CN105300801A - 自修复水泥基材料的自修复效果评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析混凝土的方法领域，具体为一种自修复水泥基材料的自修复效果评价方法。一种自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：评价指标包括相对动态弹性模量，断裂行为（应力强度因子回复率，断裂韧度回复率），本构行为对比，抗弯刚度回复率和强度回复率。按如下步骤依次实施：步骤1：制备试件；步骤2：预制局部裂纹、分散裂纹；步骤3：测试各项参数；步骤4：完成自修复；步骤5：测试各项参数；步骤6：计算处理，评价修复效果。本发明评价全面。

Description

自修复水泥基材料的自修复效果评价方法

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析混凝土的方法领域，具体为一种。

背景技术

作为当今建筑领域使用最广，用量最大的材料，混凝土材料的使用寿命在很大程度上取决于其破坏程度。近年来，随着智能材料的研究与应用，具有自感知、自诊断、自修复等功能的智能混凝土得到广泛关注和研究。自修复混凝土已成为机敏结构的重要组成部分，可以解决用传统裂缝修补方法不能解决或难以解决的技术问题，对确保地下水体系结构、高层建筑、大坝等重大土木工程设施的耐久性和安全性有着重要意义，此外，在减轻地震、台风、海啸等气候冲击损坏以及其他破坏因素也有很大的应用前景。因此，对自修复混凝土进行研究，使其能够自动地对裂缝区进行检测，进行自动修复，恢复或提高混凝土材料的使用性能，已成为混凝土技术的发展趋势。

现阶段，国内外混凝土裂缝自修复技术可分为结晶修补法、内置载体法、形状记忆合金自修复以及复合材料传感器自修复等。其中，结晶修补法是在混凝土裂缝中形成各种不溶于水的结晶体，在裂缝界面处的聚集生长，从而使裂缝逐步填充闭合。按照生成结晶体的物质和方式，可分为结晶沉淀、渗透结晶自修复以及微生物自愈合等。内置载体法又名仿生自修复技术，是在混凝土结构中布置各种载体，载体中内含具有粘结作用的化学物质，当混凝土基体产生微裂缝，载体发生破裂，释放出的化学物质发生物理化学反应，形成自愈合网络，实现裂缝的修补。复合材料传感器自修复系统主要由自诊断复合材料和低粘度环氧树脂热塑管组成。自诊断复合材料本身可以通过选择对特殊位置进行加热。一旦混凝土中产生裂缝，因为张力过大，被自诊断复合材料探测信号，进而增加电阻对裂缝位置进行选择性加热。之后，裂缝处的热塑管在裂缝处熔化成环氧树脂来愈合裂缝。

目前，国内外学者针对自修复材料做了很多方面的研究，并取得了一定的成果。然而，在自修复效果的评价方面仍存在诸多待解决的问题。对于水泥基材料自修复的修复效率评价方法较为单一，国内外大多评价手段仅局限于材料的抗压强度回复率等力学性能方面，实施方式为加荷——卸载修复——二次加荷。在评价材料刚度、韧性、断裂行为、本构行为、损伤情况以及抗渗性、抗侵蚀性、碳化等相关耐久性改善方面缺乏直接有效的评价方法。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，改善现有自修复水泥基材料修复效果评价方法的单一性，提供一种更为系统全面的评价方法，本发明公开了一种自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其评价指标包括相对动态弹性模量，断裂行为(包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率)，本构行为对比，抗弯刚度回复率和强度回复率。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：按如下步骤依次实施：

步骤1：根据不同使用环境，按照不同的修复原理制备具有修复作用的水泥基材料的试件，无特殊要求的建筑物以及地下水体系可选用结晶修补法、内置载体法、形状记忆合金自修复等多种修复方式；用于公路、地基及桥墩等建筑物的混凝土材料可选用液芯纤维法；用于石油工程，地质工程以及部分土木工程的混凝土材料可选用微生物自修复法，所述试件是长×宽×高为40mm×40mm×160mm的棱柱，所述试件分为A、B两个试验组，A组用于表征材料的断裂行为、本构行为和力学行为，B组用于表征材料内部损伤情况的变化；每个试验组需要9个试件，每个试验组中的3个试件用来测试基准强度，其余6个试件用来设置不同程度的预破坏，所述试件的基材包括水泥净浆、水泥砂浆和混凝土材料；

