一种腐蚀驱动智能纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种腐蚀驱动智能纤维及其制备方法和应用。所述腐蚀驱动智能纤维由芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维、易腐蚀涂层组成；所述芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维沿纤维长度方向处于拉应力状态；所述易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于压应力状态；且芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维与易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于拉压平衡状态；所述易腐蚀涂层包覆于芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维外。其制备方法为：对芯纤维或带耐腐涂层的芯纤维施加拉力；然后在其表面设定区域制备易腐蚀涂层；卸除拉力，得到样品。其应用包括将其用于混凝土中。本发明专利技术首次提出了往混凝土加入带易腐蚀涂层的芯纤维，得到性能优越的产品。

A corrosion driven intelligent fiber and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种腐蚀驱动智能纤维及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种腐蚀驱动智能纤维及其制备方法和应用；属于土木工程

技术介绍
混凝土材料目前是世界上用量最大、应用最广泛的人造建筑材料，但是由于自身材料的性脆、抗拉强度低、极限延伸率小等缺点，在使用过程中和周围环境影响下极易产生裂缝和局部损伤，空气、水、氯离子等腐蚀性介质沿裂缝侵入结构内部腐蚀钢筋，降低工程结构的使用寿命，危及结构安全。随着工程建设技术的不断革新，水工大坝、铁路工程、公路桥梁、港口及海洋工程、隧道及矿井工程、管道工程、核电工程等对混凝土的性能提出更高的要求，因此纤维增强混凝土应运而生，通过投入纤维防止及抑止裂缝的形成及发展，提高混凝土的抗裂性能、韧性、及抗渗性等性能。然而由于混凝土的低拉伸率、低强度的缺陷问题，即使采用如碳纤维、钢纤维等高强度、高弹性模量纤维也很难解决脆性开裂问题，而低模量的有机纤维更难解决该问题。主要由于混凝土构筑物在受到温度湿度的变化、不均匀沉降和外荷载作用下产生裂纹时，纤维却产生较小的应力，还远没达到自身的强度，随着开裂应力的增加，微观裂纹进一步增多和加宽。因此纤维的投入只能在较小的开裂应力范围内提高混凝土的抗裂性能和减少裂纹宽度，而且一旦出现裂纹，纤维无法修复和愈合裂纹，如果不能及时愈合裂纹，原有的微观裂纹发展成宏观裂纹，腐蚀介质通过这些裂纹进入建筑物内部快速锈蚀钢筋，进而影响建筑物的安全性和使用寿命。混凝土裂缝的修复一直是学术界和工程界所关注和研究的热点，混凝土一旦出现裂缝，单纯通过人为检查和修复，不仅技术要求高而且实施困难、操作繁琐。因此自修复混凝土应运而生，纵观国内外相关文献关于水泥混凝土自修复方法的报道，目前主要有三大类：1.1结晶沉积法；该法按照修复机理分为矿物结晶沉淀法、水泥基渗透结晶法、微生物结晶法三种方法。(1)矿物结晶沉淀法机理：结晶沉淀法裂缝修复因素之一是裂隙水与未水化水泥颗粒和其他矿物添加剂(如C3S、C2S等)继续水化所生成的水化产物沉积修复裂缝，此修复作用影响甚微，但主导因素是溶水CO2与微溶Ca(OH)2生成CaCO3结晶沉淀，封堵愈合裂缝。矿物结晶沉淀法存在的问题为：该法愈合功能受混凝土的龄期、裂纹尺寸、数量、分布以及特定的环境影响较大，愈合期较长，龄期较晚的混凝土愈合功能基本丧失，大于0.15mm宽度裂缝基本难以愈合。(2)水泥基渗透结晶法机理：水泥基渗透结晶型材料是由普通硅酸盐水泥，石英砂，带有活性功能基团的化学复合物组成，掺入渗透结晶型材料的混凝土干燥时，活性功能基团处于休眠状态，当混凝土开裂，有水渗入，缝隙处Ca2+浓度降低一定程度时，活性功能基团发生缩聚反应生成新的结晶，快速对裂缝进行自动填充和修复。水泥基渗透结晶法存在问题为：裂缝自修复宽度有限，对超过0.4mm宽度的裂缝修复效果欠佳。(3)微生物结晶法机理：微生物修复技术是将特定的无害细菌(好氧嗜碱芽孢杆菌)投入混凝土材料中，无损的混凝土其内部是高碱缺氧环境，该细菌处于休眠状态。当混凝土结构受损开裂，氧气和水分的渗入激活细菌孢子，其新陈代谢过程中产生CO2与混凝土材料中的Ca2+反应生成碳酸钙晶体，封填修复裂缝。微生物结晶法存在的问题：自愈合裂缝宽度范围有限，仅能修复小于0.5mm的裂缝；该类细菌对工作环境和温度有一定的要求，服役时间和寿命较短(一年左右)。1.2修复剂填充法该法是种智能型仿生自愈合混凝土，按照修复剂载体的类型分为微胶囊法和空心纤维(空芯光纤或者中空纤维)法。