1.本发明涉及一种自修复水泥基材料及其制备方法和测试方法，属于裂缝自修复剂技术领域。


背景技术：

2.随着我国电力设施的快速发展，大量输变电工程途经西北地区，输电塔基础受盐渍土、湿陷性黄土、极端温度和降雨条件等复杂环境影响，极易导致基础腐蚀、冻胀融沉、裂缝等破坏。同时，基础施工属于隐蔽工程，一旦出现微裂纹将难以修复，并可能引发贯穿裂缝，严重影响输变电工程基础的耐久性与稳定性。加之，接地网是确保电力系统安全可靠运行、保证人身及设备安全的重要措施，其接地电阻是接地网的主要技术参数之一，而普通混凝土的电阻率高达104～109ω
·
m，为保证接电网正常工作，最重要的措施就是降低接地电阻。因此，复杂多变的气象地质环境和电网接地工程设计要求都将对混凝土材料提出更高需求，也面临许多新的挑战。
3.目前，输电塔桩基础多采用现浇灌注桩施工，输变电工程常面临野外或地势陡峭地区施工，基础施工质量易受场地环境与施工条件影响。其次，基础处于干旱、低温、风沙等复杂环境，基础的抗裂和抗腐蚀能力较差，一但基础产生裂隙以后，受土体内水份、低温影响会加速裂隙生长，从而造成混凝土基础的破坏。同时，输电塔基础属于隐蔽工程，基础内部或表面出现裂缝后不易察觉且后续修复难度大，相关问题都亟待解决。
4.基于仿生学理论，现今会将修复材料预埋进混凝土内部，当混凝土结构出现损伤时，修复材料通过不同的触发机制(如温度、碱度或者裂缝)触发对损伤区域进行修复，从而延长混凝土结构长期服役性和提高耐久性能。
5.目前研究较多的微胶囊有脲醛树脂/环氧微胶囊、酚醛树脂/双环戊二烯微胶囊，囊芯材料的粘接性和膨胀性相对较弱，囊壁结构强度低，限制了其在水泥基材料体系中的工程应用。其制备方法主要有物理法、化学法、物理化学法等。众多学者分别在石油化工、公路工程、桥梁工程、高分子材料、涂料等领域开展试和数值仿真，取得一定的科研成果，而基于西北地区复杂地质气象条件的输变电工程混凝土基础抗裂研究相对较少，基础受外界环境影响导致腐蚀开裂现象突出。同时，输变电工程的特殊性和基础接地电阻需求，都给混凝土材料组成提出更高要求。现今最常使用的导电介质包括：石墨，碳纤维，钢纤维，钢渣和炭黑等。其中，石墨烯具有较好的导电性能和超大的比表面积，高掺量的石墨烯可以明显提高水泥基材料的导电性能，但是高掺量的石墨烯不仅造价高，还会导致材料力学性能下降，因此严重制约了其推广使用。而掺入金属纤维尽管可以增强水泥砂浆的导电性能，但金属纤维掺量多少也直接影响导电网络和施工拌合问题。因此，考虑到输变电工程的长期服役性、稳定性和基础接地能力，急需一种来粘结性强、膨胀性好的微胶囊和导电材料来解决西北地区输电塔基础面临的工程难题。


技术实现要素：

6.为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种自修复水泥基材料及其制备方法和测试方法。
7.实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种自修复水泥基材料，按重量配比为每1000g混凝土砂浆掺加15-25g微胶囊以及0.75-1.25g氧化石墨烯；所述混凝土砂浆重量配比为23％水泥、67％砂石以及10％水。
8.一种自修复水泥基材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
9.s1：制备芯材；
10.s2：制备壁材溶液；
11.s3：制备微胶囊；
12.s4：进行微胶囊外壁完整性检测；
13.s5：制备氧化石墨烯；
14.s6：制备自修复水泥基材料。
15.一种自修复水泥基材料的测试方法，所述方法包括如下步骤：
16.步骤一：取s605所得自修复水泥基材料试块进行不少于3min的压力预加载；
17.步骤二：将s605所得自修复水泥基材料的试块浸泡于水中30天；
18.步骤三：观察步骤二所得试块中的微胶囊微观形态、裂缝修复以及成分组成；
19.步骤四：在步骤二所得试块上均匀布置四块不锈钢电极；
20.步骤五：对步骤四所述不锈钢电极施加直流电源得到线路中的电压与电流；
21.步骤六：验证试块的强度增长率以及自修复率，使其强度相比普通混凝土提升10％以上，且其自修复率达到90％以上，则说明试块合格，反之则试块不合格。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1、本发明高效便捷解决了西北地区特殊环境下输变电工程面临的基础长期服役特性与接地电阻问题，不受极端多变气象与地质条件等限制，避免了盐渍土等特殊土环境下混凝土大体积整体浇筑所导致的混凝土质量差、修复加固难度高、长期服役性低等问题。
