环氧树脂微胶囊对水泥自修复复合材料微观结构的影响

3.0 闻远设计 2023-05-07 191 4 21.86KB 4 页 2光币

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环氧树脂微胶囊对水泥自修复复合材料微观结

构的影响

混凝土材料是全世界用量最大的建筑材料，广泛应用于工业与民用建筑、桥梁道路、地下共同

沟、水利水电及港口海洋等工程结构［1 ］．混凝土材料的抗折强度低，在外界环境的作用

下，其内部不可避免会产生裂纹，并有可能引发宏观裂缝，由此带来一系列耐久性问题．微胶

囊技术是通过成膜材料包覆分散性的固体、液体或气体而形成具有核-壳结构微小容器的技

术，广泛应用于医药、食品和印刷等工业领域，并取得了显着发展［2-3］．

近年来，随着复合材料技术的发展，微胶囊技术在复合材料裂纹自修复方面的应用得到了重

视，成为新材料领域研究的热点之一．水泥自修复复合材料的工作机理是在水泥材料内部预埋

含有固化黏结剂的微胶囊，当水泥材料在外力作用下产生裂纹时，裂纹的前端应力使微胶囊破

裂，流出的高分子黏结剂与空气或水泥基体中的固化剂发生反应，生成具有黏结能力的物质，

从而抑制裂纹的扩展并修复裂纹，达到恢复甚至提高材料强度的效果［4-7］．

水泥石结构硬化后，内部大量自由水的蒸发引起孔隙的产生．不同尺寸的孔隙是硬化水泥浆体

的一个重要组成部分，也是影响水泥浆体性能的重要因素．按孔径对强度的不同影响，将水泥

材料中的孔分为无害孔、少害孔、有害孔和多害孔．各种孔径尺寸的孔对材料性能的影响不

同，大孔对材料性能的影响较大，而小于某一尺寸的孔对材料性能的负面影响较小［8-11 ］．

由于掺入的微胶囊是球型物质，在水泥浆体中能自由滚动，减小组分间的摩擦阻力，提高了浆

体的流动性，使得硬化后的水泥材料内部孔隙更细小均匀，一定程度上改善了水泥材料的耐久

性和抗渗性．因此，研究微胶囊对水泥自修复复合材料微观结构的影响是研究材料的宏观性

能，揭示其在内外环境作用下结构性能变化规律的重要内容．本研究在环氧树脂微胶囊的制备

实验基础上，制备水泥自修复复合材料，研究养护龄期和微胶囊的质量分数对复合材料的微观

结构、抗电腐蚀性能、抗渗透性能及水化放热过程的影响，为水泥自修复复合材料的设计和应

用提供科学依据．

1 材料及方法

1. 1 实验材料

双酚 A 型环氧树脂 ( E-51) ，工业品，江苏三木集团生产; 质量分数为37% 的甲醛，分析纯，

广东汕头市西陇化工厂生产; 尿素，分析纯，天津市百世化工有限公司生产; 水泥为 P. O. 42. 5

普通硅酸盐水泥，深圳海星小野田水泥有限公司生产; 水为普通自来水; 脲醛/环氧树脂微胶

囊，自制;MC120D 固化剂，广州市穗桦精细化工有限公司生产; 四乙烯五胺，化学纯，上海邦

成化工有限公司生产．

1. 2 实验方法

1. 2. 1 微胶囊的制备将甲醛和尿素按摩尔比 1 2 ∶ 加入到三口烧瓶中，搅拌溶解后，调节 pH 值

至8 ～9 ，升温至70℃ ，搅拌下回流反应 1 h ，得到黏稠透明的脲醛树脂预聚体．按不同的囊

芯与囊壁的比例加入环氧树脂 E-51 ，搅拌乳化20 ～30 min 后，调节体系 pH 值为2. 0 ～4. 0，

待微胶囊完全形成后，固化 1 ～3 h，经过滤、洗涤、干燥后得到不同粒径微胶囊产品

［12］．

1. 2. 2 水泥自修复复合材料的制备将水泥、环氧树脂微胶囊和 MC120D 固化剂粉末按一定质量

比混合，其中，水灰质量比为0. 25 ，微胶囊与固化剂质量比为2 1∶ ．微胶囊粒径为 223μm．

在水泥净浆搅拌机上慢速搅拌 3 min，待各物质混合均匀后，加入水和四乙烯五胺固化剂继续

搅拌，搅拌结束后将复合材料浆体装入三联模，标准养护箱养护 1 d 后拆模，放于标准养护箱

中养护至特定龄期后进行测试．

1. 2. 3 试样制备 1) 孔结构实验试样．将一定质量分数的微胶囊水泥浆体制成 3 cm ×3 cm ×3 cm

的试样，在标准养护箱中养护一定龄期后，去除试件表面可能碳化的皮层，取内部样品敲成2.

