文摘

在这个研究中,自我修复由于进一步水化未水化水泥颗粒为例调查胶囊的影响胶结材料的自修复效率和机械性能。水的供应效率通过使用胶囊胶囊剂量和大小确定的函数数值。通过了解的水量供应通过胶囊、自我修复的效率由于量化进一步未水化水泥的水化。此外,调查数值胶囊对力学性能的影响。释放水的数量增加的剂量胶囊在不同污水胶囊的大小各不相同。关于自我修复的最佳效率,优化胶囊的尺寸是6.5毫米的胶囊用量为3%,5%,和7%,分别。弹性模量和抗拉强度的胶结材料与胶囊的增加减少。抗拉强度的下降趋势比弹性模量。然而,发现积极的影响的增加(诱导自愈的能力)胶囊大于负面影响的(减少机械性能)胶囊用量的增加。

1。介绍

开裂,引起的收缩和外部载荷,是固有的钢筋混凝土结构。钢筋混凝土结构的裂缝促进积极的入口代理和减少混凝土结构的使用寿命。人工修复是解决上述问题的传统。然而,认识到人工修复不能持续很长时间1]。此外,混凝土在水下或地下裂缝通常是无法人为造成的维修。相比,人工修复,修复裂缝,裂缝(定义为自主维修2),可以是有益的3- - - - - -6]。自我修复的裂痕,近年来引起了人们广泛的关注(7- - - - - -10]。例如,胶囊存储各种胶剂在实验室生产的裂缝自愈胶结材料(11- - - - - -13]。矿物掺合料也用于开发自修复混凝土(14- - - - - -19]。细菌也应用在混凝土结构自修复剂(17,20.- - - - - -24]。即使没有这些提到的愈合剂,胶结材料有自愈的能力,也就是说,自修复(7,25- - - - - -28]。据报道,水的可用性是至关重要的,自发的自我修复和自我修复基于矿物掺合料和细菌(9,10]。因此,有必要为了促进供水到裂缝自愈基于这些机制在混凝土结构,混凝土结构在干燥的环境中。要做到这一点,水可以存储在胶囊,然后添加到混凝土。然而,通过胶囊水供应的效率及其对自我修复能力的影响研究不够。胶囊的影响力学性能的胶结材料的函数胶囊剂量仍不清楚。

在这个研究中,自我修复由于进一步水化未水化水泥颗粒为例调查胶囊的影响胶结材料的自修复效率和机械性能。众所周知,大量的水泥仍未水化随着时间的推移,由于缺水,特别是在高性能混凝土,如图1(29日]。进一步促进水化,额外的水储存在胶囊中预先混合矩阵。当水泥矩阵裂缝,有些胶囊是坏了,水存储在胶囊释放到裂缝。因此,进一步水化未水化水泥颗粒提升。预计裂缝所能治愈的产品进一步水化形成的裂缝。

先前的研究[12,23,30.]表明,储存液体胶囊治疗代理可以强大到足以抵抗力量在搅拌混凝土的但足够弱受裂缝时容易破碎。在这项研究中,它被认为,这种胶囊可以用来储存水。为了评估自我修复的可行性通过使用水胶囊,水的供应效率通过使用胶囊胶囊剂量和大小的函数将确定数值。通过了解的水量供应通过胶囊、自我修复的效率由于进一步水化未水化水泥可以量化建模。此外,胶囊对力学性能的影响也调查了数值。

2。回顾自修复效率和释放的水的数量

为了确定自我修复的效率由于进一步水化未水化水泥作为胶囊用量和大小的函数之间的关系自修复效率和水应该首先确定发布的数量。这种关系在之前的调查研究(31日]。综述了它在本节中,为了提供更清晰的图像。

2.1。自愈的机制进一步水化

如图2,装入胶囊水是嵌在混凝土矩阵。由于低强度的胶囊,胶囊是假定被打破时受到裂缝。水储存在胶囊立即释放和裂缝充满了水。当裂纹表面上的未水化水泥颗粒与水接触,未水化水泥的熟料阶段立即解散。Ca^{2 +}立即开始弥漫出未水化水泥颗粒然后硅酸盐开始扩散以及[31日]。因此,裂缝溶液中各种离子的浓度逐渐增加。一旦离子的浓度达到平衡标准降水、进一步水化产品形成的裂纹。随着进一步的未水化水泥水化产物形成,进一步水化速度减慢,逐渐变得越来越diffusion-controlled [34,35]。在此期间,一些地区消费的离子形成离子的水化产物,而其他部分可能扩散到裂缝的解决方案。因此,治疗产品裂纹的形成使但变得越来越慢。

