一种金属吸附型裂缝自修复材料及制备方法和应用与流程

本发明属于建筑材料，具体涉及一种金属吸附型裂缝自修复材料及制备方法和应用。

背景技术：

1、水泥基材料裂缝自修复技术是近年来土木工程领域研究的热点，考虑操作的方便性和潜在的实用性，络合结晶自修复技术和微生物封装自修复技术被研究的最多，并且相应的团体标准也制定并且发行，上述两种技术的修复机理主要是通过络合结晶和微生物矿化产生碳酸钙晶体而达到裂缝修复的目的，其中，微生物自修复技术的相关产品还未见市场销售应用。

2、碳酸钙晶体生成类的自修复技术能够一定程度的恢复水泥基材料裂缝处的抗渗性能，对于结构整体的耐久性有良好的作用，但在短期内形成的碳酸钙不能牢牢的粘连在裂缝的两边，仅仅是通过堵的方式填补了裂缝，在外部水压较大或者结构形变冲击下，较易被冲走或破坏，导致裂缝区域继续成为结构的薄弱区。因此，如何使裂缝处产生强度性的修复，是提升自修复技术实用价值必须要着重考虑的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种金属吸附型裂缝自修复材料及制备方法和应用，该裂缝自修复材料的各组分环环相扣，当水泥基材料开裂，各组分分先后、有层次的参与反应，可快速构建水化反应所需条件，快速产生凝胶类的物质，实现裂缝处有强度的自修复。

2、为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种金属吸附型裂缝自修复材料，其具有壳核结构，内核包括颗粒状发泡铜和吸附在颗粒状发泡铜中的强度修复组分，外壳由硫铝水泥纤维砂浆制成。

3、上述方案中，所述裂缝自修复材料的粒径为4～7mm，其中，颗粒状发泡铜的粒径为3～5mm，外壳的厚度为1～2mm。

4、上述方案中，所述颗粒状发泡铜的孔隙率为50～70％，孔径为0.1～0.5mm。

5、上述方案中，所述强度恢复组分包括以下质量份数的原料：普通硅酸盐水泥50～200份、铝酸盐水泥150～300份、熟石灰100～250份、沸石粉10～30份。

6、进一步地，所述普通硅酸盐水泥的粒径为3～32μm。

7、进一步地，所述铝酸盐水泥的粒径≤3μm。

8、进一步地，所述熟石灰为工业级熟石灰，纯度≥90％，粒径为38～45μm。

9、进一步地，所述沸石粉的粒径为5～10μm。

10、进一步地，所述沸石粉为改性沸石粉，改性方法为：

11、1)将干燥的天然沸石粉摊铺于平面上，进行紫外线照射；

12、2)将紫外线照射后的沸石粉浸泡于饱和碳酸钠溶液中，取出，干燥，得到改性沸石粉。

13、进一步地，所述天然沸石粉的摊铺厚度≤1mm。

14、进一步地，所述紫外线照射时维持环境温度30～50℃，照射时间3～5h。

15、进一步地，所述紫外线照射后的沸石粉与饱和碳酸钠溶液的质量比为(0.8～1):1，浸泡时间为24～36h。

16、上述方案中，所述颗粒状发泡铜与强度恢复组分的质量比为(0.9～1.1):1。

17、上述方案中，所述硫铝水泥纤维砂浆包括以下质量份数的原料：硫铝酸盐水泥400～500份、短切纤维6～10份、细砂500～600份、调凝剂0.5～1.5份、减水剂1～2份，水100～120份。

18、进一步地，所述短切纤维为聚乙烯醇纤维，长度为6～8mm。

19、进一步地，所述细砂为石英砂，粒径为40～80目。

20、进一步地，所述调凝剂为硫酸铝和硼砂。

21、优选地，所述硫酸铝和硼砂的质量比为(0.09～0.11):1。

22、进一步地，所述减水剂为粉体聚羧酸减水剂，减水率为35～40％。

23、上述方案中，所述硫铝水泥纤维砂浆的终凝时间为30～60min，2h抗压强度≥35mpa。

24、本发明还提供一种金属吸附型裂缝自修复材料的制备方法，包括以下步骤：

25、1)将普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、熟石灰和改性沸石粉混合，搅拌均匀，得到强度恢复组分；

