一种内含自适应封头的混凝土自修复系统
技术领域
本发明涉及一种混凝土自修复系统，尤其涉及一种内含自适应封头的混凝土自修复系统。
背景技术
钢筋混凝土结构具有坚固、耐久、防火性能好、成本低等优点，广泛应用于土木、水利、港口、桥梁等领域，但一直以来普遍存在耐久性不足的问题，特别是海洋环境下的钢筋混凝土结构。钢筋锈胀会导致混凝土保护层开裂，使得结构过早发生损坏，导致实际服役年限远小于设计使用年限。交通部等有关部门对我国沿海港口工程混凝土结构破坏状况的调查表明：我国东南沿海22座已使用8~32年的码头中，有55.6%的码头的梁和板混凝土保护层脱落严重，其中有12座使用不到20年就在浪溅区发生严重的钢筋锈蚀和混凝土剥落现象。河海大学曾对连云港港西大堤钢筋混凝土护栏工程进行现场调查发现，该工程虽使用不到四年，但已出现严重的保护层开裂、混凝土剥落和钢筋锈断现象。混凝土裂缝的形成发展是导致结构提前失效的重要原因。内置含修复剂的封装容器混凝土结构可以在混凝土产生微裂纹时，自动释放出修复剂对裂缝进行修复，避免了人为修复的不便以及因此产生的高昂成本，降低了混凝土结构的运行维护成本，延长了结构的使用寿命。
近十几年来，将修复剂封装进球形或长圆柱体容器的混凝土自修复方法得到了广泛研究，当混凝土结构受荷载产生微裂纹时，内置含修复剂的玻璃管或胶囊容器会破裂，释放出修复剂，修复剂的释放和反应会触发自修复机理。Cailleux [E. Cailleux, V.Pollet, Investigations on the development of self-healing properties inprotective coatings for concrete and repair mortars. In Proceedings of 2ndInternational Conference on Self Healing Materials, Chicago, IL, USA, 28June–1 July 2009.] 将Ca(OH)2和桐油封装在明胶壳做成的球鞋微胶囊中，当裂缝形成的时候，胶囊破裂，桐油遇到空气会硬化，Ca(OH)2会和CO2反应生成CaCO3晶体填充裂缝间隙。Dry [Dry, C.M. Three designs for the internal release of sealants, adhesives,and waterproofing chemicals into concrete to reduce permeability. Cem. Concr.Res. 2000, 30, 1969–1977.] 将甲基丙烯酸甲酯（MMA）封装进涂敷石蜡的中空多孔圆柱体聚丙烯胶囊，裂缝形成时，横梁被加热，石蜡涂层溶解，释放的修复剂通过胶囊上的孔洞流出。氰基丙烯酸盐粘合剂(CA)也是球形胶囊中经常使用的修复剂。
Joseph [C. Joseph, A.D. Jefferson, B. Isaacs, R.J. Lark, D.R.Gardner, Experimental investigation of adhesive-based self-healing ofcementitious materials. Mag. Concr. Res. 2010, 62, 831–843.] 在试验中发现粘结剂（修复剂）并不能完全进入裂缝间隙，毛细管两端石蜡塞形成的负压被认为是粘结剂不能完全进入裂缝的原因（见附图1）。裂纹的毛细张力和粘结剂的质量重力不足以克服玻璃管的毛细阻力和密封端产生的负压力，为了克服这一弊端，Joseph建议在实验装置中使用了较长的毛细管并延伸到砂浆梁之外，向大气开放，从而消除了端塞阻力，可是这种方法破坏了试块的整体性。如果将该方法应用于混凝土面板的建设中，封装容器和混凝土接触的界面区在荷载的作用下极易首先开裂，给结构的使用带来极大的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混凝土自修复系统，该系统能够自动感应出微裂纹且粘结剂能够消除或对抗端塞阻力填充于裂缝中。
基于上述目的，本发明实际解决的问题为：一种内含自适应封头的混凝土自修复系统，包括
封装有修复剂的封装容器，在所述封装容器内壁贴合有应变片，所述应变片连接有单片机，所述应变片设置有一个或多个，若为多个应变片，则多个应变片分别检测多个位置的应变；