除了未水化水泥在裂纹表面暴露,一些离子扩散到溶液中裂纹的未水化水泥混凝土内部嵌入矩阵(不是在裂缝表面)。这些离子也便于治疗产品裂纹的形成。

应该提到的是,吸收的水裂缝将公布具体矩阵由于毛细管作用。因此,裂缝装满水的部分将减少。然而,事实是,进一步水化的降水产品只发生在裂缝装满水的部分。当裂缝的水完全吸收,裂缝将停止进一步水化。

2.2。自愈的仿真进一步水化

自愈的过程进一步水化上面提到的模拟在先前的研究31日]。如图340毫米的裂纹尺寸(长度)×40毫米×10(深度)μ(宽度)应该通过一个胶囊。因为水泥浆水化产物形成w / c比值较低非常密集,一些未水化水泥颗粒也可以通过裂缝。假设周围的裂纹试样的表面密封,蒸发的水不会发生和方解石的碳化也阻止了。

在仿真,认为胶囊破碎的裂缝时,所有的水储存在破碎的胶囊可以释放到裂缝由于毛细管作用。正如前面提到的,裂缝的水可以通过混凝土吸收矩阵。水量存在的裂纹可以通过水路运输模型,计算基于质量平衡(36- - - - - -38]。

裂缝的进一步水化过程中含水的部分在微观层面上模拟。一个小广场大小为100μm×100μm(不含裂缝宽度)仿真系统的含水段裂缝图所示3。未水化水泥颗粒的分布被HYMOSTRUC3D模拟(34,39,40]。小广场的大小被离散成micropixels 2μm×2μm。每个micropixel中的离子浓度计算的离子扩散模型基于菲克定律。与此同时,基于化学平衡热力学模型,质量平衡,离子电荷平衡是用来模拟进一步水化micropixels发生。在每个时间步,计算的离子浓度扩散模型在每个micropixel被输入到热力学模型。通过热力学模型,进一步水化产品计算,以及离子浓度后化学反应。浓度从热力学模型的输出是输入再次扩散模型作为下一步计算的初始条件。进一步水化的压缩模型的流程图如图4。

自修复效率,定义为进一步水化产物的体积比裂纹,可以进一步由耦合水运输和水化水泥颗粒。

2.3。自修复效率和水的数量

基于截面的方法2.2自修复效率之间的关系,从破胶囊释放的水量。如图5,自修复效率上升的增加释放水两种不同的斜坡。当100毫米³提供的水入裂缝,其中大小40毫米(长度)×40毫米×10(深度)μ(宽度),最终的自修复效率约为9.5%。虽然破胶囊提供150毫米³的水,最后自修复效率增加到15.3%。坡,最后自修复效率上升到22.9%时,额外的水增加到250毫米³。然而,治疗效率的增加变得不那么重要这一点后(这条曲线的斜率是减少)。原因是,当释放水接触上的未水化水泥裂缝表面,进一步水化产品大幅增加。随着进一步的未水化水泥水化产物形成,进一步水化逐渐减慢。

3所示。裂纹的可能性胶囊

作为讨论的部分2、自我修复的效率取决于从破碎的胶囊释放水的数量。在模拟,它假定胶囊可以被击中时裂纹。不难想象,只有部分胶囊胶囊以来受到裂缝随机分布在整个结构。打击的概率由剂量,大小,和胶囊的形状。现在,有几种分析模型(41,42)计算的概率裂纹胶囊。在这项研究中,随机实验在计算机的帮助下进行计算的概率裂纹胶囊。胶囊的作用大小也考虑在内。所有的胶囊应该是球体。

3.1。计算方法的概率裂纹胶囊

相应的模拟部分2建模系统,这是一个梁的大小40毫米×40毫米×160毫米。如图6,所有的胶囊具有相同半径梁内均匀分散,不重叠或相互接触。此外,胶囊不能交叉梁的表面。

在这项研究中,水泥浆是简化为均质材料。胶囊是认为是分割的,如果他们受到裂缝。在这种情况下,裂缝是平面,可以简化为一个平面。因此,打击的概率的概率等于胶囊的中心分散在“影响区”的平面裂纹,如图所示6 (b)。获得的概率胶囊中心分散在平面裂纹的“影响区”,1000个随机实验。统计分析的胶囊通过平面裂纹了。根据1000年的统计分析,实验可以保证胶囊受裂纹的平均数量在10%的真正价值在95%的置信度。

