微胶囊自修复水泥基材料细观断裂行为及修复效能

刘亚轩; 霍曼琳; 李金武; 崔建勤

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506676

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6537-6547 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506676

建筑科学

微胶囊自修复水泥基材料细观断裂行为及修复效能

刘亚轩 ¹ ,
霍曼琳 ¹^,^* ,
李金武 ² ,
崔建勤 ³

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Micro-fracture Behavior and Repair Efficiency of Microcapsule Self-healing Cement-based Materials

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摘要

混凝土作为广泛应用的结构材料,其微裂缝问题严重影响耐久性与安全性。受生物自愈合现象启发,微胶囊自修复技术为裂缝自主修复提供了新途径。为研究微胶囊参数对水泥基材料力学与自修复性能的影响,基于格构模型理论,建立了考虑材料非均匀性的微胶囊-水泥基复合材料细观断裂模型。通过模拟材料在单轴拉伸与压缩荷载下的断裂过程,系统分析了微胶囊掺量(1%~3%)与粒径(176~245 μm)对其强度、弹性模量、应力-应变关系及裂缝扩展规律的削弱效应。数值模拟结果表明,微胶囊的掺入会形成薄弱区域,导致基体强度显著降低,且降低幅度随掺量增加与粒径增大而加剧。同时,模型成功模拟了修复过程,发现微胶囊对力学性能具备明确的修复效果,最佳参数组合(掺量2%,粒径205 μm)下抗压强度修复率可达96%。研究结论为微胶囊自修复水泥基材料的性能预测与参数优化提供了有效的数值分析工具。

Abstract

As a widely used structural material, the micro-crack problem of concrete seriously affects the durability and safety. Inspired by the phenomenon of biological self-healing, microcapsule self-healing technology provides a new way for self-healing of cracks. In order to study the influence of microcapsule parameters on the mechanics and self-healing properties of cement-based materials, a mesoscopic fracture model of microcapsule-cement-based composites considering material heterogeneity was established based on the lattice model theory. By simulating the fracture process of the material under uniaxial tensile and compressive loads, the weakening effects of microcapsule content (from 1% to 3%) and particle size (from 176 μm to 245 μm) on its strength, elastic modulus, stress-strain relationship and crack propagation law were systematically analyzed. The numerical simulation results show that the incorporation of microcapsules will form a weak area, resulting in a significant decrease in the strength of the matrix, and the decrease will increase with the increase of the content and the particle size. At the same time, the model successfully simulated the repair process, and found that the microcapsules had a clear repair effect on the mechanical properties. The compressive strength repair rate under the optimal parameter combination (content 2%, particle size 205 μm) can reach 96%. This study provides an effective numerical analysis tool for the performance prediction and parameter optimization of microcapsule self-healing cement-based materials.

Graphical abstract

关键词

格构模型 / 自修复水泥基材料 / 微胶囊 / 力学性能 / 修复性能 / 数值模拟

Key words

lattice model / self-healing cement-based materials / microcapsules / mechanical properties / repair performance / numerical simulation

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刘亚轩, 霍曼琳, 李金武, 崔建勤. 微胶囊自修复水泥基材料细观断裂行为及修复效能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6537-6547 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506676

LIU Ya-xuan, HUO Man-lin, LI Jin-wu, CUI Jian-qin. Micro-fracture Behavior and Repair Efficiency of Microcapsule Self-healing Cement-based Materials[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6537-6547 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506676

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混凝土作为现代土木工程中应用最广泛的建筑材料,其优异的可塑性、耐久性与经济性支撑了众多重大基础设施的建设与发展^[1]。然而,混凝土本质上是一种多相复合的准脆性材料,在服役过程中受荷载、收缩、温度变化等多因素影响,内部易产生微裂缝^[2-4]。这些微裂缝不仅是侵蚀性介质侵入的主要通道,诱发钢筋锈蚀与基体软化,进而显著降低结构耐久性^[5-7],更是宏观破坏的前兆,对结构长期安全构成潜在威胁。

