CN115159891A

CN115159891A - 水下构件的裂缝修复剂及修复方法

Info

Publication number: CN115159891A
Application number: CN202210865399.4A
Authority: CN
Inventors: 马强; 缪颖妍; 肖衡林; 郑庞坤; 李瑞恒; 吴继伟; 雷璟劼; 陈卓; 余汉龙; 陈智; 周鑫隆
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2022-10-11

Abstract

本申请公开了水下构件的裂缝修复剂及修复方法。将制备的胶囊粒子均匀混合在用于修复构件原破损面的水下裂缝修补材料中，实现对桥墩、大坝等水下混凝土构件深层裂缝的原位快速修复。本发明基于珊瑚虫仿生学，巧妙地利用了海水中丰富的钙离子和腐蚀构件的二氧化碳，为水下混凝土结构深层裂缝修复难度大、成本高等问题提供新的解决方案。

Description

水下构件的裂缝修复剂及修复方法

技术领域

本申请涉及建筑修复材料的技术领域，尤其涉及水下构件的裂缝修复剂及修复方法。

背景技术

随着运行时间的增加，大坝、桥墩等水下结构受到水流长时间冲刷和侵蚀，越来越容易产生缺陷和老化，并且难于观测和及时维护，以致强度降低不满足承载要求，水工结构的整体安全性也随之降低。此时，必须针对水下结构损伤的性质和程度，采取适当的修补措施，恢复结构的有效性，提高结构物的稳定性和耐久性。现有的水下结构损伤修复技术主要针对结构面层的裂缝，例如，“自愈合混凝土”的发明是在混凝土中添加无机增殖剂，但是这种只能修复结构面层的微小裂缝，桥墩在水下经历长年累月的冲刷可能会产生更深、裂缝宽度更小的裂缝，以至于此手段失效。对于较深的裂缝一般采用以下两种技术手段：1)采用塑性止水填料进行嵌缝封堵，再加盖塑性止水盖片达到表面防渗的效果。此方法不能修复构件深层裂缝也不能及时对后续新裂缝发生修补作用；2)裂缝处注射防渗材料胶结并堵塞现有裂缝。由于注浆材料的流动性往往较差，对于≤2mm的裂缝的修复效果不佳。

综上所述，对于深层裂缝以及构件内部的微裂缝等损伤还没有特别便捷、有效的技术手段；并且，目前市面上采用的处理措施存在施工难度大、成本高、效果不佳等问题。因此，现有技术需要一种能自行修补水下构件中深层裂缝的方法，确保水工建筑物的安全运行。

发明内容

有鉴于此，本申请提供水下构件的裂缝修复剂及修复方法，能够提高水下构件的修复效果。

<裂纹修复剂>

本申请水下构件的裂缝修复剂，包含形貌呈胶囊结构的胶囊粒子，胶囊粒子的芯材包含脲酶、脱脂奶粉和尿素。

已为公知的是，胶囊粒子是指呈完整或规整的核壳结构三维形态，并且其构成是处于外层的囊壁(或被称为壁材)和被囊壁所包围或封闭在其内的芯材(或被称为囊芯)。其中，囊壁是被设计成在特定条件下发生结构上的局部破坏以使芯材经过被破坏的囊壁释放。因而，胶囊粒子具有缓释性。

应当理解的是，本申请裂纹修复剂，除了胶囊粒子的其它组分，可以是根据需要所添加的混凝土(例如水下适用的混凝土)、SR防渗材料、GB柔性填料等，需要按照修复对象的安全等级以及水下裂缝修补材料的流动性确定胶囊粒子掺入的比例和拌和速度。