3.2。结果与讨论

平面裂纹的概率达到不同数量的胶囊如图7。当胶囊是5%的剂量和胶囊的直径5毫米,事件,0.5%的概率是1胶囊的样本受到裂缝。当胶囊破碎的裂纹的分数增加,相应的概率降低。裂缝不可能打破所有的胶囊混合样品。如图7事件的概率几乎为0,超过6%的胶囊样品受到平面裂纹。直径在其他情况下,概率相似的变化趋势。

如前所述,由于低强度的胶囊,胶囊是假定被打破时受到裂缝和水是释放到裂纹从破碎的胶囊。释放水的数量,对应于不同剂量的胶囊,如图8。对于这个计算,置信度为95%(概率是0.95)。发现水的释放量影响胶囊的大小。当胶囊的尺寸足够小,也就是说,1.5毫米和3毫米,释放水的增加线性增加的胶囊。这种增加的趋势变化时胶囊的大小范围从5毫米到7.5毫米。从图8,它可以了解到,关于释放的最大数量的水,有一个优化胶囊在每种情况下的剂量大小的胶囊。例如,胶囊的优化尺寸是3.0毫米的剂量胶囊是1%。相比之下,胶囊的优化规模增加到6.5毫米的剂量胶囊在示例是3%,5%,和7%,分别。这个建议也显示在图9。当剂量胶囊混合样本的5%,破碎的部分胶囊随大小的胶囊,概率是在同一水平上。在这项研究中,信心的程度预计为95%,这意味着事件的概率应该是0.95。这个概率,分数的胶囊破裂缝范围从0.84%到2.3%当胶囊直径变化从1.5毫米到7.5毫米。应该提到的是,当胶囊的尺寸是6.5毫米,破胶囊的数量是最大的。

从这个建模,释放水的量的函数确定剂量的胶囊预先混合,这对自修复效率通过进一步水合作用是至关重要的。此外,优化胶囊大小不同剂量的胶囊预混合的建议。这种优化胶囊大小可以显著提高自愈的裂缝胶结材料进一步水化。

4所示。胶囊对力学性能的影响

如前所述,由于胶囊的强度较低,结构的力学性能降低,当有些胶囊是嵌入在水泥矩阵。胶囊混合,机械性能越低。因此,机械性能之间的量化关系和胶囊的含量与水泥混合自愈的优化至关重要。在本节中,一个3 d格点模型被用来模拟裂缝水泥浆的胶囊。

4.1。3 d格点模型

以下4.4.1。模型的基本知识

晶格模型提出了描述材料在宏观尺度上通过网络桁架元素在1941年(43]。然而,桁架元素的网络不能描述材料在裂纹面桥的旋转,这通常发生在混凝土的断裂过程44]。晶格模型和梁元素提出了Schlangen范我(32,45- - - - - -47]。三角形的点阵图所示10 ()。梁元素有固定连接的节点,可以将轴向力、剪切力、弯矩,如图10 (b)。梁应该表现出线性拉伸应力下,如图所示10 (c)。在仿真,首先应该分析应力在梁元素。梁元素的拉应力可以通过以下公式计算: 在哪里法向力,参考节点的弯矩和分别代表梁的横截面,选择一个失效模式,介绍了起主导或限制作用。

应力分析后,压裂材料发生通过消除压力最高的梁单元相对于其抗拉强度。移除梁单元的刚度矩阵将被删除在下一步的计算。乘以比例因子、反应和位移之间的关系。在每一步这个过程之后,一个确切的解决方案。

这种晶格模型扩展到三维模型的钱(33,48]。为了获得更精确的结果,3 d版的晶格模型用于这项研究。

4.1.2。格构梁的建设

为了调查胶囊的影响力学性能的结构、标准梁的断裂过程(40毫米×40毫米×160毫米)拉伸载荷作用下被3 d格点模型模拟。如图11在样本,胶囊随机分配。在这个建模、水泥浆被认为是均匀的。此外,由于液体胶囊内的强度远低于水泥浆,胶囊是简化为洞。这意味着胶囊壳和界面过渡区(ITZ)胶囊壳和混凝土之间的矩阵将被忽略。为了保证胶囊可以交叉裂缝,胶囊壳ITZ的断裂能量必须低于混凝土矩阵。此外,胶囊壳通常是薄的。因此,胶囊的简化洞几乎没有影响混凝土的强度计算和胶囊。

