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混凝土材料作为基础设施建设中最重要的建筑原料，其在服役期间的开裂问题备受关注。结构中的微裂缝若得不到及时修复，便会为外界腐蚀性物质提供快速通道，加速钢筋锈蚀，导致结构破坏。微胶囊水泥基自修复材料能够及时感应并快速修复结构中的损伤，将裂缝引起的潜在危害遏止在初始阶段，对于改善混凝土耐久性、提高结构安全性及延长使用寿命有重要意义。
本文通过优选囊芯、囊壁材料，设计胶囊结构，开展室内造粒成膜实验，研制出新型结构自修复微胶囊;基于制备的胶囊，表征了自身形貌、防水性和硬度等综合性能，并将其颗粒掺入水泥砂浆，探索研究了胶囊对材料基体力学性能和耐久性能的影响;结合裂缝宽度、透水系数和抗压强度恢复率三项指标，评估了胶囊粒径、掺量、内囊壁硬化时间和外囊壁厚度对基体自修复效果的影响，确定了最佳胶囊配置参数;借助扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)和X射线断层扫描(X-CT)检测技术，探明了修复物质的微观形貌及化学组成，揭示了基体内部的修复机理，实现了对自修复过程可视化、无损化的追踪。研究取得的主要结论包括:
(1)自修复胶囊的囊芯配方选用DM3，成分为氧化镁膨胀剂、硅酸盐水泥和硅灰;内囊壁材料选择快硬性水泥;外囊壁材料选取国产二号聚乙烯醇(GC2-P)，包衣时溶液的质量分数为5％。
(2)两种囊壁类型的胶囊均呈光滑的圆球状，颗粒具备一定的硬度及较好的防水性，相同实验条件下，单层囊壁结构胶囊的吸水率更低，硬度更大，但其囊芯成分容易提前与外界水反应失效，因此复合结构胶囊的总体性能更优。复合结构胶囊的硬度值和吸水率均随颗粒粒径的增大而升高，粒径范围为0.5-4mm、掺量在10％-20％之间的胶囊掺入基体后能够保持形状完整，分布均匀并及时开裂。
(3)胶囊掺入有利于提高水泥基材料的抗渗性和抗冻性，但对抗碳化性和抗氯离子侵蚀性不利。掺胶囊试件的抗压、抗折强度比未掺胶囊的略有降低，但下降幅度在工程允许范围之内。考虑将不利影响降到最低，胶囊粒径宜在1.6-4.0mm之间，掺量在10％左右。
(4)随修复龄期增加，微裂缝愈合程度增高，相对透水系数先迅速降低后缓慢升高，抗压强度恢复率整体上升。水泥基体的初始裂缝宽度越小、裂缝周围修复剂越多、修复物质释放越快，试件的修复程度就越高、相对透水系数越小、抗压强度恢复率越高。
(5)结合胶囊对基体自身性能的影响以及四种因素对材料修复效果的影响，确定用于自修复材料的复合结构胶囊最佳参数是内囊壁硬化1h，外囊壁厚度0.15mm左右，胶囊直径2.36-3.2mm，掺量为砂质量的10％。
(6)综合理论分析、微观形貌-元素分析及物相成分分析的结果，三者对修复物质成分的判定是基本一致和准确的，复合结构胶囊发挥自修复作用后形成的产物主要是碳酸钙、C-S-H凝胶、钙矾石和钙长石。
(7)X-CT结果显示，试件修复28d时，基体内的胶囊含量由10.3％减少为5.02％，裂缝体积由原来的1.61％下降为1.09％，胶囊内的修复剂有效填补微裂缝，裂缝修复率达到32.3％，修复效果显著。
本文通过优选囊芯、囊壁材料，设计胶囊结构，开展室内造粒成膜实验，研制出新型结构自修复微胶囊;基于制备的胶囊，表征了自身形貌、防水性和硬度等综合性能，并将其颗粒掺入水泥砂浆，探索研究了胶囊对材料基体力学性能和耐久性能的影响;结合裂缝宽度、透水系数和抗压强度恢复率三项指标，评估了胶囊粒径、掺量、内囊壁硬化时间和外囊壁厚度对基体自修复效果的影响，确定了最佳胶囊配置参数;借助扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)和X射线断层扫描(X-CT)检测技术，探明了修复物质的微观形貌及化学组成，揭示了基体内部的修复机理，实现了对自修复过程可视化、无损化的追踪。研究取得的主要结论包括:
(1)自修复胶囊的囊芯配方选用DM3，成分为氧化镁膨胀剂、硅酸盐水泥和硅灰;内囊壁材料选择快硬性水泥;外囊壁材料选取国产二号聚乙烯醇(GC2-P)，包衣时溶液的质量分数为5％。
(2)两种囊壁类型的胶囊均呈光滑的圆球状，颗粒具备一定的硬度及较好的防水性，相同实验条件下，单层囊壁结构胶囊的吸水率更低，硬度更大，但其囊芯成分容易提前与外界水反应失效，因此复合结构胶囊的总体性能更优。复合结构胶囊的硬度值和吸水率均随颗粒粒径的增大而升高，粒径范围为0.5-4mm、掺量在10％-20％之间的胶囊掺入基体后能够保持形状完整，分布均匀并及时开裂。
(3)胶囊掺入有利于提高水泥基材料的抗渗性和抗冻性，但对抗碳化性和抗氯离子侵蚀性不利。掺胶囊试件的抗压、抗折强度比未掺胶囊的略有降低，但下降幅度在工程允许范围之内。考虑将不利影响降到最低，胶囊粒径宜在1.6-4.0mm之间，掺量在10％左右。
(4)随修复龄期增加，微裂缝愈合程度增高，相对透水系数先迅速降低后缓慢升高，抗压强度恢复率整体上升。水泥基体的初始裂缝宽度越小、裂缝周围修复剂越多、修复物质释放越快，试件的修复程度就越高、相对透水系数越小、抗压强度恢复率越高。
(5)结合胶囊对基体自身性能的影响以及四种因素对材料修复效果的影响，确定用于自修复材料的复合结构胶囊最佳参数是内囊壁硬化1h，外囊壁厚度0.15mm左右，胶囊直径2.36-3.2mm，掺量为砂质量的10％。
(6)综合理论分析、微观形貌-元素分析及物相成分分析的结果，三者对修复物质成分的判定是基本一致和准确的，复合结构胶囊发挥自修复作用后形成的产物主要是碳酸钙、C-S-H凝胶、钙矾石和钙长石。
(7)X-CT结果显示，试件修复28d时，基体内的胶囊含量由10.3％减少为5.02％，裂缝体积由原来的1.61％下降为1.09％，胶囊内的修复剂有效填补微裂缝，裂缝修复率达到32.3％，修复效果显著。