24.2、本发明用于复合水泥基材料的自修复，外掺氧化石墨烯材用于提高材料导电性，大幅度提高了混凝土整体承载力、刚度、接地能力、抗裂性能、服役性能，同时节约成本和材料的使用。
25.3、本发明符合野外输电塔基础长期高负荷运行对生态平衡和环境友好的需求，充分利用混凝土内部微胶囊作用实现自修复，避免引入大量化学灌浆材料，对输电塔基础病害治理选择高效自修复剂具有重要指导意义。同时，氧化石墨烯良好的接地能力和压敏性能可以直接提高输电铁搭的安全性，降低漏电或高空工作所带来的系列自然伤害。
26.4、本发明微胶囊和氧化石墨烯通过掺入混凝土砂浆中作为输电塔基础桩体注浆材料，能够实现输电塔基在内部出现微裂隙或裂缝时进行主动自修复，预防内部裂缝的扩展性破坏。
附图说明
27.图1是本发明的制备的微胶囊的照片；
28.图2是本发明包埋氧化石墨烯-微胶囊的水泥试块裂缝被修复的照片；
29.图3是本发明包埋氧化石墨烯-微胶囊的水泥试块断面照片
30.图4是本发明氧化石墨烯-微胶囊水泥基材料组成成分；
31.图5是本发明的制备流程图；
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.一种自修复水泥基材料，按重量配比为每1000g混凝土砂浆掺加15-25g微胶囊以及0.75-1.25g氧化石墨烯；氧化石墨烯与微胶囊共同掺入混凝土砂浆中作为输电塔基础桩体注浆材料，基于正交试验，优选材料中微胶囊最佳推荐掺量为2％、氧化石墨烯为0.1％。所述混凝土砂浆重量配比为23％水泥、67％砂石以及10％水，计算水灰比为0.45。
34.所述微胶囊包括芯材以及壁材；所述壁材包裹在芯材的外侧，壁材按重量配比由10％乙基纤维素、18％的乙醇以及72％的二甲苯组成；所述芯材由10％膨润土、25％硅酸钠、30％微晶纤维素、2％甲基纤维素、4％吐温80以及29％蒸馏水组成。
35.所述氧化石墨烯按重量配比为每1000g水中掺加10g氧化石墨烯纳米颗粒。
36.一种自修复水泥基材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
37.s1：制备芯材；
38.s101：使用0.5mm方孔筛筛选硅酸钠、甲基纤维素以及微晶纤维素，确保三者粉末粒径均匀，没有较大颗粒混入；
39.s102：将吐温80倒入蒸馏水中，搅拌至二者完全混合；
40.s103：将膨润土以及s101所得硅酸钠、甲基纤维素和微晶纤维素倒入s102所得吐温80和蒸馏水的混合液中，得到灰白色泥状物质；
41.s104：制备芯材颗粒：将s103得到的淡黄色泥状物质放入手动造粒机中，经历搅拌、挤压后，由布满直径为一毫米小孔的圆盘被挤出，接着被刀具切断，形成淡黄色潮湿颗粒，将颗粒置于烘干箱中烘干12小时，制得黄色芯材颗粒。
42.s2：制备壁材溶液；
43.将所有壁材原料混合，搅拌均匀后制成透明胶状溶液；
44.s3：制备微胶囊；
45.s301：使用喷壶将s2所得壁材溶液均匀地喷洒在s104制得的芯材颗粒上；
46.s302：将s301所得芯材颗粒使用烘干箱烘干4小时；
47.s303：为保证壁材完全包裹芯材，需重复s301-s302过程两次，以确保每一个微胶囊颗粒囊壁的封闭完整；
48.s304：将得到的深黄色颗粒分别用0.5mm和2.0mm的方孔筛筛选，得到粒径在0.5～2.0mm的微胶囊。
49.s4：进行微胶囊外壁完整性检测；
50.s401：将s3所得微胶囊浸泡于蒸馏水中不少于24h；
51.s402：观察微胶囊完整性，若颗粒溶解率小于15％，则说明微胶囊外壁的完整性良
好，即制得自修复水泥基材料；反之，则说明微胶囊外壁的完整性差，即需要重新制备微胶囊。
52.s5：制备氧化石墨烯；
53.将氧化石墨烯纳米颗粒加入水中，搅拌均匀后将溶液置于超声仪器中，将控温度为20
°
，超声仪器功率控制为350瓦，反应时间控制为2h，形成均匀的氧化石墨烯溶液随后立即放入水泥砂浆中与微胶囊混合，在基础浇筑时一并掺入，浇筑成型。
54.s6：制备自修复水泥基材料。
55.s601：在行星式搅拌机中将水泥、砂石以及水搅拌均匀，在搅拌的同时按照最佳掺量配比加入氧化石墨烯以及微胶囊，从而制得自修复水泥基材料；
56.s602：将s601所得材料浇筑到试模中；
57.s603：将试模在振动台上振动50-70s；