基于这些假设,样本的结构的晶格模型可以生成。这种结构的晶格是由体素的大小1毫米×1毫米×1毫米。如图12随机选择一个点,在小立方体(0.5毫米×0.5毫米×0.5毫米)在每个对水泥浆体素。随机晶格是由连接这些点和梁元素定义的。这样,水泥浆的障碍由梁长度的差异实现。样品的晶格由梁元素胶囊如图13。梁元素的属性被分配根据水泥浆的性能,如表所示1(33]。

4.2。结果与讨论

如数据所示14和15的增加,力学性能降低胶囊混合样品。从图15,可以发现,降低利率的弹性模量小于抗拉强度。当胶囊的体积混合样本的7%,样品的弹性模量下降近17%,而抗拉强度降低50%以上。抗拉强度,减少的趋势最明显的胶囊的体积分数范围从0%到3%。

从这些结果,可以了解到胶囊的负面影响力学性能很重要,特别是对于抗拉强度。这些负面影响应考虑而设计的混合胶结材料和自愈能力。

5。分析胶囊的剂量

基于数据5和8,自修复效率和胶囊的用量之间的关系与不同的大小可以确定,如图所示16。很明显,胶囊的自修复效率增加而增加。作为讨论的部分3.2发布的水量,从破碎的胶囊是最大的胶囊的直径是6.5毫米(胶囊的用量超过3%)。因此,如图16,自我修复的效率是最高的,如果胶囊的大小是6.5毫米,胶囊的用量是超过3%。

然而,随着中提到的部分4所示。2的增加,力学性能降低胶囊混合样品。图17显示了自修复效率和减少的比较不同数量的胶囊混合时抗拉强度。为了比较的积极作用与负面影响胶囊,自修复效率比定义规范化抗拉强度的降低。在这项研究中,胶囊的积极影响是指诱导自愈的能力,通过提供额外的水。机械性能的负面影响是指减少造成的胶囊。

胶囊剂量的3%,混凝土的抗拉强度包含胶囊,没有胶囊的59%左右。它可以发现,自修复效率增加15%时,抗拉强度减少41%,当胶囊的用量为3%。因此,自修复效率的比率的降低抗拉强度约为0.36。这个比例增加到0.70,当剂量胶囊上升到7%。这意味着增加胶囊的正面影响大于负面影响的胶囊的用量上升。

然而,很明显,超过30%的抗拉强度的减少太多的工程实践。因此,策略,如增加预应力钢筋或纤维混合物中应该提出,同时应用胶囊在胶结材料实现自我修复。

6。结论

用量的影响和大小的胶囊自愈和胶结材料的力学性能研究。裂纹的概率达到胶囊是由执行随机实验的帮助下电脑。通过这种方式,释放水的数量之间的关系和胶囊用量的确定。胶囊的影响大小的释放量水也被探索。通过了解的水量供应通过胶囊、自我修复的效率由于进一步量化了未水化水泥的水化建模。此外,调查数值胶囊对力学性能的影响。

从结果可以得知的增加率的释放量水的用量胶囊胶囊的大小变化。关于释放水的最大数量,优化胶囊的尺寸是6.5毫米,而剂量的胶囊是3%,5%,和7%,分别。根据自修复效率之间的关系和释放的水破胶囊,自修复效率的函数确定剂量的胶囊。关于力学性能、弹性模量和抗拉强度的样品与胶囊的增加减少。抗拉强度的下降趋势比弹性模量。比较胶囊在自我修复,对力学性能的影响,可以发现,增加积极的影响(诱导自愈的能力)胶囊大于负面影响的(减少机械性能)胶囊用量的增加。然而,胶囊的负面影响力学性能不被忽视。必须强调,基于矿物掺合料的自愈和细菌收益高于自我修复由于进一步的未水化水泥的水化15,18,23]。因此,自我修复的效率,基于矿物掺合料和细菌应该高于自我修复由于进一步水化时未水化水泥用量和大小的胶囊都是相同的。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢“江苏省自然科学基金”(BK20150601),“中央大学基础研究基金”(2242016 k40014),和“开放国家重点实验室基金高性能土木工程材料”(2015 cem002)的金融支持。Erik Schlangen教授和博士再次给钱非常感激他们的帮助使用3 d格点模型。