两者具有类似的修复机理：装载修复胶粘剂的微胶囊/空心纤维植入混凝土中，当混凝土结构在服役、使用过程中出现损伤和微裂纹时，裂纹所经之处，微胶囊/空心纤维破裂，修复剂从裂口流出渗入裂纹，与分散于混凝土中的催化剂相接触，固化硬结，快速封堵裂纹，实现自修复。修复剂填充法存在的问题为：该方法是个很复杂的修复系统，修复剂涵盖有机合成、高分子化学、精细化工、微胶囊/空心纤维技术、埋植技术等，尚停留在实验研究阶段，存在颇多待解问题，主要有：①载体投入的数量问题，数量过多影响混凝土自身的强度，数量太小不足以填塞缝隙；②载体的断裂应变问题，断裂应变过大，载体不宜撕裂，胶液不能及时流出，过小导致载体在搅拌时易破碎，导致胶液提前流出；③混凝土基体、修复剂载体和胶粘剂之间的相容性，修复剂的长期稳定性，在裂缝的流动性、固化时效性等等问题；1.3形状记忆合金驱动闭合法(SMA法)该法是配合修复剂填充法而生，为了取得理想的自修复效果，混凝土的裂缝宽度必须控制，否则的话，将需要大量的修复载体，这将影响混凝土的性能。此外，当混凝土的裂缝过宽时，毛细吸力降低，纤维管上方的裂缝吸存胶液困难，胶液在重力作用下顺缝往下流出，残留在裂缝面胶液少，修复效果差，因此要想达到理想的自修复效果，必须控制混凝土的裂缝宽度。现有的能够感受外部刺激主动变形，能提供驱动力的智能材料——形状记忆材料主要有形状记忆合金、形状记忆聚合物，但记忆聚合物形变回复力小不适合做自愈合驱动，而形状记忆合金由于强度高、回复力大可以做自愈合驱动。机理：SMA法通过对预埋在混凝土内部的形状记忆合金丝通电加热激励其收缩变形，为裂缝的闭合提供驱动力。该法通过对结构施加预压力主动调节裂缝宽度，是上述几种方法无法触及的。形状记忆合金驱动闭合法存在的问题为：由于形状记忆合金是热致形变材料，需要通电加热激励合金丝收缩，驱动裂缝闭合需要一系列配套设备，整个驱动和控制系统复杂而繁琐。由于SMA材料本身的电阻不大，通电加热需要较大的电流，对电源和导线要求都很高。加热温度的高低对SMA形状回复和混凝土的力学性能都有较大影响，由于混凝土的热传导，SMA温度调控有技术难度，温度过低SMA难以驱动，升温过高和升温不均匀都会导致混凝土再次出现温度裂纹。另外，驱动裂纹闭合，实现自修复，需要投入大量的SMA，而SMA价格昂贵，是普通钢材价格的700倍，就这一点就足以扼杀SMA法在混凝土中的应用。综合上述，为了降低混凝土结构因裂纹缺陷造成的经济损失和安全威胁，修复混凝土的裂纹缺陷危害刻不容缓，目前的修复方法中，水泥基渗透结晶型材料应用是比较成功的智能型修复材料，但修复效果受到裂缝宽度的限制，其他方法基本上因修复机理过于复杂则停留在实验探索阶段，或者修复效果欠佳。因此，要想达到理想的自修复效果，混凝土的裂缝宽度控制非常重要。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，首此提出了一种腐蚀驱动智能纤维及其制备方法和应用。本专利技术一种腐蚀驱动智能纤维；所述腐蚀驱动智能纤维由芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维、易腐蚀涂层组成；所述芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维沿纤维长度方向处于拉应力状态；所述易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于压应力状态；且芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维与易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于拉压平衡状态；所述易腐蚀涂层包覆于芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维外。作为优选方案，在同等腐蚀环境下，所述易腐蚀涂层的腐蚀速率大于芯纤维；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种腐蚀驱动智能纤维；其特征在于：所述腐蚀驱动智能纤维由芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维、易腐蚀涂层组成；所述芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维沿纤维长度方向处于拉应力状态；所述易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于压应力状态；且芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维与易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于拉压平衡状态；所述易腐蚀涂层包覆于芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维外；所述腐蚀驱动智能纤维由单根纤维构成或者由多根纤维经过加捻和并股而成的绞线构成。/n

