護時，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+）在過飽和3沉淀對裂縫進行了填充修復，如圖 1.1 所示[4]。Sisomphon 等人度在裂口處濃度最高，因此 CaCO3沉淀的場所一般位于裂口處[5

混凝土在發(fā)生損傷時能夠自動識別，對混凝土的結構安全實時監(jiān)測并做出適應性反應以及時進行修復，延長混凝土結構的使用壽命。目前在土木工程領域使用較多的智能修復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，這兩個特性使得 SMA 在混凝土中具有很廣闊的應用前景，使得混凝土結構的力學等性能在加載之后能夠恢復，不過 SMA 的形狀記憶功能需要通過電等外部激勵實現(xiàn)。Song 等人對 SMA 中最常用的錫鈦合金在土木工程中的應用進行了回顧。在混凝土梁的關鍵部位埋入 SMA 絞線，當在加載過程中出現(xiàn)裂縫時，通過電激勵 SMA 能夠使裂縫在卸載后自動閉合，如圖 1.2 所示[42]。Kirkby 等人將 SMA 與微膠囊相結合植入聚合物中以促進裂縫自修復[43]。狄生奎等人對混凝土梁的裂縫寬度與 SMA 電阻變化的關系進行了試驗，研究了梁裂縫的恢復情況[44]。崔迪等人發(fā)現(xiàn)利用 SMA 的超彈性，對其施加預應力可以有效提高 SMA 混凝土梁的承載力及耗散能[45]。歐進萍等人研究發(fā)現(xiàn)鋼筋的塑性變形對 SMA 的變形恢復具有不利影響[46]。
【學位授予單位】：長安大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U414;U416.216

【參考文獻】

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本文編號：2688890