步骤2：试件到达28day的龄期后，对A组试件预制局部裂纹，对B组试件预制分散裂纹，所述局部裂纹通过切割或预置薄片的途径实现，所述局部裂纹的长度、宽度和深度根据实际需要进行调整，一般的，裂纹长度范围为10mm～40mm；裂纹宽度范围为0.2mm～2mm；裂纹深度范围为5mm～15mm；所述分散裂纹通过预加载实现，预加载的方式包括预折和预压，预折通过万能伺服液压机实现，预压通过砂浆压力机实现，所述分散裂纹的区域范围根据实际需要进行调整，一般的，预制分散裂纹程度为最大荷载的10％～80％；

步骤3：测试A组试件的断裂参数、本构行为、抗弯刚度、抗折强度和抗压强度这5个性能指标，测试B组试件超声波在材料表面的初始传递波速；

步骤4：将A、B组试件都置于混凝土标准养护条件即温度20±2℃、相对湿度95％的环境下，养护1day或3day完成自修复；

步骤5：对修复后的A、B组试件重复测试步骤3中的性能指标；

步骤6：对步骤3与步骤5中测试数据进行计算处理，技术方案流程如图1所示，图1中测试-修复-二次测试的过程如图2所示，得出评价指标以评价修复效果，所述评价指标包括相对动态弹性模量，断裂行为，本构行为对比，抗弯刚度回复率和强度回复率，其中断裂行为包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率。

1.相对动态弹性模量P：

动态弹性模量表征的是在动负荷作用下物体应力与应变的比值，对于自修复前后的水泥基材料，相对动态弹性模量可以从侧面反映试件在修复前后的密实度变化，进而表征修复效果。

动态弹性模量E_d的计算方法如下：

在预压前测试其超声波在试件的初始表面波速V_r0，预压并修复之后，测量超声波在试件表面的波速V_r1，对比修复前后动态弹性模量的变化情况。

固体材料的动态弹性模量E_d与其表面波速度V_r之间的关系按(1)式计算：

$E_d=\frac{{2(1+\mathrm{\μ})}^3}{0.87+1.12\mathrm{\μ}}\mathrm{\ρ}{V}_r^2--\left(1\right),$

(1)式中：ρ——固体密度，μ——固体泊松比，对硬化混凝土来讲，μ一般在0.2～0.3之间，对于混凝土材料，μ取0.2代入(1)式，则：

$E_d\frac{2{(1+\mathrm{\μ})}^2}{0.87+1.12\mathrm{\μ}}\mathrm{\ρ}{V}_r^2=3.159\mathrm{\ρ}{V}_r^2--\left(2\right),$

在(1)或(2)式中，取V_r＝V_r0，得B组试件的初始动态弹性模量E_d0；取V_r＝V_r1，得B组试件自修复后的动态弹性模量E_d1，则相对动态弹性模量P按(3)式计算：

$P=\frac{V_r^2}{V_{r0}^2}\×100\%--\left(3\right);$

2.断裂行为K_I和K_IC：

通过弹塑性理论研究构件内部裂纹尖端的应力、应变以及应变能分布，通过断裂力学参数研究裂纹的扩展行为，断裂行为包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率等断裂参数的分析：

2.1应力强度因子回复率η(K_I)：

应力强度因子表征材料在受力作用下裂纹尖端弹性应力场强弱，它和裂纹大小、构件几何尺寸以及外应力有关，可以用来评价脆性材料裂纹的扩展规律。

所述试件在三点抗折加载时，其裂纹顶端应力强度因子回复率η(K_I)按(4)式计算：

$\mathrm{\η}\left(K_I\right)=\frac{K_I\left(1\right)}{K_I\left(0\right)}\×100\%--\left(4\right);$

(4)式中：应力强度因子K_I按(5)式计算：

$K_I=\frac{P_{\mathrm{MAX}}S}{{\mathrm{BW}}^{\frac{3}{2}}}f\left(\frac{a}{W}\right)--\left(5\right);$

(5)式中，为几何形状因子，按(6)式计算：

$f\left(\frac{a}{W}\right)=\frac{3{\left(\frac{a}{W}\right)}^{\frac{1}{2}}\{1.99-\frac{a}{W}(1-\frac{a}{W})[2.15-3.93\frac{a}{W}+2.7{\left(\frac{a}{W}\right)}^2\left]\right\}}{2(1+2\frac{a}{W}){(1-\frac{a}{W})}^{\frac{3}{2}}}--\left(6\right);$