所述封装容器为两端设置有开口的柱形容器，所述柱形容器的两端开口处设置有自适应封头；
所述自适应封头包括端盖和靠近端盖并置于封装容器内的滑块，所述滑块设置于所述封装容器的横截面上，所述滑块宽度与所述封装容器的内腔宽度相当，所述单片机控制所述滑块的运动；
当所述应变片感应到所述封装容器壁破碎产生的应变后，单片机控制滑块向远离端盖的方向滑动，挤压所述修复剂由破碎处进入混凝土裂缝。
进一步的，所述封装容器为圆柱形管，所述滑块为圆柱形滑块，所述柱形管内径宽度与所述滑块的直径相当。
进一步的，所述端盖通过螺纹安装于所述柱形容器的端部开口处，所述端盖为U型盖，端盖内壁设置内螺纹，柱形容器的端部设置有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹相互配合实现柱形容器的密封。
进一步的，所述自适应封头包括与端盖连接的固定推杆、与所述滑块弹性连接的滑板，所述滑板活动设置于所述推杆与所述滑块之间，所述滑板与所述滑块之间通过弹性件弹性连接，所述弹性件处于压缩预紧状态，所述滑块背对滑板的一侧设置有固定块，所述固定块固定于所述封装容器内，在所述固定块与所述滑块之间设置有石蜡块，所述石蜡块连接有热电阻丝，所述热电阻丝连接所述单片机，所述单片机根据接收到的应变信号启闭所述热电阻丝。
进一步的，所述热电阻丝为热电阻丝，所述热电阻丝包覆在石蜡块内。
进一步的，所述单片机连接有报警模块，所述单片机监测到应变激增或激增随后变小的信号后触发所述报警模块。
进一步的，所述热电阻丝通过继电器驱动电路连接所述单片机，所述单片机通过触发继电器驱动电路，使热电阻丝通电加热，石蜡块融化。
进一步的，所述单片机还连接有显示模块，用于显示应变片的检测信息，所述单片机型号为STC15F2K60S2单片机。
进一步的，所述封装容器的材料为玻璃、陶瓷、有机玻璃、植物纤维、聚丙烯中的一种或多种的组合。
进一步的，所述修复剂为氢氧化钙水溶液、桐油、环氧树脂、聚氨酯、甲基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸盐粘合剂中的一种或多种的组合，所述修复剂的粘度为100 – 500 cps。
本发明所产生的有益效果包括：（1）该内含自适应封头的面板混凝土自修复系统。自适应封头可以有效消除封装容器破碎时在容器端头形成的塞端阻力，当混凝土基体裂缝形成致使封装容器破裂时，随着热电阻丝加热带动石蜡融化，受压缩状态的弹簧会释放推动滑块挤出修复剂，这样裂缝间隙可以被修复剂完全填充，大大提高了修复剂的使用效果。
（2）处于服役状态的混凝土结构一旦产生裂缝，很难人为判断裂缝的诱发形成，给修复工作带来了极大的不便，同时人为检测的成本相对较高并且判定准则不统一，面板混凝土自修复系统中基于单片机控制的修复监控系统可以实现自动化控制，建立自动捕捉裂缝发生并触发修复机理机制，并且判定诱导修复机理的规则统一。
附图说明
图1为传统内置管状封装容器自修复示意图。
图2为本发明内置管状载体自修复示意图。
图3为本发明自适应封头局部放大图。
图4是一种内含自适应封头的面板混凝土自修复系统硬件结构图。
图5是一种内含自适应封头的面板混凝土自修复系统电路原理图。
图中：1、自适应封头，101、端盖，102、固定推杆，103、滑块1，104、弹簧，105、滑块2，106、热电阻丝，107、石蜡，108、固定块，2、封装容器，3、应变片，4、修复剂，5、裂缝间隙，6、雷达探测器，7、混凝土基体。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整且清楚的描述，显而易见，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，并非全部。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的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。
请参阅图2、3，本发明提供一种技术方案：一种内含自适应封头的面板混凝土自修复系统，主要由自适应封头1、封装容器2、修复剂4、以及修复监控系统组成。封装容器为柱形管体，柱形管体的两端开口，自适应封头置于柱形管口的两端开口处，用于封装柱形管，在封装容器内封装有修复剂，封装容器置于混凝土基体7中，当混凝土产生裂缝后，会拉动封装容器断裂，修复剂流出。