传统裂缝修复方法通常依赖外部检测与人工干预,存在效率低、成本高且难以持续有效等问题。受生物体自愈合机制的启发,仿生自修复混凝土应运而生^[8]。其中,微胶囊自修复技术通过将修复剂封装于微米级胶囊内并预埋于混凝土中,使材料在裂缝产生时能够自主释放修复剂实现愈合,展现出良好的工程应用前景^[9-10]。尽管该技术赋予混凝土“智能”修复功能,但微胶囊作为异相掺入物,其力学性能远低于水泥基体,会引入界面薄弱区,从而对材料的宏观力学性能产生不利影响。因此,在追求自修复能力的同时,如何合理控制微胶囊参数(如掺量、粒径等)以平衡其修复效能与力学性能的削弱效应,成为当前研究的关键问题。

目前,针对微胶囊自修复体系的数值研究处于发展阶段。吕忠等^[11]采用XFEM(extended finite element method)模拟了微胶囊的破裂与修复过程,探讨了胶囊几何特征对修复效率的影响;王若彤等^[12]采用扩展有限元方法结合内聚力模型,建立了含预制裂纹和微胶囊的三维数值模型,从微观角度分析了基体开裂与微胶囊开裂的过程及其内在机理;Quayum等^[13]则采用代表体积元(representative volume element,RVE)和计算均质化方法评估了自修复混凝土的有效性能。然而,这些连续介质模型(如有限元法)虽广泛应用,但难以真实反映混凝土的非均匀性及裂缝的断续扩展行为^[14]。格构模型作为一种离散型细观力学模型,通过将材料离散为随机分布的梁单元网络,能够自然模拟裂缝的萌生、扩展与贯通全过程,尤其适用于准脆性材料的断裂分析^[15-16]。近年来,已有学者尝试将格构模型用于模拟自修复材料的性能演化。赵翔鹏等^[17]利用该模型分析了水泥石的随机断裂行为,陈凌霄等^[18]则对胶囊基自修复材料的开裂过程进行了实验与模拟对比。而刘家煜等^[19]利用该模型对多个尺度的混凝土断裂过程进行了数值模拟,从而得到具体的修复过程。然而,现有研究在微胶囊-基体界面效应的精细化建模、修复剂释放规则与强度恢复机制的耦合分析方面仍存在不足,限制了模型在修复效能定量评估中的应用。

基于此,现建立一种基于格构模型的微胶囊自修复水泥基材料细观数值模型,重点考虑材料非均匀性、微胶囊-基体界面效应以及修复过程的影响。通过系统模拟不同微胶囊参数下材料的单轴拉、压力学响应与裂缝扩展过程,揭示微胶囊对材料力学性能的弱化机制与修复恢复效果,为自修复混凝土的材料设计与性能优化提供理论依据与数值工具。

1 模型与方法

1.1 格构模型理论

格构模型理论的基本思想是将连续介质离散成由梁单元连结而成的网格系统,每个单元代表材料的一小部分,通过赋予单元不同的力学性能表征材料的非均质性^[20]。本试验计算过程如图1所示。计算时,通过事件驱动机制模拟材料的开裂过程,基于序列线性求解的方法计算每一分析步的材料荷载-位移响应。即对体系施加虚拟单位位移,进行线弹性分析,计算各单元的内部应力,找出当前分析步中应力/强度比最高的单元,记录该应力/强度比β_max,将单元从体系中剔除,表征为裂缝。依据线弹性理论,通过β_max反演裂缝单元应力/强度=1对应的荷载与位移。释放应力后,再次施加单位荷载,重复上述步骤,直至整个系统破坏或达到既定的阈值(力或位移),即可实现裂缝开展过程和荷载-位移响应的模拟。其中单元损伤比例因子β_i计算公式为

(1)β_i=$\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{i}}}{{\mathit{f}}_{\mathit{i}}}$