(5)和(6)式中：P_MAX——最大载荷(N)，S——名义跨距(mm)，B——试件厚度(mm)，W——试件宽度(mm)，a——裂纹长度(mm)，括号内为所用的单位，

2.2断裂韧度回复率η(K_IC)

在断裂学中，通常用断裂韧度来表征材料阻止裂纹扩展而导致材料失稳的能力，又称断裂韧性，是衡量材料韧性好坏的指标。对于指定的材料，保持温度和加荷速率一致的情况下，其断裂韧度是一个常数。材料的断裂韧度越大，表示促使裂纹失稳扩展所需的应力愈大，即构件愈难断裂。

所述试件在三点抗折加载时，断裂韧度回复率η(K_IC)按(7)式计算：

$\mathrm{\η}\left(K_{\mathrm{IC}}\right)=\frac{K_{\mathrm{IC}}\left(1\right)}{K_{\mathrm{IC}}\left(0\right)}\×100\%--\left(7\right);$

(7)式中：K_IC(0)——试件初始断裂韧度；K_IC(1)——试件修复后的断裂韧度；

(7)式中，断裂韧度K_IC按(8)式计算：

$K_{\mathrm{IC}}=\frac{M_{\mathrm{MAX}}}{{\mathrm{BH}}^{\frac{3}{2}}}f\left(\frac{a}{H}\right)--\left(8\right),$

(8)式中：M_MAX按(9)式计算：

$M_{\mathrm{MAX}}=\frac{(P_{\mathrm{MAX}}+G)S}{4}--\left(9\right),$

(8)式中，为几何形状因子，计算公式为：

$f\left(\frac{a}{H}\right)=2.9{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{1}{2}}-4.6{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{3}{2}}+2.18{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{5}{2}}-37.6{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{7}{2}}+38.7{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{9}{2}}--\left(10\right),$

(8)～(10)式中：P_MAX——最大载荷(N)，M_MAX——最大跨中弯矩(N·mm)，G——加荷试件重量，B——试件厚度(mm)，H——试件高度(mm)，a——裂纹长度(mm)，括号内为所用的单位。

3.本构行为：

本构行为包括材料的力-位移曲线和应力-应变曲线的分析。

3.1力-位移曲线：

力-位移曲线通过万能伺服液压机实现，对比试件修复前后的力-位移曲线，以分析材料修复前后的最大荷载，最大位移，破坏过程以及破坏特征等，进而评价其修复前后的断裂行为特征变化。

3.2应力-应变曲线：

应力-应变曲线通过万能伺服液压机和应变片实现，对比试件修复前后的应力-应变曲线，以分析材料修复前后的受压变形过程，即水泥基材料内部裂缝的发生和发展过程的变化。

在3.1与3.2的修复前后测试曲线对比分析中，

1)在峰值的30％之内的阶段斜率越大，该测试材料的抵抗变形的能力越大，若经过修复后的材料测试曲线该阶段斜率明显增大，说明其抵抗变形的能力得到较好的改善；

2)由于水泥基材料为脆性材料，很难测试到曲线下降段的延伸，经过修复后，若曲线下降段随位移或应变的增长延伸趋势明显，说明该材料的韧性得到改善，脆性下降；

3)力-位移曲线或者应力-应变曲线与横坐标包围的面积在很大程度上能够表示材料在破坏过程中需要的能量，包围的面积越大，材料破坏需要的能量越大，若经过修复后的曲线与横坐标包围的面积明显增大，则说明材料得到了较好的修复，其使用性能得到明显改善。

4.抗弯刚度回复率η_P：

刚度为材料或构件在弹性范围内，引起单位位移所需要的力，即载荷与位移成正比的比例系数，用以表征材料抵抗变形的能力。对试件完全破坏曲线进行分析，因为混凝土材料在受力至破坏过程中，在初始阶段可认为是弹性变形阶段，范围为受力在最大荷载的30％以内，在此阶段内，力-位移曲线的斜率即为材料的刚度P。

