地下水环境下混凝土裂缝自溶型矿物自修复系统设计及愈合机制

Exploring new smart self-healing methods for concrete cracks is one of important ways to improve safety and durability of concrete structures, which is also one of international forefront hot issues in concrete research. In this project, based on groundwater environment features and biologic autolysis theory, a new autolytic mineral self-healing method for autonomic rehabilitation of concrete cracks is proposed, and a new autolytic mineral self-healing system for concrete cracks in the groundwater environment is designed. Based on reaction thermodynamics and dynamics, the control equations and key parameters of autolysis and crystal healing processes of autolytic mineral are studied and determined. Preparation technologies of autolytic minerals with different healing demands and their effect on mineral autolysis and diffusion are studied. The dissolution of mineral protective film and the diffusion, migration and reaction processes of mineral irons in concrete cracks are tailed using TEM method. Growth process, microstructure and interface features of sediment in crack interface region in groundwater condition are monitored using microscopic testing methods such as AE and CT. Effective evaluation methods of self-healing effectiveness of autolytic mineral are studied and determined. Autolysis mechanism and healing process of autolytic minerals for concrete cracks were interpreted at different scales from microscopic, mesoscopic to macroscopic directions. In general, the two key scientific problems of mineral autolysis and healing strength enhancement mechanism of this new method are revealed.

探索混凝土裂缝智能自修复新方法是提高混凝土结构安全性和耐久性的重要途径之一，也是近些年混凝土领域研究的前沿热点之一。本项目基于地下水环境特点与生物自溶仿生原理提出混凝土裂缝主动修复的自溶型矿物自修复新方法，设计出适用于地下水环境的混凝土裂缝自溶型矿物自修复系统；应用反应热力学与动力学理论研究并确定自溶型矿物自溶蚀和结晶愈合的反应控制方程和关键参数；研究基于不同修复需求的自溶型矿物制备工艺及其对矿物溶蚀与扩散的影响规律；采用透射电镜法跟踪矿物覆盖膜的自溶蚀过程及矿物离子在混凝土裂缝中扩散、迁移与反应过程，采用声发射、CT扫描技术等微观测试手段监测水环境下裂缝界面区沉积物生长过程、微观结构及其界面特征；研究并提出自溶型矿物自修复效果的有效评价方法与修复效果；从微观、细观和宏观三个层次阐明自溶型矿物修复混凝土裂缝的自溶蚀机理与愈合过程，从而揭示其自溶与愈合增强机制这两个关键科学问题。

混凝土裂缝自溶型矿物自修复是面向重大工程所提出的主动自修复技术，尤其是在难以进行传统人工修复的地下水环境，探索自溶型矿物裂缝自修复行为及其关键科学问题对提高混凝土结构耐久性具有重要的科学意义与实际应用价值。. 本项目围绕混凝土材料的化学特性与地下水环境特点，设计出了可主动控制的自溶型矿物自修复系统，建立了自溶微球制备-包覆膜自溶蚀-矿物修复反应的关键设计方法，达到了矿物修复材料有效保存与修复反应及时发生的目的；探明了地下水环境下混凝土结构微裂缝的特征，结合硬化混凝土的内外环境特点，得出了自溶型矿物自修复系统的响应机制，部分水化产物溶解提供的离子在浓度梯度的作用下，最终参与到自修复反应中；探究了自溶型矿物自修复系统的修复反应方程和控制参数，从热力学角度阐明了矿物材料的自溶蚀反应，从动力学角度分析明确了自溶型矿物自修复过程的关键控制方程，明确了自修复反应过程中生成C-S-H晶体扩散-传输-沉淀的三个关键环节。. 研究了不同自溶型矿物材料的制备工艺，采用溶胶凝胶法与溶剂蒸发法成功制备了两种矿物微球，通过优化工艺参数可自主设计自溶微球的包覆膜厚度，实现了自溶过程的主动调控；明确了自溶型矿物微球的自溶行为，通过研究不同外部环境对矿物材料自溶蚀过程的影响，得到了pH值、温度等外部环境参数与微球自溶过程的相互关系；建立了自溶型矿物自修复系统的愈合效果评价体系，采用多尺度测试手段从微观、细观到宏观三个层次分析明确了自溶型矿物微球化学结构与基体裂缝愈合效果，并提出了自溶型矿物自修复法修复混凝土裂缝的自愈合机制。采用微观电镜技术探明了自溶矿物微球的微观形貌，应用红外光谱分析技术明确了自溶矿物微球的化学结构，通过内部裂缝闭合程度、表面裂缝愈合率、力学性能恢复率等方法证实了自溶矿物微球的自修复效果。