5 ～5. 0 mm 小块，用酒精中止水化，进行孔结构测试．2) 阻抗谱实验试样．将一定质量分数

的微胶囊的水泥浆体制成 4 cm ×4 cm ×16 cm 的试样，置于水泥砂浆标准养护箱中养护，1 d 后

脱模．将脱模后的试样置于养护箱中( 养护条件为( 20 ±2) ℃ ，相对湿度＞90% ) ，养护至一

定龄期后将试样取出进行交流阻抗测试．3) 吸水性实验试样．将掺入一定质量分数的微胶囊

的水泥浆体制成 10 cm ×10 cm ×10 cm 的试样，在标准养护箱中养护一定龄期，试样取出后在

空气中放置 3 h，待表面吹干后进行表面吸水性测试．4) 水化热实验试样．将 10 g 掺入一定质

量分数微胶囊的水泥浆体搅匀后倒入试管，再将2. 5 g 纯净水吸入注射器，保证针头干燥，把

注射器插入试管样品中，对试样水化过程的水化放热速率和水化热进行测试．

1. 2. 4 测试方法采用美国麦克公司生产的 Tristar3000 型全自动比表面和孔隙度吸附仪，测试复

合材料的孔径分布、累积孔体积及吸附曲线，测试的相对压力范围为0. 001 ～0. 995，液氮温

度为 77. 63 K; 采用Prin-ceton 电化学工作站测试复合材料的交流阻抗谱，测试的扫描频率设置

为0. 1 Hz ～1. 0 MHz ; 采用英国 Belfast 女王大学研发的 Autoclam 自动渗透性测试仪测试复合

材料的吸水量与吸水性系数，测试过程中每隔 1 min 记录 1 次试件的吸水量 ( 单位:μL) ，分别

测定15 min 数据，鉴于前 4 min 透气量的数据不稳定，数据处理时将前 4 min 数据删除; 采用

ToniCAL 量热仪测试复合材料的水化放热速率和总放热量，测试的初始温度为 25 ℃．

2 结果与讨论

2. 1 水泥自修复复合材料孔结构特性

养护龄期对水泥自修复复合材料累积孔体积的影响如图 1 ．由图1 可见，随着养护龄期的增

长，复合材料内部的累积孔体积不断减少; 随着养护龄期的增长，水泥不断水化，使材料内部

微观结构及成分不断发生变化，水泥水化产物不断填补材料内部孔隙，使结构更加致密．养护

龄期对水泥自修复复合材料孔径分布的影响如图 2 ．其中，峰值所对应的孔径为最可几孔径，

即出现几率最大的孔径．由图2 可见，随着养护龄期的增长，曲线峰值逐渐减小，说明出现几

率最大的孔径体积不断减少．随着水化反应的进行，不断生成的水化产物起到填充微孔隙和细

化孔径的作用，最终结果是使材料微观结构致密化和孔趋于规则的球体或其他形体，即水化使

孔形趋于单一化而非复杂化［13-17］．掺入不同质量分数的微胶囊对水泥自修复复合材料累

积孔体积的影响如图 3 ．由图3 可见，随着微胶囊质量分数的增加，复合材料的累积孔体积不

断减小．这是由于掺入的微胶囊是球型物质，在水泥浆体中能自由滚动，减小组分间的摩擦阻

力，提高了浆体的流动性，使硬化后的水泥材料内部孔隙更细小均匀．同时微胶囊可以阻断孔