水泥基材料的抗弯刚度回复率按(11)式计算：

${\mathrm{\η}}_P=\frac{P}{P_0}\×100\%--\left(11\right),$ 精确至0.01，

(11)式中：P——预加载并修复后同组水泥浆体试件的抗弯刚度计算值(MPa)，精确至0.1MPa，

P₀——完全破坏时同组水泥浆体试件的抗弯刚度计算值(MPa)，精确至0.1MPa，括号内为所用的单位。

5.力学性能即强度回复率η_f和η_f：

强度是混凝土材料应用中最重要的指标之一，在水泥基材料经过自修复作用之后，评价其修复效果的主要指标就是强度是否回复或增长。本发明使用强度回复率来分析试件修复前后的强度变化情况，包括三点抗折强度回复率和抗压强度回复率。

5.1抗折强度回复率η_f按(12)式计算：

${\mathrm{\η}}_f=\frac{R_f}{R_{f0}}\×100\%--\left(12\right),$ 精确至0.01，

(12)式中：R_f——预加载并修复后同组水泥浆体试件的抗折强度测定值(MPa)，精确至0.1MPa，

R_f0——完全破坏时同组水泥浆体试件的抗折强度测定值(MPa)，精确至0.1MPa，括号内为所用的单位。

R_f和R_f0应以三个试件抗折强度试验结果的算术平均值作为测定值，当三个试件抗折强度最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15％时，应剔除此值，再取其余两值的算术平均值作为测定值；当最大值和最小值均超过中间值的15％时，应取中间值作为测定值。

5.2抗压强度回复率η_c按(13)式计算：

${\mathrm{\η}}_c=\frac{R_c}{R_{c0}}\×100\%--\left(13\right),$ 精确至0.01，

(13)式中：R_c——预压并修复后同组水泥浆体试件的抗压强度测定值(MPa)，精确至0.1MPa，

R_c0——完全破坏时同组水泥浆体试件的抗压强度测定值(MPa)，精确至0.1MPa，括号内为所用的单位。

R_c和R_c0应以三个试件抗压强度试验结果的算术平均值作为测定值。当三个试件抗压强度最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15％时，应剔除此值，再取其余两值的算术平均值作为测定值；当最大值和最小值均超过中间值的15％时，应取中间值作为测定值。

所述的自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：

在步骤6中的c部分在c.1与c.2的修复前后测试曲线对比分析中：

1)若经过修复后的材料测试曲线该阶段斜率增大至原斜率的120％及以上时，则认为该阶段斜率明显增大；

2)若曲线下降段随位移或应变的增长延伸趋势延伸至原先的120％及以上时，则认为增长延伸趋势明显；

3)若经过修复后的曲线与横坐标包围的面积明显增大至原面积的130％及以上时，则认为面积明显增大。

本发明的有益效果如下：

(1)在表征用于水泥基材料自修复效果时，与现有研究相比，本发明的试验条件的控制更加多元化，对自愈合元件配比，养护条件，养护龄期，裂纹形式，预制裂纹区域以及测试方式等方面均做了不同说明；

(2)提出的评价修复效果的方法广泛适用于基于不同原理的各种自愈合评价，与现有评价方法相比，本发明的方法对修复前后水泥基材料的性能回复评价更全面，包括力学性能，断裂性能，损伤情况以及渗透性能等；

(3)系统地提出了评价自修复效果的方法：

a)对于自修复材料，当处于材料内部裂纹区完成自愈合过程后，会改变裂缝区的应力分布，表现为断裂曲线和断裂参数的改变。所以，运用断裂力学知识对水泥基材料自修复性能进行评价不失为一种可靠的方法；

b)刚度表征材料抵抗变形的能力。通过对修复前后试件刚度的计算分析，可以得到其抗变形能力的变化，也间接反映了试件内部的微裂纹和微孔数目，在一定程度上体现了试件的密实度的变化；

c)动态弹性模量表征的是在动负荷作用下物体应力与应变的比值。在混凝土工程运用中，常用动态弹性模量来测定混凝土材料内部的损伤情况，进而评定材料的抗冻性、抗腐蚀性等相关耐久性指标。对于自修复前后的水泥基材料，动态弹性模量可以从侧面反映试件在修复前后的密实度变化，进而表征修复效果。

附图说明

图1是本发明中的技术方案流程图；

图2是图1中测试-修复-二次测试的流程图；

图3是实施例1和2实施时的试验装置示意图；

图4是实施例2中不同微胶囊掺量预加载30％与修复后的刚度值与刚度增长率的函数图像；

图5是实施例1中不同微胶囊掺量时不同预加载修复后应力强度因子的变化情况的函数图像；

图6是实施例1和2中预加载30％时不同微胶囊掺量下试件修复前后抗折强度回复率的函数图像；

图7是实施例4中预压30％和60％修复前后的相对动态弹性模量对比的函数图像。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1和2