式(1)中:σ_i为单元i所受应力;f_i为单元i的强度。

各类单元的强度均不同,将最大损伤比例因子设为β_max。假设体系在每个求解步中均处于弹性状态,则其对应的真实开裂位移为1/β_max。根据这一关系,开裂荷载F_i的计算公式为

(2)F_i=$\frac{{\mathit{F}}_{\mathrm{v}}}{{\mathit{\beta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$

式(2)中:F_v为单位虚位移作用下的结构力学响应。

1.2 网格划分

通过随机三角形网格法来构建格构系统,包括以下步骤:首先,构建尺寸为5 mm×5 mm的正方形网格系统,并设置网格边长为10 μm,如图2所示;然后,在正方形区域内划分子正方形单元,用于限制节点的生成范围;最后基于Delaunay三角网格法,将距离最近的6个节点连接起来,构建形成网格结构。为控制格构体系的随机程度,通过调整子正方形的尺寸来实现。因此,将子正方形边长与正方形边长的比值定义为自由度。自由度直接决定着格构系统的泊松比。当自由度设定为0.5时,泊松比约为0.2,该数值与混凝土材料自身的泊松比十分接近。基于这一特性,将模型网格的自由度参数设置为0.5是较为合理的选择。

通过Monte-Carlo法产生随机微胶囊自修复水泥石模型,过程中假设微胶囊在区域内随机分布,且不得相交、重合、包含,胶囊壳厚假设30 μm。由于考虑到网格单元的长细比较小,因此使用铁木辛柯梁单元来反映因剪切变形所带来的影响。单元类型具体如下:胶囊单元、水泥石单元以及界面单元。如图3所示为生成的模型示意图,其中界面单元的剪切模量和弹性模量计算公式为

(3)E_ij=$\frac{2}{\frac{1}{{\mathit{E}}_{\mathit{i}}}+\frac{1}{{\mathit{E}}_{\mathit{j}}}}$

抗压强度和抗拉强度取连接两相的较低值,其计算公式为

(4) f_ij=min(f_i,f_j)

式中:E_i为第i相单元弹性模量或剪切模量;E_j为第j相单元弹性模量或剪切模量;E_ij为第i相和第j相连接单元的弹性模量或剪切模量;f_i为第i相单元的抗压强度或抗拉强度;f_j为第j相单元的抗压强度或抗拉强度;f_ij为连接第i相和第j相的单元的抗压强度或抗拉强度。

1.3 输入参数

设计水泥石的水灰比为0.5,微胶囊掺量为1%、2%、3%,这是一个经典且被广泛验证的区间,其依据主要在于平衡修复效果与力学性能。粒径设置为245、205、176 μm,粒径的选择主要与混凝土中微裂缝的宽度和微胶囊的制备工艺有关。正交试验方案如表1所示。

格构单元的输入参数包括弹性模量、抗压强度和抗拉强度,如表2所示。考虑材料非均质性对力学性能的影响,因此采用Weibull概率函数表征水泥石的强度和弹性模量,计算公式为

(5)$F(\sigma)=1-\exp \left[-\left(\frac{\sigma}{\eta}\right)^{m}\right]$

式(5)中:σ为强度或弹性模量;m为形状参数;η为比例参数,MPa。其中m和η的取值如表2所示。

水泥石单元的输入参数(弹性模量、抗拉强度)及其统计分布特征参考Zhang等^[21]通过纳米压痕试验与反演分析获得的数据,如图4所示。

胶囊单元和界面单元输入参数则采纳Lü等^[22]通过实验与数值校准得到的值,如表3所示。所有单元采用线弹性本构关系^[23]。若单元所承受的应力水平达到其极限强度,此时判定该单元失效,并将其从整个体系中剔除,以此来表征裂缝的出现。

1.4 边界条件

单轴压缩边界条件为底部各节点施加法向约束,顶端均匀施加单位位移,此外,还要对受力端施加水平约束,对底部和顶部端面的各节点横向位移加以限制,如图5(a)所示。对于单轴拉伸的边界条件而言,需在底部各节点处同时施加水平以及竖向约束,同时在顶部施加单位位移,如图5(b)所示。

