[工作计划]开题报告.doc
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1、开题报告一、立论依据课题来源,选题依据和背景情况、课题研究目的或工程应用价值混凝土是当今世界上用途最广、用量最大的建筑材料。随着现代科技的发展以及人类对建筑要求的日益多样化,混凝土材料正在向着高强、高性能、多功能和智能化方向发展。可以预见,将来混凝土依然是国家现代化建设不可缺少的建筑材料。然而,混凝土材料脆性大的固有缺陷,大大降低其抗裂性,影响结构的可靠性、耐久性及安全性,极大地缩短建筑物的安全使用寿命。近四五十年以来,混凝土结构物因对材质劣化造成失效以致破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜,并有愈演愈烈之势。美国标准局(NBS)1975年的调查表明,美国每年因腐蚀造成的各种损失为700多亿美元,
2、其中混凝土开裂导致钢筋锈蚀造成的损失约占40。据英国1979年的调查,其混凝土结构有36%需重建或改建;英国每年用于修复钢筋混凝土的费用就高达200亿英镑,日本目前仅用于房屋维修的费用就高达400亿日元,德国用于旧建筑物的维修加固的费用是总建筑费用的80%,瑞典每年用于桥梁耐久性修复上的投资达2800万美元之多,总体上来讲,发达国家每年的混凝土结构维修费用约占建筑总投资的40%以上,相当一部分发达国家每年用于建筑维修的费用都超过新建的费用。此外,我国钢筋混凝土结构因开裂导致耐久性问题也是极其严重的。我国二十世纪60年代曾对华南、华东地区沿海27座钢筋混凝土结构进行调查表明,因混凝土开裂,钢筋锈
3、蚀导致结构损坏的占74%。中国建筑科学研究院的调查表明,我国现役工业建筑物损坏严重,其结构的使用寿命一般不能保证50年,多数在25-30年左右就必须进行大修或加固。1994年铁路部门的统计表明,我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2675座,其中的722座发生裂损;青岛市一16层钢筋混凝土结构大楼1989年11月竣工,1990年4月交付使用。3年后楼盖混凝土开裂,钢筋严重腐蚀,致使结构失效,16层楼盖全部拆卸。因此,混凝土的裂缝问题一直是学术界和工程界所关注和研究的重大课题。裂缝的修复自然就成为国内外学者研究的热点问题。对于绝大多数建筑物,建成并投入使用后,人们便失去了对其结构的全面控制,结构失效
4、、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者以及使用者的意志为转移,人们对它的预测及防范都是一件十分困难的事情。在实际的混凝土工程中经常出现基体的微开裂等微观范围的损伤,而这种微裂缝通常是不可视的,加上探测技术的局限性,往往无法探测到这些微裂缝,当然更谈不上修复。如果这些损伤部位不能及时进行修复,不但会影响混凝土材料的强度和耐久性,而且可能由此引发宏观裂缝并出现脆性断裂,产生严重的灾难性事故。传统的混凝土材料的修复形式主要是定期维护与事后维修,这种消极的、被动的维修方式不仅费用庞大,而且效果不佳,更无法满足现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。实际的混凝土工程结构中,许多微小裂纹发生在结构内部
5、,如果这些微观范围的损伤在发展成宏观裂缝之前,能得到有效的修复,那么将大大提高结构的安全性和使用寿命。因此我们迫切需要采用某种技术或方式,主动、自动地对裂纹和损伤部位进行修复,从而恢复甚至提高混凝土材料的强度以达到延长混凝土结构使用寿命的目的。混凝土裂缝自修复材料就是应这方面的需要开始发展起来的。混凝土裂缝自修复材料是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生,恢复机理,采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法,对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能,恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。但是,由于当前的粘结剂型自修复技术存在空心纤维或胶囊难以制备,空心纤维或胶囊与混凝土材料共同搅拌容易破碎以及修复材料
6、的时效性差、不能多次愈合等一系列问题,使得该类自修复技术仍然处于实验室探索阶段,没有取得实质性的进展。而水泥基渗透结晶型材料因为抗渗性能好,具有较强的自修复功能,正受到世人越来越多的关注。但是由于国外对此项技术高度保密,导致水泥基渗透结晶型材料在发展和应用过程中存在以下许多问题:第一,材料合成制备技术的垄断。由于国外对水泥基渗透结晶型材料的制备技术高度保密,有关该类材料的合成制备也始终未见报导;第二,缺乏反应机理与相关理论的研究。目前有关水泥基渗透结晶型材料的研究基本都是工程应用和宏观力学性能和抗渗性能研究,对其作用机理的研究甚少。第三,微观或亚微观结构研究少。目前关于水泥基渗透结晶型材料对混