【技术特征摘要】
1.一种腐蚀驱动智能纤维；其特征在于：所述腐蚀驱动智能纤维由芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维、易腐蚀涂层组成；所述芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维沿纤维长度方向处于拉应力状态；所述易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于压应力状态；且芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维与易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于拉压平衡状态；所述易腐蚀涂层包覆于芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维外；所述腐蚀驱动智能纤维由单根纤维构成或者由多根纤维经过加捻和并股而成的绞线构成。


2.根据权利要求1所述的一种腐蚀驱动智能纤维；其特征在于：
在同等腐蚀环境下，所述易腐蚀涂层的腐蚀速率大于芯纤维；和/或，在同等腐蚀环境下，所述易腐蚀涂层的腐蚀速率大于带耐腐涂层的芯纤维的腐蚀速率。


3.根据权利要求1所述的一种腐蚀驱动智能纤维；其特征在于：
所述腐蚀驱动智能纤维包括芯纤维和易腐蚀涂层,芯纤维外的部分位置或全部位置上包覆有易腐蚀涂层；
或
所述腐蚀驱动智能纤维包括耐腐涂层、芯纤维和易腐蚀涂层；所述芯纤维外的部分位置或全部位置上包覆有耐腐涂层；当芯纤维外的部分位置或全部位置上包覆有耐腐涂层时，所得材料定义为A；在A表面的部分位置或全部位置上包覆易腐蚀涂层，
或
所述腐蚀驱动智能纤维包括芯纤维、易腐蚀涂层、耐腐涂层；所述芯纤维外包覆有易腐蚀涂层；所述易腐蚀涂层的部分位置上包覆有耐腐涂层；
或
所述腐蚀驱动智能纤维包括芯纤维和易腐蚀涂层,芯纤维外的部分位置或全部位置上包覆有易腐蚀涂层；所述芯纤维外的部分位置包括芯纤维的端部；当芯纤维的端部包覆有易腐蚀涂层时，在端部的易腐蚀涂层外还包覆有耐腐涂层；
或
所述腐蚀驱动智能纤维包括耐腐涂层、芯纤维和易腐蚀涂层；所述芯纤维外的部分位置或全部位置上包覆有耐腐涂层；当芯纤维外的部分位置或全部位置上包覆有耐腐涂层时，所得材料定义为A；在A表面的部分位置或全部位置上包覆易腐蚀涂层，当A的端部包覆有易腐蚀涂层时，在端部的易腐蚀涂层外还包覆有耐腐涂层；
其中，芯纤维和/或带耐腐涂层的芯纤维沿纤维长度方向处于拉应力状态；所述易腐蚀涂层沿纤维长度方向处于压应力状态；
在同等腐蚀环境下，所述易腐蚀涂层的腐蚀速率大于芯纤维；和/或，在同等腐蚀环境下，所述易腐蚀涂层的腐蚀速率大于带耐腐涂层的芯纤维的腐蚀速率。


4.根据权利要求1所述的一种腐蚀驱动智能纤维；其特征在于：所述芯纤维选自无机纤维、聚合物纤维中的至少一种；所述芯纤维的当量直径小于等于20mm，优选为小于等于5mm。

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇雁，王子国，程淑珍，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37