1.5 破坏准则与修复准则

在构建的微胶囊水泥石断裂模型中,单位应力通过轴向作用力N和弯矩M进行计算,公式为

(6)σ=α_N$\frac{\mathit{N}}{\mathit{A}}$+α_M

$\frac{\mathit{M}}{\mathit{W}}$

式(6)中:A为单元截面面积;W为截面惯性矩;α_N为轴力系数;α_M为弯矩系数。α_N和α_M分别反映轴力和弯矩的作用效果,α_N和α_M的取值受材料断裂特性影响,当α_N=1,α_M=0.05时,模型能够反映混凝土材料的断裂行为,故按此取值。

根据微胶囊掺量对失效水泥石单元进行修复,修复过程如图6所示。本文中微胶囊对水泥石单元的强度恢复为50%,即为修复后的水泥石单元强度为初始输入强度的50%。

2 数值模拟结果与分析

2.1 单轴压缩工况下的力学行为

2.1.1 微胶囊掺量及粒径对水泥基体抗压强度与弹性模量的影响

如图7所示为不同工况下微胶囊自修复水泥石数值计算单轴压缩应力-应变曲线,通过曲线计算极限强度和弹性模量如表4所示。

从表4可以看出,随着微胶囊的掺入,水泥石的单轴压缩强度出现了明显降低。以最不利工况(胶囊粒径为245 μm)为例,当微胶囊掺量为1%、2%和3%时,相较于未掺加微胶囊的普通水泥石其抗压强度分别降低了42.84%、48.16%和55.94%。但是微胶囊掺入对水泥石弹性模量没有明显的影响。另外,在相同的微胶囊掺量情况下,微胶囊粒径越大,其抗压强度越低,主要是因为微胶囊自身力学性能较弱,受外部荷载时,较大粒径的微胶囊周围出现更大的应力集中,导致微裂缝的萌生和发展,从而降低水泥石的整体抗压强度。同一微胶囊粒径下,微胶囊掺量为3%的水泥石与掺量为1%的水泥石相比:当粒径为245 μm时,其单轴抗压强度下降23.2%;当粒径为205 μm时,其单轴抗压强度下降8.1%,当粒径为176 μm时,其单轴抗压强度下降5.9%。

2.1.2 裂缝扩展过程分析

如图8所示为试件 Ⅰ(对照组)和 Ⅱ 在单轴压缩工况下的应力-应变曲线,其中 A、B、C、D、E和F点裂缝形态分别对应图8中的裂缝发展过程。在格构模型中,裂缝扩展是通过“事件驱动”模拟的,即:每一步计算中,找出应力/强度比最高的单元;将其从系统中“剔除”,表示该单元断裂;记录此时的荷载、位移,以及所有已断裂单元的分布。因此,应力-应变曲线上的每一个特征点(如A、B、C、…)都对应一个特定的裂缝状态,这些状态被实时记录并可视化。当试件 Ⅰ 加载到应力-应变曲线上的A点,由于水泥石单元力学性能呈韦伯分布,因此失效水泥石单元随机分布于试件中[图9(a)]。到达极限荷载B点,由于试件顶端和底端处于双向受压状态,试件端部微裂纹明显少于其他位置,呈现明显的双向受压区域[图9(b)];进入曲线下降段,微裂缝逐渐联通,形成一条贯通裂缝[图9(c)],失效破坏。图9(d)为试件 Ⅱ 应力-应变曲线D点对应的裂缝开展形态。该阶段,裂缝集中于微胶囊和界面区域薄弱位置,处于线弹性状态。当到达极限荷载E点,水泥石基体开始发生破坏,微裂纹在微胶囊周围聚集[图9(e)];随后微裂缝逐渐稳定发展、联通,形成连接微胶囊的多条主裂缝[图9(f)],造成材料失效(F点)。

