基于分子自组装微球的自修复水泥材料的研究项目摘要

本项目拟对基于分子自组装微球的自修复水泥材料进行研究。将组合化学技术、计算机辅助设计技术以及量子化学计算相结合，设计用于合成能聚合成自修复微球的功能单体；筛选及改造合适的修复液，利用分子自组装技术，将获得的功能单体和修复液聚合成具有自修复功能的微球。进一步对自修复微球对混凝土环境的适应性、破裂强度的控制、微球与水泥基体的相容性等进行研究，用制备的各系列微球配制自修复混凝土，研究分子自组装微球的自修复效果，优化自修复微球的制备工艺。研究分子自组装微球破裂强度与应力的响应关系、自修复功能的可重复性（持续性）。通过本项目研究，揭示分子自组装微球对混凝土裂缝自修复的机理，为水泥混凝土裂缝的有效自修复提供理论依据。

本项目对基于分子自组装微球的自修复水泥材料进行了研究。通过利用分子自组装技术构建化学传感器，掌握分子自组装技术的理论与实验技巧以及传感技术，为本项目的基于分子自组装微球的自修复水泥材料的研究奠定必备和良好的研究基础。在此基础上，设计合成了能聚合成自修复微球的功能单体；筛选及改造合适的修复液，优化了最佳反应条件，囊材与芯材的比例，研究了微球形貌的对修复能力的影响。利用分子自组装技术，将获得的功能单体和胶黏剂聚合成具有自修复功能的微球。制备的水泥自修复微球，用于水泥混凝土材料的修复具有优异的效果，提高了自修复微球对混凝土环境的适应性、破裂强度的控制、微球与水泥基体的相容性。用制备的微球配制到自修复混凝土，内置微球大大提高了水泥砂浆强度及其自修复能力，促进了分子自组装微球的自修复效果，同时研究了矿物掺合料对内置微球砂浆损伤自修复能力影响，优化了自修复微球的制备工艺。通过本项目研究，揭示了分子自组装微球对混凝土裂缝自修复的机理，为水泥混凝土裂缝等的有效自修复提供理论依据。本项目的研究内容与结果撰写发明专利1项（公开，并已完成审查意见的修改），相关内容撰写发明专利3项(已授权)；发表学术论文总计27篇，其中被SCI收录22篇，被EI收录2篇，被ISTP收录 1篇。

混凝土裂缝是引起结构耐久性下降的重要因素，因此开展裂缝及时自修复研究有重要意义。本项目将微生物在混凝土拌合时预先添加，一旦混凝土开裂，在环境氧、湿或光的激发下休眠的微生物能迅速复活，将混凝土中预埋的底物转化为矿物，填充裂缝空隙，实现自修复。主要研究内容包括：自修复矿化微生物的分离、筛选、驯化和固载；自修复效果的表征及工艺因素对自修复效果及其耐久性的影响；休眠和复活的控制基因及基因工程调控方法；微生物对修复矿物质形成的作用及机理等。通过研究，在技术基础层面上探明混凝土裂缝自愈合材料的配方和工艺参数；在科学层面上，揭示自修复矿化微生物的休眠、复活调控基因，探明休眠、复活时长的预测方法，揭示混凝土服役环境因素对预埋微生物的影响规律以及修复矿物形成机理。结合研究，发表SCI和EI收录论文20篇，授权发明专利5件以上，至少培养博士、硕士研究生6名。

本项目针对热塑性聚合物尚未形成有效自修复方法的现状，基于活性聚合的概念和方法，拟发展一种适用于热塑性聚合物的单组分修复剂型自修复体系。该自修复策略利用活性聚合物基体自身作为大分子引发剂，并植入含乙烯基单体的微胶囊；当材料受力产生微裂纹而破坏微胶囊时，微胶囊将释放出乙烯基单体，经毛细作用扩散至裂纹处，进而被基体引发聚合而自动粘合裂纹。由于借助了共价键修复裂纹，修复效率高。为防止乙烯基类修复剂在材料储存期间失效，将采用添加微量可溶高效失活剂的方法，既可以有效阻止修复剂单体发生自聚，又不影响其室温修复反应时的聚合活性。通过深入研究修复剂微胶囊的合成方法、活性聚合物基体合成路线、修复剂修复微裂纹的过程及其影响因素、修复剂微胶囊对热塑性聚合物材料物理和力学性能的影响等，将为实现此类热塑性聚合物材料的自修复提供科学依据，并促进活性聚合物向智能材料应用方向发展，因而本项目具有重要的理论和实际意义。

自修复混凝土可以解决用传统方法难以解决和不能解决的技术关键，在重大土木基础设施的及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和耐久性都极具重要性，也对传统的建筑材料研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。

总之，为了迎合21 世纪人类对建筑材料和结构提出的功能——智能一体化要求，对存在潜在损坏危险的混凝土表面进行有效保护、对造成裂纹和损伤的混凝土结构进行自修复，使混凝土结构具备自防护功能，是具有很大经济和社会效益的事情；自修复混凝土可以解决用传统方法难以解决和不能解决的技术关键，它对确保高层建筑、桥梁、核电站等重大土木基础设施的安全和长期的耐久性，以及减轻台风、地震冲击等诸多破坏因素方面有很大的应用潜力，对确保建筑物的安全和耐久性都极具重要性，也对传统的建筑材料研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。