<制备方法>

(1)将脲酶、脱脂奶粉和尿素三种粉末以质量配比为(2-4):(3-5)：(50-70)的混合均匀，得到芯材；

(2)将3-8g经过步骤(1)所得芯材填充并密封在囊壁所围囊腔内；

(3)在囊腔内中充入氮气直至囊壁变成硬质球体，得到胶囊粒子；

(4)将步骤(3)制得的胶囊粒子密封备用。

所述步骤(1)所用脲酶、脱脂奶粉和尿素均为分析纯；

所述步骤(1)所用脲酶为商业植物脲酶，酶的活性为1500U/g-30000U/g；

所述步骤(1)的搅拌速度为15-45r/min；

所述步骤(2)硬胶胶囊的材料为食用明胶或淀粉；

所述步骤(2)硬胶胶囊的粒径为0.5-2.0mm，壁厚为0.15-0.20mm；

所述步骤(3)在20℃左右的温度下，以5.0-10.0MPa的工作压力下充装氮气；

所述步骤(3)的目的是：一保护胶囊内的粉末；二保证胶囊自身的硬度；三增加与混凝土等水下修补材料界面的结合强度。

所述合格的胶囊粒子中粉末所占体积应≥95％。

此胶囊粒子在水下构件损伤修复的原料准备过程中，按照水下裂缝修补材料质量m₁：胶囊粒子质量m₂＝(20-200)：1的比例掺入。

<修复原理>:

(1)水下构件受水流冲击或侵蚀导致微裂缝的产生，由于胶囊粒子与水下裂缝修补材料以及构件原破损界面紧密结合，导致微裂缝的产生与囊壁受拉同时发生。当构件的缝宽变大至0.2-1.0mm(此宽度为极限破裂宽度，该极限破裂宽度因构件自身强度和安全等级需要的不同而不同)，囊壁达到受拉强度最大值而发生破裂。

(2)开裂后，胶囊中的尿素与水在脲酶催化作用下生成CO₃ ^2-，反应方程式如下(1)式：

(3)式(1)反应生成的CO₃ ^2-和原水中溶解CO₂产生的CO₃ ^2-一同与水中自由的Ca²⁺结合形成，并且以脱脂奶粉作为成核位点快速生成大量碳酸钙沉淀，反应方程式如下(2)式：

(4)式(2)反应生成的碳酸钙沉淀是一种胶凝物质，晶体以球形的球霰石为主，粒径为5-20μm，像珊瑚虫一样，沿着裂缝一颗一颗剧集在一起，直到没有空间为止，即碳酸钙晶体依附于裂缝破损面大量产生，实现填补缝隙的目的。

本申请提供的裂缝修复剂，可以解决水下较深裂缝修复困难的问题，相比于现有技术，有如下优点：

1.利用原有海水中的Ca²⁺和溶解的CO₂作为反应物实现裂缝修复。对于水下构件水分子无孔不入，水中的盐离子和碳酸根离子本身就是腐蚀构件的利器，构件深层裂缝及内部损伤处的水是潜伏在构件内部的隐性疾病，后患无穷。本申请提供的方法巧妙地利用了这两种物质，转化为碳酸钙晶体这类有胶结能力的物质，再联合水下裂缝修补材料本身的防渗性质，解除了构件内部的后顾之忧；

2.本申请提供的方法是基于珊瑚虫仿生学的：一方面，是像珊瑚虫一样，修复过程利用水中的钙离子和二氧化碳；另一方面，像珊瑚虫一样，本申请的后续生成物是附着在前一步生成物的基础上继续发展的，这各过程和珊瑚礁的形成原理是一致的。

2.芯材遇水后形成溶液，其流动性良好，可以随着水分子的迁移修复微米级别的细微裂缝；

3.芯材所含的脲酶以干燥粉末的形式被保存在水下，水下的低温环境使，脲酶的活性得以长时间保存，直到胶囊破裂，遇水形成溶液，脲酶才发生活性；

4.本申请提供的方法可以实现两个对象的自体修复——原有构件的深层裂缝和水下裂缝修补材料，为水下构件安全提供双重保障，一举两得。

5.本申请提供裂缝修复剂可以实现构件产生裂缝后立即修复，制止情况继续恶化，构件得以继续高质量运行。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供的水下构件未修复、修复后的应力曲线图。

图2为本申请实施例提供的水下构件的裂纹未修复、修复后的SEM图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

<水下构件的修复剂的实施例>

请参阅图1。本申请实施例提供的水下构件的修复剂，其制备方法包含以下步骤：

第一步，在室温条件下，将30g酶活为10000U/g的商业脲酶(采购自山东瑞帆生物科技有限公司)、40g分析纯脱脂奶粉(采购自武汉华大天硕生物科技有限公司)和600g分析纯尿素(采购自国药集团化学试剂有限公司)三种粉末在搅拌速度为30r/min的搅拌机中搅拌约20min，直至三种物质混合均匀；