掺入微胶囊后试件的最终破坏形态如图9(c)、图9(f)所示,可以发现,试件最终裂缝均为连接胶囊的多条主裂缝,同时存在局部分散裂缝,胶囊掺入明显改变了水泥石的最终裂缝形态。从图10中裂缝的发展形态能够看出,修复前后试件的最终破坏形态相似,说明修复之后,试件仍沿原路径发生破坏,修复区域仍属于水泥石的“薄弱区域”。

2.1.3 模型验证

为验证本格构模型的准确性与可靠性,将数值模拟结果与已发表的典型实验研究进行了对比分析。选取了Lü等^[22]在相同微胶囊参数(掺量2%,粒径205 μm)下进行的胶囊基自修复水泥基材料单轴压缩实验数据作为对比基准。其研究结果表明,该工况下试件的抗压强度修复率约为92%。本模型的模拟结果显示,在相同参数下,抗压强度修复率达到96%,两者在趋势和数值上高度吻合,误差在可接受的范围内(约4.3%)。这一对比结果表明,本研究所建立的细观格构模型能够有效地捕捉微胶囊自修复材料的力学性能演化规律与修复效能,具备良好的预测精度,为后续的参数分析提供了可靠的数值基础。

2.1.4 修复效果评价

不同掺量及粒径微胶囊水泥石修复前后强度和弹性模量变化如图11所示,由此计算单轴压缩强度和弹性模量恢复率如表5所示。可以发现水泥石弹性模量修复率均在98%以上,而强度修复率最高的是96%,此时微胶囊的掺量为2%,粒径为205 μm。因此若考虑使水泥石强度修复率达到最高,宜选取微胶囊掺量2%,粒径205 μm。

2.2 单轴拉伸工况下的力学行为

2.2.1 微胶囊掺量及粒径对水泥基体抗拉强度与弹性模量的影响

采用模型预测微胶囊自修复水泥石单轴拉伸荷载作用下的应力-应变曲线如图12所示,由此计算极限抗拉强度如表6所示。通过分析能够看出,在水泥石中掺入微胶囊之后,其抗拉强度出现了明显的降低。以最不利工况(245 μm)为例,当微胶囊掺量为1%、2%和3%时,水泥石的单轴拉伸强度相较于未掺加微胶囊的普通水泥石分别降低了29.40%、44.24%和45.43%。需要说明的是,微胶囊掺入对水泥石单轴拉伸强度的降低幅度小于对单轴压缩强度的降低幅度(分别为42.84%、48.16%和55.94%)。

与抗压强度相似,微胶囊的掺量和粒径是影响水泥石抗拉强度的主要因素。在相同的微胶囊掺量情况下,微胶囊粒径越大,水泥石的抗拉强度越低,这主要是由于胶囊单元的力学性能较弱,微胶囊粒径越大,材料内部的薄弱区域更为集中,试件内部应力分布不均,在微胶囊周围出现应力集中,从而降低试件的整体强度。在微胶囊粒径相同的情况下,微胶囊掺量越大,水泥石强度越低,主要是因为微胶囊的掺入增大了水泥石的薄弱区域,在外荷载作用下,试件更容易失效破坏。同一微胶囊粒径下,微胶囊掺量为3%的水泥石与掺量为1%的水泥石相比:当粒径为245 μm时,其单轴抗拉强度下降 22.70%;当粒径为205 μm时,其单轴抗拉强度下降21.81%;当粒径为176 μm时,其单轴抗拉强度下降18.99%。