实施例1和2都采用微胶囊自修复水泥基材料。

首先制备具有自修复性能的微胶囊。微胶囊颗粒质量与微胶囊成品(即微胶囊乳液体系)总质量之比为微胶囊的固含量。实施例1和2中微胶囊的固含量都为40％。原材料配比如表1所示：

表1：

原材料	质量份数
		环氧树脂	14
苯乙烯	1.5
		苯甲醇	2
十二烷基笨磺酸钠	1.25
		辛基苯基聚氧化乙烯	1.25
过氧化苯甲酰	0.3
		二乙烯基笨	0.08

过硫酸钾	0.3
		去离子水	22

制备过程如下：

(1)按配比称取各组分物质；

(2)将以苯甲醇为稀释剂稀释后环氧树脂加入到瓶斗类容器中，搅拌稀释；

(3)十二烷基笨磺酸钠作为乳化剂，辛基苯基聚氧化乙烯作为表面活性剂，将两者与去离子水混合，搅拌分散8分钟后，加入到反应装置中，与环氧树脂混合，搅拌乳化10分钟；

(4)将作为催化剂的过氧化苯甲酰和二乙烯基笨的混合液与苯乙烯混合搅拌，滴加到反应装置中。封闭反应装置，抽去装置中的空气，通入氩气。保持氩气气氛下，升温至70℃，搅拌速度400rmp，连续反应5hour；

(5)向反应装置中滴加质量浓度为1％的过硫酸钾溶液，继续反应3hour。

随后，在实施例1和2中都采用40mm×40mm×160mm水泥净浆试块，来测试微胶囊的自修复后水泥基试件的力学性能，断裂性能，本构行为等方面的恢复情况。

本实施例所用试样的水胶比固定为0.3，微胶囊掺量为0％，1％和2％。

实施例1和2所用的原材料中，微胶囊为本实施例中制备的微胶囊乳液，固含量为40％；水泥采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥；固化剂采用水性环氧固化剂，掺量为微胶囊固含量的1.3倍。试验用材料配比如表2所示：

表2：

微胶囊掺量(％)	水泥(g)	水(g)	微胶囊(g)	固化剂(g)
					0	600	180	0	0
1	600	171	15	7.8
					2	600	162	30	15.6

实施例1和2采用的原材料配比相一致，成型后，实施例1放入混凝土标准养护室养护28day，实施例2放入氢氧化钙水溶液养护28day。

实施例1和2的试验方法一致，具体步骤如下：

(1)按照本发明所述样品制备方案制备试样，每个试验组制备9个试件，其中3个试件用来测试基准强度，另外6个试件用来设置不同程度的预破坏；

(2)试件到达龄期后，在侧面切割长度40mm，宽度为0.5mm，深度为10mm的裂缝；

(3)对每个试验组的3个试件进行三点抗折试验，测量不同掺量不同养护条件下试样的抗折强度，最终数据取三个测试数据的平均值；

(4)按照技术方案即前述发明内容部分所提供的方法对每个试验组的另6个试件进行不同程度的预破坏，其中3个预压程度为30％，另外3个预压程度为60％。于室内静置1day后再次加载至试件完全破坏，测量其各方面的试验数据。

(5)将折断的试件进行抗压测试，测试不同条件下试样的抗压强度，最终数据取三个测试数据的平均值；

(6)另取每个试验组的6个折断的试件进行不同程度的预压，其中3个预压程度为30％，另外3个预压程度为60％，于室内静置1day后再次加载至试件完全破坏，测量其修复后的抗压强度；

(7)按照技术方案所提供的方法对测试数据进行处理计算，评价其修复效率。

三点抗折试验装置示意图见图3。

测试结果如表3和表4所示：

表3：实施例1和2三点抗折测试结果：

表4：实施例1和2抗压测试结果：

通过实施例1和2的试验，对试验结果进行对比分析，可得到如下初步结论：

(1)在预制局部裂纹试验中，预破坏并进行修复后，试件使用性能都有不同程度的改善，说明在微胶囊对水泥基材料具有良好的修复效果；

(2)在强度回复方面，预制局部裂纹和分散裂纹的结果中，试件的抗折强度和抗压强度回复率均随着预压程度的提高而提高。微胶囊掺量为1％时试件的抗压强度和抗折强度的回复率均大于掺量为2％时的试件，此外，实施例1中的微胶囊修复效率大于实施例2中试件的修复效率。