7、凝土的微观或亚微观结构的影响基本未见研究报道。此外,对混凝土耐久性的影响缺乏研究。针对上述各种混凝土自修复技术存在的问题,本文将在水泥基渗透结晶型材料的研究基础上,探索和提出裂缝自修复机理,并以此为理论依据,合成制备具有裂缝自修复功能的材料;将通过力学性能、渗透性能的测试和利用压汞试验、SEM等技术手段探讨该材料对混凝土的裂缝自修复功能及其对混凝土微观和亚微观结构的影响进;同时系统研究该材料对混凝土的化学侵蚀、冻融循环、钢筋锈蚀、碱集料反应等耐久性可能产生的影响。二、文献综述国内外研究现状、发展动态混凝土裂缝自修复材料属于智能混凝土的一类,目前国内外大部分的研究集中于仿生学原理的胶囊或纤维内填
8、充修补剂,混凝土开裂导致胶囊或纤维断裂,修补剂流出从而实现自愈合这条思路上。日本东北大学的三桥博三教授将装有修复剂的胶囊放入混凝土中,在外力作用下一旦混凝土开裂,部分胶囊破裂,修复剂流出深入裂缝从而使裂缝得到修复。在国内,同济大学混凝土材料研究重点实验室的科研人员、福州大学土木建筑系的刘承超以及哈尔滨工业大学土木工程学院的欧进萍等都在进行这方面的研究水下混凝土裂缝修补技术的进展,新型建筑材料,2007.10;9-12。欧进萍和匡亚川根据人体伤口由“破裂流血凝结愈合”的过程,以及动物体内血液在血管中的流动来源于心脏跳动的能量的原理,设计了如图2-1所示的实验。此试验的特点是在系统中加入了模仿人体
9、心脏的具有一定内压力的修复剂容器,而纤维胶管则相当于人体的血管匡亚川,欧进萍.混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展J.力学进展,2006,36(3):406-414。 试验结果证实这种纤维具有一定的自愈合效果,但对于大裂缝的修补效果不明显,而且纤维管壁的厚度、修补纤维管的长度、混凝土相邻裂缝间距的最小值等相关参数很难确定。目前,除欧进萍和匡亚川对自愈合混凝土修复前性能进行了理论分析外,大部分的研究还处于试验验证阶段,还缺乏自愈合混凝土修复后性能的计算分析方法,是一个值得探讨的课题智能混凝土与结构。此外,由于这种自愈合混凝土的施工、制备困难,成本高,修补一次后即失去自修复作用,这些因素必将阻碍该种混
10、凝土的推广应用。相比较而言,基于渗透结晶原理的混凝土裂缝自修复材料制备相对简单,无毒环保,成本较低,施工方便,作用效果持久等特点,具有无可比拟的优势。第二次世界大战期间,德国钢铁紧张,开始使用水泥造船。但是水泥船渗漏水严重,无法正常应用。在这样的背景下,促进了水泥基渗透结晶型材料的产生和发展。水泥基渗透结晶型防水材料是1942年德国化学家Lauritz Jensen(劳伦斯杰逊)在解决水泥船渗漏水的实践中发明, 英文名为:Cemendtious Catfillaryf/CrystallinWaterprootlng Materials,简称CCCW。这种材料系由普通硅酸盐水泥、石英砂或硅砂、带
11、有活性功能基团的化学复合物组成。它以粉状形式供应用户。大多数的应用是仅仅与水拌合(有些情况还要加入化学添加剂),调配成可以涂刷或喷涂的浆料,正如它的名称示意的内涵,它不仅形成一个有效的防水涂层,而且其含有的活性化学复合物,可向混凝土内部渗透,与混凝土中的水分、游离的活性物质产生化学反应,形成不溶的结晶体复合物,进而靠结晶体增长填塞毛细通道。这些结晶体通常可以增长到0.4mm即高于混凝土毛细管径的最大尺寸,从而使混凝土致密、防水。由于是借助化学反应改善了整个混凝土基体的防水性能,不仅使得防水性能容易长期保持,同时也提高了基体混凝土的强度和密实性。混凝土干燥时,该活性功能化学物处于休眠状态;当混凝
12、土开裂,有水渗入时,该物质继续水化生成新的结晶,对裂缝进行自动填充,实现自修复。博士论文二次世界大战后,欧洲和日本经济的快速增长,使这一材料的工程应用不断扩大。产品也从早期的德国的VANDEX(稳挡水)品牌(现转售到瑞士)延伸发展出加拿大的XYPEX(赛帕斯)、加拿大的KRYSOL、新加坡的FORMDEX(防挡水)、美国的PENETRON (膨内传)、法国的DIPSEC、澳大利亚的CRYSTAL、日本的PANDEX等数十个品牌,均有不同程度的改进,形成了系列产品。日本研究人员通过试验发现,CCCW的结晶体渗透深度可达1m。同时发现,当渗透到0.5m时,仅占据混凝土毛细通路全程的50%。经混凝土
13、壁的渗透,没有确定的时间,因结晶体的增长,可短期暂停,一旦湿气再次出现,可继续晶体增长的化学反应,从而保证了完全、充分地向混凝土结构内部渗透。 CCCW的主要优点是抗渗性能和自愈性能好,粘结力强、可防止钢筋锈蚀,且对人体无毒, 在施工方面其简单快速更是其他防水材料所无法相比的。CCCW在60年代中期从欧洲传到北美,目前在欧洲、美国、加拿大、日本、新加坡等国家和地区的混凝土防水工程中应用已十分广泛,并获得工程界一致好评。该产品在日本应用较多,是唯一制订日本国家统一标准的无机防水涂料,专家称赞水泥基渗透结晶型防水材料是对环境保护、对人类生存都有益处的防水材料国外水泥基渗透结晶型防水材料的研究与发展
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