環保韌性水泥基復合材料損傷自愈合試驗*

鮑文博， 付云鵬， 王東旭

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

隨著現代材料科學的不斷進步，作為最主要建筑材料之一的水泥基材料已經逐漸向高強、高性能、多功能和智能化的方向發展，但水泥基材料的開裂仍是建筑工程界不可避免并嚴重影響到建筑物質量的關鍵問題之一[1].因荷載、高溫下的體積變化、徐變、收縮以及凍融等因素導致的裂縫不僅影響了材料的力學性能，還為水分和氯離子等有害介質的侵入提供了便捷通道，加速了材料的破壞以及鋼筋的銹蝕，導致其耐久性劣化.眾所周知，所有的鋼筋混凝土構件都不可避免地會產生裂縫，傳統混凝土結構毫米級以上的裂縫不僅對耐久性的影響較大，而且對于裂縫的自愈合也較難實現.因此，尋求一種既能最大程度降低裂縫寬度，又無需外界干擾的新型水泥基材料變得尤為迫切，這已成為混凝土耐久性研究中急需解決的重要課題.

裂縫自愈合是指在無外界作用的情況下，材料本身具有自我恢復、裂縫有愈合的能力.裂縫自愈合可以減小裂縫的寬度，從而使材料的耐久性及力學性能得以提高，這對于提高結構的安全性以及延長建筑工程的使用壽命至關重要.

水泥基復合材料自愈合的實質是損傷部位未水化或水化不充分的膠凝材料發生進一步水化反應，生成新的水化產物彌合裂縫的過程[2].通過對產物的化學分析，得出裂縫中的主要產物是水化硅酸鈣凝膠以及碳酸鈣晶體[3-4].水泥基材料的自愈合取決于材料的組成成分、損傷齡期、養護環境和自愈合養護齡期等[5-6].然而，對于摻入了尾礦砂的環境韌性水泥基復合材料自愈合試驗卻尚未有研究.

本文使用的環保延性水泥基材料(environmental toughness cementitious composities，ETCC)是借鑒ECC技術，以尾礦砂替代天然細骨料開發的一種PVA纖維增強尾礦砂水泥基復合材料，具有裂縫開裂受控的特點.尾礦砂不僅能夠滿足水泥基復合材料的工作性能，使得水泥基復合材料具有良好的韌性，而且使用大比例尾礦砂來替代細骨料可以有效減少天然砂的消耗、促進尾礦砂的廢舊利用，對節約資源和改善環境，促進礦業資源的可持續發展，具有積極重要的意義.本文通過對ETCC試件進行彎曲試驗，使試件產生裂縫，從損傷齡期、自愈合齡期和養護環境入手，對ETCC自愈合前后的損傷進行分析研究.

目前，對于水泥基材料自愈合的研究方法有很多，最常見的有從強度[7-8]、外觀、抗滲和產物分析等方面進行研究分析.本文使用共振頻率檢測技術對ETCC試件進行測試，因為共振頻率檢測技術具有快速、簡單、對被測物無損等優點，RF測試技術被眾多學者應用于裂縫自愈合的表征之中[9-10].材料損傷后，材料的基本物理性質和材料的性能參數會發生變化，而共振頻率與材料的內部結構密切相關，因此，使用共振頻率可以對材料的內部損傷進行研究.

1 試 驗

1.1 材料和配合比

本文采用大比例固體廢棄物制備ETCC，尾礦砂替代天然砂比率達到50%，粉煤灰摻量達到55%.考慮水膠比的影響，共設計2組試驗，水膠比分別為0.45和0.50，相應試驗組的編號依次為ETCC-0.45和ETCC-0.5，PVA纖維的體積摻量為2%，ETCC其余組分的具體配合比如表1所示.

表1 環保韌性水泥基材料配合比Tab.1 Mix proportion of ETCC

試驗采用標號為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料采用粒徑為0.15～0.315 mm范圍鐵礦尾礦砂和天然砂混合細骨料，纖維采用長度為12 mm的PVA纖維，粉煤灰采用電廠一級粉煤灰.PVA纖維的性能指標如表2所示.

表2 PVA纖維的性能Tab.2 Performance of PVA fiber

1.2 試件制備

先將水泥、粉煤灰、砂子和增稠劑干拌2 min，然后加水和減水劑濕拌4 min，攪拌均勻后，再加入纖維攪拌2.5 min，人工將沉入缸底的細骨料攪起后，繼續自動攪拌1.5 min.攪拌完成后，將攪拌均勻的拌合物裝入尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體試模成型，振搗密實后置于標準試驗室空氣中養護.養護過程中，試件上面覆蓋一層塑料薄膜，以防止水分蒸發.養護24 h后，拆模，將試件浸沒于水中養護，養護至相應的齡期，以備試驗之用.