部分试验结果见图4。

特别说明：图6表示的是预加载30％时不同微胶囊掺量下试件修复前后抗折强度回复率的情况，图中显示微胶囊掺量为1％时材料的抗折强度回复率要好于掺量为2％时的抗折强度回复率，可能的原因是：掺入的微胶囊为乳液体系，含有大量的乳化剂，其表面活性组分会造成硬化水泥浆体孔隙率大大增加，试件密实度较差，微胶囊的修复作用在质量较差的体系中难以体现。

实施例3和4

实施例3和4都采用矿物自修复水泥基材料。

实施例3和4都采用40mm×40mm×160mm混凝土试块，来表征矿物自修复后材料内部损伤程度的变化情况。

首先制备具有矿物自修复性能的混凝土材料。实施例3和4中，胶凝材料采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥；细集料为河砂，细度模数为2.2；粗集料5mm～25mm连续级配；膨胀剂采用UEA膨胀剂；减水剂采用聚羧酸减水剂。原材料配比如表5所示：

表5：

试件成型后，实施例3放入混凝土标准养护室养护28day，实施例4放入氢氧化钙水溶液养护28day。

实施例3和4的试验方法一致，具体步骤如下：

(1)按照本发明所述样品制备方案制备试样；

(2)试件到达龄期后，测试计算不同材料配比不同养护条件下试样的初始动态弹性模量；

(3)对实施例3与实施例4试件预制30％与60％的裂纹，于室内静置1day后再次测试计算其动态弹性模量。

部分试验结果见图7。

与第1、2、3组试件相比，第4组试件在配合比中加入了膨胀剂、硫铝酸盐水泥和化学剂的组合，使其具备完成矿自修复的前提。具有矿物自修复作用的试件在预破坏并自愈合后，其相对动态弹性模量有很大程度的增加，此外，标准养护的试件修复效果好于水养的试件。说明在矿物自修复作用下，试件内部结构的密实度大大增加，内部缺陷减少。

相对动态弹性模量的变化反映了试件内部损伤情况的变化。在预压后，试件内部出现裂纹，矿物的结晶沉淀作用对其进行修复使之愈合，裂纹数量和面积减少，内部的结构密实度增加，所以相对动态弹性模量上升。

Claims (3)

1.一种自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：

所述的自修复效果评价方法中所用的评价指标包括相对动态弹性模量、断裂行为、本构行为对比和抗弯刚度回复率和强度回复率，

按如下步骤依次实施：

步骤1：制备具有修复作用的水泥基材料的试件，所述试件分为A、B两个试验组，A组试件用于表征材料的断裂行为、本构行为和力学行为，B组试件用于表征材料内部损伤情况的变化，所述试件的基材包括水泥净浆、水泥砂浆和混凝土材料；

步骤2：所述试件到达28day的龄期后，对A组试件预制局部裂纹，所述局部裂纹通过切割或预置薄片的途径实现；对B组试件预制分散裂纹，所述分散裂纹通过预加载实现，预加载的方式包括预折和预压，预折通过万能伺服液压机实现，预压通过砂浆压力机实现；

步骤3：测试A组试件的断裂参数、本构行为、抗弯刚度、抗折强度和抗压强度这5个性能指标，测试B组试件超声波在材料表面的初始传递波速V_r0；

步骤4：将A、B组试件都置于混凝土标准养护条件即温度20±2℃、相对湿度95％的环境下，养护1day或3day完成自修复；

步骤5：对修复后的A、B组试件重复测试步骤3中的性能指标；即测试A组试件在自修复后的断裂参数、本构行为、抗弯刚度、抗折强度和抗压强度这5个性能指标，测试B组试件在自修复后的超声波在材料表面的传递波速V_r1；

步骤6：对步骤3与步骤5获得的测试数据进行计算处理，得出评价指标以评价修复效果，所述评价指标包括相对动态弹性模量，断裂行为，本构行为对比，抗弯刚度回复率和强度回复率，其中断裂行为包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率；

a.动态弹性模量E_d按(1)式计算：

$E_d=\frac{{2(1+\mathrm{\μ})}^3}{0.87+1.12\mathrm{\μ}}\mathrm{\ρ}{V}_r^2--\left(1\right),$

