[发明专利]一种自修复水泥基复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自修复水泥基复合材料及其制备方法与应用，按照质量份数计，包括水泥基体材料85～100份，自修复材料10～25份；所述自修复材料由自修复颗粒与营养底物组成，所述自修复颗粒为自修复材料质量的75～90％；所述水泥基体材料包括水泥、PVA纤维；所述自修复颗粒包括多孔载体，所述多孔载体负载矿化微生物，多孔载体表面由内向外依次为营养层和保护层；所述多孔载体为膨胀珍珠岩、陶粒、沸石，其中，膨胀珍珠岩为80～120目。本发明提供的材料不仅具有较高的受压韧性，呈现出“裂而不碎”的效果，产生的细密裂缝在微生物矿化作用下可以实现自修复效果，提高材料耐久性；而且自修复效果更好，强度更高。

技术领域

本发明属于土木工程材料与微生物学交叉技术领域，涉及一种自修复水泥基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

我国建设了地铁隧道、山岭隧道、引水隧洞等众多地下工程，滨海城市还有一批海隧道已经或即将投入运营。复杂多变的水文地质条件以及地下工程结构的差异性决定了隧道与地下工程服役期面临多类型、高频次的风险灾害。由于运营隧道修建时间、设计标准和施工工艺水平不同，隧道衬砌结构的服役过程中，受温湿度变化、塑性变形、干缩、外部荷载、钢筋锈蚀、多因素耦合等因素的影响，加上己有隧道运营管理不到位，隧道衬砌普遍存在渗漏水、衬砌开裂、破损等现象，这降低了衬砌结构的承载能力和耐久性能，给隧道的运营带来极大的安全隐患。

隧道衬砌结构破坏、施工缝张裂具有缓慢持续的特点，对隧道结构修复材料的性能提出了更高要求。隧道结构修复材料多为常规材料，目前的用于运营隧道结构修复的高分子材料在耐久性方面存在不足，而无机材料缺乏较好的韧性和适应隧道结构协调变形的能力。运营隧道结构修复后，修复材料面临结构受力变形、海水渗流侵蚀等因素而导致再次破坏的风险，反复维修耗资巨大。针对隧道结构缓慢持续破坏特征，修复材料应具有一定的柔韧性以适应裂缝开合程度的变化，针对修复材料二次破坏的风险，修复材料应具有自我诊断、自我调节和自我修复功能，然而，发明人经过研究发现，目前的修复材料不能兼备以上功能。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种自修复水泥基复合材料及其制备方法与应用。该材料具有较高的受压韧性，呈现出“裂而不碎”的效果，产生的细密裂缝在微生物矿化作用下可以实现自修复效果，提高材料耐久性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种自修复水泥基复合材料，按照质量份数计，包括水泥基体材料85～100份，自修复材料10～25份；所述自修复材料由自修复颗粒与营养底物组成，所述自修复颗粒为自修复材料质量的75～90％；

所述水泥基体材料包括水泥、聚乙烯醇(PVA)纤维；

所述自修复颗粒包括多孔载体，所述多孔载体负载矿化微生物，多孔载体表面由内向外依次为营养层和保护层；所述多孔载体为膨胀珍珠岩、陶粒、沸石，其中，膨胀珍珠岩为80～120目。

本发明向水泥中添加纤维材料和负载矿化微生物的自修复颗粒，其中，纤维可以抑制局部脆性断裂，使其呈现多裂缝开裂特征，从而降低裂缝开裂宽度，添加矿化微生物后，当基体材料产生裂缝后，环境中的空气、水进入裂缝，激活基体中的矿化微生物，通过自身矿化反应生成碳酸钙填充裂缝，以达到裂缝自修复的效果，通过添加纤维和矿化微生物，能够赋予材料自我诊断、自我调节和自我修复功能。同时将矿化微生物负载至多孔载体中，通过营养层和保护层，能够有效保证矿化微生物在水泥基体中的存活。

然而，经过进一步研究发现，虽然添加纤维材料和自修复颗粒能够使复合材料同时具有自我诊断、自我调节和自我修复功能，但是形成复合材料与普通水泥相比，强度下降严重，且自修复速率和效率较低，自修复效果差。