2.2.2 裂缝扩展过程分析

如图13所示为试件 Ⅰ 和 Ⅱ 单轴拉伸条件下应力应变曲线,其中A点、B点、C点、D点、E点和F点的裂缝形态对应图14中的裂缝发展过程。可以发现,试件 Ⅰ 在达到峰值荷载B点之前,失效水泥石单元一直在增加,但未形成贯通裂缝,由于水泥石单元力学性能呈韦伯分布,导致失效水泥石单元在试件内部随机分布[图14(a)、图14(b)]。最终水泥石在试件底部形成一条贯通裂缝[图14(c)]。如图14(d)所示为试件 Ⅱ 应力-应变曲线D点对应的裂缝开展状态。该阶段失效单元为胶囊单元和部分水泥石单元;达到峰值荷载E点时,微胶囊周围开始形成局部微裂缝并开始向外侧发展[图14(e)]。随后裂缝由胶囊向外稳定发展[图14(f)],形成一条贯穿试件的主裂缝,造成材料失效(F点)。微胶囊掺入对单轴拉伸试件的最终破坏形态如图14(c)、图14(f)所示,可以发现,单轴拉伸工况下试件最终失效裂缝形态均为一条贯穿试件胶囊、垂直于加载方向的主裂缝以及局部微裂纹。

试件Ⅱ水泥石修复前后单轴拉伸最终破坏形态如图15所示,可以看出试件自修复前后的最终裂缝形态为一条位置相同且贯穿试件,垂直于加载方向的主裂缝和局部微裂纹,修复后试件沿原路径发生失效破坏。需要说明的是,由于微胶囊可修复的水泥石单元数量有限,部分工况在峰值荷载之前失效的单元可能无法得到全部修复,无法修复的水泥石单元被剔出模型,导致水泥石单元修复后的试件存在初始裂缝,在垂直于初始裂缝方向上无失效单元产生。

2.2.3 修复效果评价

如图16所示为不同工况下水泥石修复前后强度变化,由此计算水泥石单轴拉伸强度修复率如表7所示。所示。可见单轴拉伸强度修复率最高为80%,此时工况掺量为2%,胶囊粒径为205 μm,与单轴压缩强度恢复率最佳的工况相一致。但该工况下单轴拉伸强度修复率低于单轴压缩强度修复率(96%)。

3 结论

为考虑水泥石由于非均匀特性所引起的应力分布非均匀性,基于格构模型理论建立微胶囊自修复水泥石断裂模型,在单轴压缩与拉伸两种工况下分析微胶囊对水泥石基体的性能影响,得出以下结论。

(1)微胶囊掺入对水泥石弹性模量影响较小,对强度影响显著。随着掺量和粒径增大,水泥石力学强度呈下降趋势。以最不利工况(245 μm)为例,微胶囊掺量为1%、2%和3%时,相较于未掺加微胶囊的普通水泥石,其单轴压缩强度分别降低了42.84%、48.16%和55.94%,单轴拉伸强度分别降低了29.40%、44.24%和45.43%。

(2)微胶囊的掺入对水泥石有一定的修复性能,综合考虑强度和模量修复率,建议采用胶囊掺量2%,粒径205 μm。该工况下,单轴压缩强度修复率为96%,单轴拉伸强度修复率为80%,弹性模量修复率均在98%以上。这组最佳参数同时具备工程应用潜力。考虑到实际工程中裂缝的随机性,该技术尤其适用于预制构件(如管片、盖板)的生产。在工厂可控环境下,可将微胶囊均匀拌入混凝土中,确保其分布质量。当这类构件在运营中因荷载或收缩产生微裂缝时,微胶囊便可发挥诊断与修复的功能,这对于提升装配式结构的整体耐久性具有重要意义。

(3)微胶囊掺入以后,单轴压缩和单轴拉伸试件裂缝开展过程均为:首先微胶囊和界面单元出现失效破坏,随后微胶囊周围形成局部微裂缝并向外侧发展,最后主裂缝导致试件失效。单轴压缩试件形成连接微胶囊的多条主裂缝,同时存在局部分散裂缝。单轴拉伸试件形成一条贯穿试件的主裂缝。修复后,试件的开裂过程基本不变。

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基金资助

甘肃省重点人才项目(2024RCXM78)

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Received	Published	Revised
2025-09-16	2026-05-28	2025-11-24
Online Date
2026-08-07

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