(1)式中：ρ——固体密度，μ——固体泊松比；

在(1)式中，取V_r＝V_r0，得B组试件的初始动态弹性模量E_d0；取V_r＝V_r1，得B组试件自修复后的动态弹性模量E_d1，则相对动态弹性模量P按(2)式计算：

$P=\frac{V_{r1}^2}{V_{r0}^2}\×100\%--\left(2\right);$

b.断裂行为包括应力强度因子回复率和断裂韧度回复率：

b.1应力强度因子回复率η(K_I)按(3)式计算：

$\mathrm{\η}\left(K_I\right)=\frac{K_I\left(1\right)}{K_I\left(0\right)}\×100\%--\left(3\right);$

(3)式中：K_I(0)——试件初始应力强度因子；K_I(1)——试件修复后的应力强度因子；

(3)式中，应力强度因子K_I按(4)式计算：

$K_I=\frac{P_{\mathrm{MAX}}S}{{\mathrm{BW}}^{\frac{3}{2}}}f\left(\frac{a}{W}\right)--\left(4\right);$

(4)式中，为几何形状因子，按(5)式计算：

$f\left(\frac{a}{W}\right)=\frac{3{\left(\frac{a}{W}\right)}^{\frac{1}{2}}\{1.99-\frac{a}{W}(1-\frac{a}{W})[2.15-3.93\frac{a}{W}+2.7{\left(\frac{a}{W}\right)}^2\left]\right\}}{2(1+2\frac{a}{W}){(1-\frac{a}{W})}^{\frac{3}{2}}}--\left(5\right);$

(4)和(5)式中：P_MAX——最大载荷(N)，S——名义跨距(mm)，B——试件厚度(mm)，W——试件宽度(mm)，a——裂纹长度(mm)，括号内为所用的单位；

b.2断裂韧度回复率η(K_IC)按(6)式计算：

$\mathrm{\η}\left(K_{\mathrm{IC}}\right)=\frac{K_{\mathrm{IC}}\left(1\right)}{K_{\mathrm{IC}}\left(0\right)}\×100\%--\left(6\right);$

(6)式中：K_IC(0)——试件初始断裂韧度；K_IC(1)——试件修复后的断裂韧度；

(6)式中，断裂韧度K_IC按(7)式计算：

$K_{\mathrm{IC}}=\frac{M_{\mathrm{MAX}}}{{\mathrm{BH}}^{\frac{3}{2}}}f\left(\frac{a}{H}\right)--\left(7\right);$

(7)式中：M_MAX按(8)式计算：

$M_{\mathrm{MAX}}=\frac{(P_{\mathrm{MAX}}+G)S}{4}--\left(8\right);$

(7)式中，为几何形状因子，按(9)式计算：

$f\left(\frac{a}{H}\right)=2.9{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{1}{2}}-4.6{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{3}{2}}+2.18{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{5}{2}}-37.6{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{7}{2}}+38.7{\left(\frac{a}{H}\right)}^{\frac{9}{2}}--\left(9\right);$

(7)～(9)式中：P_MAX——最大载荷(N)，M_MAX——最大跨中弯矩(N·mm)，G——加荷试件重量，B——试件厚度(mm)，H——试件高度(mm)，a——裂纹长度(mm)，括号内为所用的单位；

c.本构行为包括材料的力-位移曲线和应力-应变曲线：

c.1力-位移曲线通过万能伺服液压机实现，对比A组试件在自修复前后的力-位移曲线，以分析A组试件在自修复前后的最大荷载增长率η(P_MAX)，最大位移增长率η(D_MAX)，破坏过程以及破坏特征；

最大荷载增长率η(P_MAX)按(10)式计算：

$\mathrm{\η}\left(P_{\mathrm{MAX}}\right)=\frac{P_{\mathrm{MAX}}\left(1\right)}{P_{\mathrm{MAX}}\left(0\right)}\×100\%--\left(10\right);$