如图4，修复监控系统包括单片机、应变片、电源模块、雷达探测器模块、继电器驱动模块、热电阻丝、报警模块和显示模块。修复监控系统的应变片3、雷达探测器6的输出端和单片机的输入端相连，单片机的输出端和热电阻丝106、显示模块以及继电器驱动电路的输入端相连，电源模块用于为单片机供电，单片机接收应变片产生的应变信息，并根据应变信息控制继电器驱动模块，进而控制是否加热热电阻丝。
如图5，单片机包括4个应变片接口、4个继电器接口，1个继电器驱动模块接口，两个雷达探测信号接口，6个显示模块接口，1个报警模块接口。
自适应封头包括端盖和靠近端盖并置于封装容器内的滑块，滑块设置于封装容器的横截面上，滑块宽度与封装容器的内腔宽度相当，单片机控制滑块的运动；自适应封头还包括与端盖连接的固定推杆、与滑块弹性连接的滑板，滑板活动设置于推杆与滑块之间，滑板与滑块之间通过弹簧弹性连接，在无裂缝产生时，弹簧处于压缩预紧状态，滑块背对滑板的一侧设置有固定块，固定块固定于封装容器内，固定块可以设置一个或多个，本实施例中设置两个，且设置在靠近或连接在封装容器的内壁处，在固定块与滑块之间设置有石蜡块，石蜡块内包覆有热电阻丝，热电阻丝通过继电器驱动模块连接单片机，单片机根据接收到的应变信号启闭继电器驱动模块，进而启闭热电阻丝加热。在热电阻丝未加热时，石蜡块为固体，阻止滑块向固定块挤压。
所述试件封装容器2两端口外侧设螺纹，端盖101内侧面螺纹和封装容器2外侧螺纹螯合，通过扭转端盖101进行加固。旋转端盖101带动固定推杆102向靠近裂缝间隙5一侧移动，使滑块103、105之间的弹簧104处于压缩状态，推杆固定在端盖上，推杆沿封装容器的轴向设置。
封装进封装容器2内的修复剂4可以是氢氧化钙水溶液、桐油、环氧树脂、聚氨酯、甲基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸盐粘合剂等。
修复剂4的粘度仍然是一个十分重要的参数。粘度过大会超出压缩弹簧104的弹力范围。粘度太小，修复剂会流出裂缝5间隙或者被周围混凝土基体吸收。修复剂4的粘度在100 – 500 cps。
封装容器2材料可以是玻璃、陶瓷、有机玻璃、植物纤维、聚丙烯等。所述封装容器2多为脆性材料，封装容器2在混凝土成型搅拌过程极易破碎，可以在封装完修复剂4的脆性容器2表面事先涂敷一层水泥浆或者硅胶，待水泥浆或硅胶硬化后放置于混凝土成型模具中，可以很大程度上避免脆性容器2在搅拌过程中被打碎。
所述单片机型号为STC15F2K60S2单片机。
在本实施例中，所述修复剂4的封装方法可以分为以下四步进行。
第一步：将应变片3与封装容器2黏贴；
第二步：将封装热电阻丝106的石蜡块107放置于封装容器2内壁的固定块108处；
第三步：在封装容器2一端，将通过弹簧连接的圆形滑板103和滑块105放置于封装容器2内壁的石蜡块107外侧，拧紧玻璃管一端端盖101，带动固定推杆102使滑块中间的弹簧104处于压缩状态；
第四步：在封装容器2另一端灌入修复剂4，放入滑板103、滑块105，拧紧端盖101，使另一侧弹簧104同样处于受压缩状态。
在荷载作用下，裂缝5的发展扩大带动封装容器2及与之紧贴的应变片3拉伸变形并将应变片3的应力-应变信号传输给单片机，在显示模块的屏幕上显示。当裂缝5发展到一定程度后，封装容器3受拉伸破裂，应变片3将感知得到的应变激增随即变小的信号传递给单片机，单片机给出控制信号使报警模块发出预警信并触发继电器驱动电路（即继电器驱动模块），使热电阻丝106通电加热，石蜡107受热融化。此时受压缩状态的弹簧104推动滑块105向靠近裂缝5一侧滑动，修复剂4在滑块105的推动下逐渐填充满裂缝间隙5。
当裂缝5被修复剂4填充满且有少量溢出时，被雷达探测器6捕捉到，进而将信号传输给单片机，单片机给出控制信号关闭继电器驱动电路，停止热电阻丝106的通电加热，石蜡块107冷凝固定住滑块105的位置，裂缝间隙5被停止填充，因而有效地提高了修复剂4的利用率。根据应变量设置热电阻丝合理的加热温度区间来调节加热温度，石蜡加热后是热塑性的，当热电阻丝不加热时，周围温度会降低下来，从而石蜡又会凝固。
尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。