第二步，将5g第一步所得粉料混合物作为芯材并组装胶囊粒子，硬胶胶囊的平均粒径为1.5mm，平均壁厚为0.20mm；

第三步，在20℃左右的温度下，以5.0-10.0MPa的工作压力下囊腔内充装氮气直至胶囊粒子整体上呈硬质球体的质感；

第四步，检查制得的胶囊粒子，合格的胶囊粒子中粉末所占体积应≥95％，以备用；

第五步，配制混凝土，混凝土的组成为水泥：砂：碎石：水＝1:2.69:2.63:0.59，减水剂和掺合料所占质量比分别为2.89％和31.42％。按照混凝土m₁：微胶囊质量m₂＝100：2的比例使上述制备的胶囊粒子和混凝土混合，得到水下构件的修复剂。

<修复方法的应用例>

第一步，用混凝土模具按照C30的标准制得尺寸为40mm×40mm×40mm的混凝土立方体构件的试样，记为试样A；

第二步，按照“GB/T50081-2019，混凝土物理力学性能试验方法标准”的实施条件对试样A加载力负荷。具体为，将试样A置于位移控制式万能试验机(WDW-10E，济南耐而试验机有限公司生产)下，由加压板向下位移给试样施加轴向力，轴向加压板下降速度设置为1mm/min，直至试样表面发生明显的裂缝；

将具有裂纹的试样A浸泡在海水中24h，在海水条件下，将试样外表面涂抹5mm厚的水下混凝土修补材料，继续浸泡试样24h，得到试样B；

第三步，按照“GB/T50081-2019，混凝土物理力学性能试验方法标准”的实施条件对试样B加载力负荷。即使试样B置于如第二步所述的位移控制式万能试验机下，由加压板向下位移给试样施加轴向力，轴向加压板下降速度设置为1mm/min，直至试样B发生破坏。

<评价>

A、应力应变曲线测定

根据按照“GB/T50081-2019，混凝土物理力学性能试验方法标准”的计算方式，记录以上经过记载力负荷的试样A、试样B的应力应变曲线，如图1所示，

其中，图2中

式中，f_c为混凝土抗压强度；ε_c为与f_c对应的峰值应变；E₀为混凝土的初始弹性模量；E_s为峰值应力处的割线模量。

y1为第一次加载(采用未掺入胶囊粒子的水下混凝土修补材料修复后)的曲线，y2为第二次加载(采用掺入胶囊粒子的水下混凝土修补材料修复后)的曲线。

由图1可知，试样的弹性受力阶段延长，且后期强度明显提升。因为胶囊粒子生成的碳酸钙晶体填补了原有深层裂缝的损伤，说明本申请提供的方法有良好的裂缝修复效果。

B、礼貌分析

将已加载力负荷的试样B中仍然完好的部分(尺寸约为8mm×8mm×8mm)在扫描电镜(SU8010，株式会社日立制作所)下观察其微观结构形态。其形态如图2。

由图2可知，试样B的裂纹基本被填补，而试样A则具有较为明显的裂纹。这充分说明了本申请裂纹修复剂在水下条件下能有效修补裂纹。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种水下构件的裂缝修复剂，其特征在于，包含形貌呈胶囊结构的胶囊粒子，所述胶囊粒子的芯材包含脲酶、脱脂奶粉和尿素。

2.根据权利要求1所述裂缝修复剂，其特征在于，所述脲酶、脱脂奶粉和尿素的质量配比为(2-4):(3-5)：(50-70)。

3.根据权利要求1所述裂缝修复剂，其特征在于，所述脲酶为植物脲酶，酶的活性为1500U/g-30000U/g。

4.根据权利要求1所述裂缝修复剂，其特征在于，所述胶囊粒子的壁材明胶或淀粉。

5.根据权利要求1所述裂缝修复剂，其特征在于，所述芯材所在囊腔内封装有在20℃下并以5.0-10.0MPa的工作压力下充装形成的氮气。

6.根据权利要求1所述裂缝修复剂，其特征在于，还包含修复填充料，所述修复填充料为混凝土、SR防渗材料、GB柔性填料中的一种或至少二种。

7.根据权利要求1所述裂缝修复剂，其特征在于，所述胶囊粒子占所述修复剂总质量的5‰-5.0％。

8.一种水下构件的修复方法，其特征在于，采用如权利要求1所述裂缝修复剂实施修复。