式(10)中：P_MAX(0)——试件初始加载的最大荷载；P_MAX(1)——试件修复后第二次加载的最大荷载；

最大位移增长率η(D_MAX)按(11)式计算：

$\mathrm{\η}\left(D_{\mathrm{MAX}}\right)=\frac{D_{\mathrm{MAX}}\left(1\right)}{D_{\mathrm{MAX}}\left(0\right)}\×100\%--\left(11\right);$

式(11)中：D_MAX(0)——试件初始加载的最大位移；D_MAX(1)——试件修复后第二次加载的最大位移；

c.2应力-应变曲线通过万能伺服液压机和应变片实现，对比A组试件在自修复前后的应力-应变曲线，以分析材料修复前后的受压变形过程，即水泥基材料内部裂缝的发生和发展过程的变化；

在c.1与c.2的修复前后测试曲线对比分析中，

1)在峰值的30％之内的阶段斜率越大，该测试材料的抵抗变形的能力越大，若经过修复后的材料测试曲线该阶段斜率明显增大，说明其抵抗变形的能力得到较好的改善；

2)由于水泥基材料为脆性材料，很难测试到曲线下降段的延伸，经过修复后，若曲线下降段随位移或应变的增长延伸趋势明显，说明该材料的韧性得到改善，脆性下降；

3)力-位移曲线或者应力-应变曲线与横坐标包围的面积在很大程度上能够表示材料在破坏过程中需要的能量，包围的面积越大，材料破坏需要的能量越大，若经过修复后的曲线与横坐标包围的面积明显增大，则说明材料得到了较好的修复，其使用性能得到明显改善。

d.抗弯刚度回复率η_P按(9)式计算：

${\mathrm{\η}}_P=\frac{P}{P_0}\×100\%--\left(12\right),$

(12)式中：P——预加载并修复后同组水泥浆体试件的抗弯刚度计算值，

P₀——完全破坏时同组水泥浆体试件的抗弯刚度计算值；

e.强度回复率包括抗折强度回复率和抗压强度回复率：

e.1抗折强度回复率η_f按(13)式计算：

${\mathrm{\η}}_f=\frac{R_f}{R_{f0}}\×100\%--\left(13\right),$

(13)式中：R_f——预加载并修复后同组水泥浆体试件的抗折强度测定值，

R_f0——完全破坏时同组水泥浆体试件的抗折强度测定值；

e.2抗压强度回复率η_c按(14)式计算：

${\mathrm{\η}}_c=\frac{R_c}{R_{c0}}\×100\%--\left(14\right),$

(14)式中：R_c——预压并修复后同组水泥浆体试件的抗压强度测定值，

R_c0——完全破坏时同组水泥浆体试件的抗压强度测定值(MPa)。

2.如权利要求1所述的自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：

步骤1时，制备的试件为长×宽×高为40mm×40mm×160mm的棱柱，每个试验组中试件的数量不少于9个，每个试验组中的测试基准强度的试件数量不少于3个，其余试件用来设置不同程度的预破坏；

步骤6时，

a步骤按(1)式计算计算动态弹性模量E_d时，μ取0.2，则：

$E_d=\frac{2{(1+\mathrm{\μ})}^3}{0.87+1.12\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρV}}_r^2=3.159\mathrm{\ρ}{V}_r^2--\left(15\right);$

e步骤按(13)式计算抗折强度回复率η_f时，R_f和R_f0以三个试件抗折强度试验结果的算术平均值作为测定值，当三个试件抗折强度最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15％时，剔除此值，再取其余两值的算术平均值作为测定值；当最大值和最小值均超过中间值的15％时，取中间值作为测定值；

e步骤按(14)式计算抗压强度回复率η_c时，R_c和R_c0以三个试件抗压强度试验结果的算术平均值作为测定值，当三个试件抗压强度最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15％时，剔除此值，再取其余两值的算术平均值作为测定值；当最大值和最小值均超过中间值的15％时，取中间值作为测定值。

3.如权利要求1或2所述的自修复水泥基材料的自修复效果评价方法，其特征是：

在步骤6中的c部分在c.1与c.2的修复前后测试曲线对比分析中：

1)若经过修复后的材料测试曲线该阶段斜率增大至原斜率的120％及以上时，则认为该阶段斜率明显增大；

2)若曲线下降段随位移或应变的增长延伸趋势延伸至原先的120％及以上时，则认为增长延伸趋势明显；

3)若经过修复后的曲线与横坐标包围的面积明显增大至原面积的130％及以上时，则认为面积明显增大。