58.s604：将试模养护24h后拆模；
59.s605：将拆模后的材料置于标准养护室中养护28天，获得自修复水泥基材料试块，最终走向现场应用。
60.一种自修复水泥基材料的测试方法，所述方法包括如下步骤：
61.步骤一：取s605所得自修复水泥基材料试块进行不少于3min的压力预加载，预加载的压力为该试件的28d极限抗压强度的70％；
62.步骤二：将s605所得自修复水泥基材料的试块浸泡于水中30天，观察裂缝修复效果；
63.步骤三：通过光学显微镜和x射线衍射观察步骤二所得试块中的微胶囊微观形态、裂缝修复以及成分组成；
64.微胶囊微观形态：通过光学显微镜发现微胶囊大致为球形，外壳包裹完好，微胶囊表面完全被壁材覆盖，壁材结构紧密，外壁表现的十分光滑，基本保证了微胶囊外壁包裹的完整性，在外壁不破裂的情况下，芯材能够被完全保护。继续放大后发现微胶囊表面凹凸不平，边缘呈不规则状，可以反映出在掺入混凝土后，微胶囊能够与周围材料牢固的粘接在一起，一旦有裂纹断面经过微胶囊，微胶囊便可以在两边混凝土的拉扯下顺利破裂，放出芯材，完成对裂缝的填补修复工作。
65.成分分析：通过x射线衍射法发现材料中主要包含钠长石、钙长石、石英、氢氧钙石、透钙磷石、钙矾石以及方解石，其中钠长石和钙长石占物相组成的73％，石英占19％。与普通试件相比，加入微胶囊后材料中的石英、钠长石以及钙长石三种物质的含量分别上升2％、22％和23％，其他物质的相对含量均有一定下降。该现象说明了微胶囊开裂后释放芯材并发生反应，产生更多硅酸钙和二氧化硅，构成水泥基材料的主要成分，也证明了所采用的囊芯材料满足对裂缝的修复需求。
66.步骤四：在步骤二所得试块上按照间距20mm均匀布置四块不锈钢电极；
67.步骤五：对步骤四所述不锈钢电极施加直流电源，利用电流表和电压表采集得到线路中的电压与电流；
68.导电性：氧化石墨烯在水中优越的分散性和亲水性加快了微胶囊中芯材的释放和水化反应，通过对比氧化石墨烯加入前后的成分组成发现，材料中的钙离子得到显著提升，产生的更多结晶体，矿物沉积填补微裂隙。同时，试件中的钙长石(55％)介电常数小、比强
度高，降低了水泥基中的电阻率，实现输电网中对低电阻率的接地网络需求。
69.石墨烯微观形态：试件内部颜色更深，试件内部分布均匀，没有出现团聚现象。同时试件内部结构更加致密，符合氧化石墨烯增强试件强度的机理，石墨烯促进水化反应，也将水化产物连接起来形成了增强效果。
70.自修复性：试块的抗压强度可达到3.9mpa，强度修复率可达到92％以上，水泥砂浆终凝时间在1h之内，对水泥砂浆的流动性和凝结时间影响较小。
71.步骤六：验证试块的强度增长率以及自修复率，使其强度相比普通混凝土提升10％以上，且其自修复率达到90％以上，则说明试块合格，反之则试块不合格。
72.本发明氧化石墨烯在基础浇筑时一并掺入，增强基础导电性且在与微胶囊最佳配比情况下，不受极端天气、特殊土地质环境、施工条件等影响，保证混凝的施工质量，增强输电塔基础接地能力、抗冻性、抗裂性、极大地提升桩体的耐久性、承载力以及服役性能。
73.本发明具有适用性强、成本低、合成工艺便于控制且在水泥基材料中易于均匀分散等优点。
74.本发明用于复合水泥基材料的自修复，外掺氧化石墨烯材用于提高材料导电性。有效解决了西北地区特殊环境下输电塔桩基础建设过程中面临富复杂多变的施工与技术难题，大幅度提高混凝土整体承载力、刚度、接地能力、抗裂性能、服役性能，同时节约成本和材料的使用。
75.本发明满足了输变电工程中的基础施工需求，其中，微胶囊的壁材对其内部的芯材形成保护作用，由于壁材具备力学触发性能，在输电塔基础产生微细裂缝时，裂隙处或附近微胶囊壁材会自动受压破裂，周围水分通过毛细作用渗入裂缝与芯材反应，生成具有凝胶性质的si(oh)4，经过固化后将缝隙粘接，具有一定粘接强度。芯材中的膨润土吸收水分后膨胀，填充裂缝，使得外界的腐蚀性物质无法再通过裂纹进入基础内部。最后，裂纹被完全粘接到一起，基础刚度和材料的渗透性恢复。氧化石墨烯加入后，材料中的钙离子得到显著提升，产生更多的结晶体，矿物沉积填补微裂隙。同时，试件中的钙长石(55％)介电常数小、比强度高，降低了水泥基中的电阻率，实现输电网中对低电阻率的接地网络需求。
76.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
77.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。