26、2)将颗粒状发泡铜和强度恢复组分混合均匀，置于真空环境中进行真空吸附，取出，过筛，得到内核；

27、3)将硫铝酸盐水泥、短切纤维、细砂、调凝剂、减水剂和水混合，搅拌均匀，得到硫铝水泥纤维砂浆；

28、4)将硫铝水泥纤维砂浆包裹在内核表面，分散摆放进行风干，得到金属吸附型裂缝自修复材料。

29、上述方案中，步骤1)中，搅拌速率为180～240r/min，搅拌时间为10～15min。

30、上述方案中，步骤2)中，真空吸附的真空度为0.0001～0.1mpa，真空温度为15～25℃，吸附时间为20～24h。

31、上述方案中，步骤3)中，搅拌速率为45～60r/min，搅拌时间为2～3min。

32、上述方案中，步骤4)中，风干时间为24～30h。

33、本发明还提供一种金属吸附型裂缝自修复材料在裂缝自修复中的应用，应用方法为：用裂缝自修复材料取代水泥砂浆或混凝土中的砂，以使水泥砂浆或混凝土具备裂缝自修复性能。

34、上述方案中，所述裂缝自修复材料对砂的取代量为砂质量的8～10％。

35、上述方案中，所述裂缝自修复材料能够实现宽度≤0.4mm的裂缝修复，并且将抗折强度恢复至原来的25～35％。

36、本发明的设计构思如下：

37、本发明将普通硅酸盐水泥和普通铝酸盐水泥作为强度发展组分，沸石粉作为离子吸附组分，熟石灰作为反应提升组分，组成强度恢复组分；再将颗粒状发泡铜作为吸附组分，将强度恢复组分吸附其中，形成内核；最后将硫铝水泥纤维砂浆作为造壳组分，在内核外面形成外壳，组成裂缝自修复材料。

38、本发明内核使用的泡沫铜具有优秀的吸附性、延展性和韧性，能够吸附大量的强度恢复组分，并能够最大程度地保证自修复材料颗粒的完整性，镶嵌在水泥基材料中可起到反应基床的作用，遭受破坏产生的缺陷也最小，修复产物生长在泡沫铜里稳定牢固，反应完后泡沫铜成了恢复裂缝处力学性能的韧带。而外壳使用的硫铝水泥纤维砂浆通过调凝剂的使用，可以快速硬化，锁住泡沫铜里的物质不外泄，短切纤维可以增加外壳的韧性，使其不致容易破坏，另外，外壳材料与水泥基材料性质一致，不会出现相容性问题，也不会劣化水泥基材料的性能。

39、当水泥基材料开裂，外壳首先破裂，而嵌在裂缝两边的发泡铜颗粒有良好的韧性，可以随着裂缝发生形变，增大了强度恢复组分溶出的空间；当有水顺着裂缝进入后，发生如下系列反应：1)由于粒径≤3μm，铝酸盐水泥最快全部溶解，迅速生产水化产物填充泡沫铜的孔隙和缺陷，首先提升了泡沫铜的力学性能，抑制了裂缝的进一步发展；2)然后改性沸石粉中的碳酸钠溶解释放初钠离子和碳酸根离子；3)碱性钠离子促进了普通硅酸盐水泥的溶解水化，3～32μm的水泥颗粒活性最大，能够有效地全部参与水化反应，形成最强的水泥石结构，形成水泥石进一步填充泡沫铜的孔隙；4)碳酸根离子分别与强度提升组分溶解出钙离子和离子吸附组分持续大量吸附的溶液中的钙离子发生反应生成碳酸根晶体，生成的晶体持续填充泡沫铜的其余孔隙直至形成致密的结构，进而恢复裂缝处的力学性能。通过先后的、有层次的既快速又连续的反应，实现了裂缝处有强度的自修复，解决络合结晶自修复、微生物自修复等填充式修复不耐久不耐冲刷的问题。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、本发明将普通硅酸盐水泥和普通铝酸盐水泥作为强度发展组分，沸石粉作为离子吸附组分，熟石灰作为反应提升组分，组成强度恢复组分；再将颗粒状发泡铜作为吸附组分，将强度恢复组分吸附其中，形成内核；最后将硫铝水泥纤维砂浆作为造壳组分，在内核外面形成外壳，组成裂缝自修复材料。通过各组分环环相扣结构形式制造裂缝自修复材料，当水泥基材料开裂，各组分分先后、有层次的参与反应，既快速又连续，可快速构建水化反应所需条件，快速产生凝胶类的物质，实现裂缝处有强度的自修复，解决络合结晶自修复、微生物自修复等填充式修复不耐久不耐冲刷的问题。