隙间的联通，减少内孔的含量，复合材料的抗渗性提高．掺入不同质量分数的微胶囊对水泥自

修复复合材料吸附与脱附性质的影响如图 4 ．由图4 可见，吸附量与脱附量均随着掺入微胶囊

质量分数的增加而减少．说明微胶囊能减少材料内部的空隙，切断孔间渗水的通路，使复合材

料的微观结构更加密实，孔隙分布趋于优化，透气性降低，一定程度上提高了水泥复合材料的

耐久性和抗渗性．

2. 2 水泥自修复复合材料电性能

阻抗谱能反映材料的稳定性．通过 Nyquist 谱图研究其电阻的变化，表征水泥自修复复合材料

在电腐蚀方面的稳定性． Nyquist 谱图横坐标表示电阻( Zre) ，纵坐标表示阻抗 ( Zim) ，电阻

越大说明离子迁移越困难，可以阻止氯离子迁移等导致的腐蚀［18-21 ］．养护龄期对水泥自

修复复合材料 Nyquist 谱图的影响如图 5 ．由图5 可见: ① 养护龄期为3和7 d 的复合材料阻抗

谱的Nyquist 圆并不明显，随着养护龄期的增加，Nyquist 圆逐渐明显，这表明水化初期材料内

部结构较为疏松，存在较多的联通孔隙，其特性类似于溶液; ②电阻值随着养护龄期增长有明

显的增加，电阻值越大，体系的总孔隙率越小，微观结构越致密; ③掺入一定质量分数微胶囊

的复合材料由于水化初期存在大量的大孔，并且孔隙中均充满了液体，所以电阻率增加幅度并

不大．随着水化的进行，孔隙中的水分逐渐减少，孔结构大小逐渐稳定，且微胶囊囊壁是非导

电材料，所以复合材料的电阻值开始增大，电阻率的增加幅度也开始稳定．微胶囊的质量分数

对水泥自修复复合材料 Nyquist 谱图的影响如图 6 ．从复合材料电阻值的变化可见，微胶囊质

量分数越大，电阻值越高，材料对电腐蚀的防护效果越好．这是因为随着微胶囊质量分数的增

加，微球作用更加显着，材料微观结构越致密．微胶囊囊壁是非导电材料，对电腐蚀和电磁场

等环境有较好的阻击作用，因此水泥自修复复合材料可以更好地保护其内部的钢筋，避免受到

电腐蚀［22］．

2. 3 水泥自修复复合材料抗渗透性

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摘要：

环氧树脂微胶囊对水泥自修复复合材料微观结构的影响混凝土材料是全世界用量最大的建筑材料，广泛应用于工业与民用建筑、桥梁道路、地下共同沟、水利水电及港口海洋等工程结构［1］．混凝土材料的抗折强度低，在外界环境的作用下，其内部不可避免会产生裂纹，并有可能引发宏观裂缝，由此带来一系列耐久性问题．微胶囊技术是通过成膜材料包覆分散性的固体、液体或气体而形成具有核-壳结构微小容器的技术，广泛应用于医药、食品和印刷等工业领域，并取得了显着发展［2-3］．近年来，随着复合材料技术的发展，微胶囊技术在复合材料裂纹自修复方面的应用得到了重视，成为新材料领域研究的热点之一．水泥自修复复合材料的工作机理是在水泥材料内部...

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