1.3 試驗方法

1.3.1 試件預損傷

根據試驗設計的損傷齡期，在達到相應的齡期時，對試件進行四點彎曲試驗壓至破壞，確定該組試件的破壞強度，然后將準備預裂的試件用相同的壓力試驗機、加載方式和加載速度，按照破壞強度的75%荷載對ETCC試件進行加載，使其出現損傷，測試試件損傷前后的共振頻率.

1.3.2 自愈合試驗

基于預制損傷試件，將損傷試件進行自愈合養護，并采用損傷恢復率法對ETCC的損傷齡期、自愈合齡期和養護環境的影響規律進行評價.研究采用四點彎曲試驗，在進行四點彎曲試驗之前，先將置于水中養護的試件取出放于實驗室通風良好處5 h，使其含水率基本一致.圖1為使用50 t壓力試驗機進行四點彎曲試驗.根據《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13：2009)規范要求采用位移控制，加載速度為0.5 mm/min.

圖1 四點彎曲試驗Fig.1 Four-point bending test

1.4 試驗過程

對ETCC試件進行預加載后，試件內部必然會有不同程度的損傷，通過自愈合養護后其損傷會有不同程度的恢復，損傷的恢復程度是材料自愈合特性的重要表征.選用共振頻率測試技術對試件進行無損測試，因為試驗具有操作簡單、方便、檢測結果可靠等優點，所以本試驗使用其對試件進行材料損傷測試，使用損傷恢復率對環保延性水泥基復合材料ETCC的損傷恢復特性進行評估，討論損傷齡期、自愈合齡期和養護環境對ETCC損傷恢復的影響，得出ETCC損傷恢復的變化規律，利用DT-1型動彈模量測定儀對試件進行共振頻率測試.

1.5 損傷評價方法

1.5.1 損傷因子建立

為了研究ETCC試件自愈合后損傷的恢復程度，將試件的損傷分成兩部分進行計算：一部分為試件受損傷時的損傷變量，對試件受損前后進行測試，計算損傷變量；另一部分為自愈合后的損傷變量，在一定的條件下進行養護，養護至設定的齡期之后，對試件再次進行測試，結合對比組試件，計算試件的損傷變量.損傷變量的大小可以直接表達出材料受損傷的程度，通過對比損傷變量的變化，可間接反映出材料自愈合的效果.

使用共振頻率進行試驗，定義損傷之后的損傷變量為D1，自愈合后的損傷變量為D2，其表達式分別為D1=1-RFd/RF0，D2=1-RFh/RFc.式中：RFd為試件受損傷后的共振頻率；RF0為試件在無損傷時的共振頻率；RFh為受損傷的試件在相應的環境下，養護相應的齡期之后，其自愈合后的共振頻率；RFc為同齡期無裂縫對比試件的共振頻率.因為損傷后的共振頻率RFd小于完好無損的試件的共振頻率RF0，所以D1>0；經過自愈合后，可能出現個別損傷試件RFh大于RFc，在此情況下計算可得D2<0，在此約定D2=0，視損傷為全部恢復.

1.5.2 損傷評價表達式

2 結果與討論

2.1 預裂齡期

預裂齡期是指對試件進行預裂損傷時所具有的齡期.試驗設計了3個預裂齡期，分別在試件齡期達到7、14、28 d時對試件共振頻率進行測試，然后對試件進行彎曲試驗，預裂損傷后再次測試試件的共振頻率，將試件置入實驗室室溫下，浸沒于水中，養護28 d后對試件進行共振頻率測試，通過與空白試件進行對比，得出損傷齡期對損傷恢復效果的影響，結果如圖2所示.

圖2 損傷齡期對不同水膠比試件損傷恢復率影響Fig.2 Effect of damage age on damage recovery rate of specimens with different water-binder ratios

損傷齡期下，損傷恢復率隨著損傷齡期的增大而減小，而且損傷恢復率的降低程度隨著損傷齡期的增加而增大，兩種水膠比試件的損傷恢復率在7 d損傷齡期時，達到了97%和90%，在14 d損傷齡期時，兩種水膠比試件的損傷恢復率比7 d時降低了約2%和4%，但是在28 d損傷齡期時，損傷恢復率比14 d時分別降低了約14%和5%.由此得出，ETCC材料在損傷齡期越早發生，其自愈合效果越好，自愈合效果隨著損傷齡期的延長而逐漸減低.

產生此結果主要與基體中水泥基未水化膠凝顆粒的體積分數緊密相關.早齡期受損的ETCC試件，在其內部還存在著大量未水化的膠凝顆粒.在水中養護下，未水化的膠凝顆粒會繼續與水發生反應，生成水化產物彌合裂縫.

2.2 自愈合齡期

自愈合齡期是指在特定條件下，對損傷試件所實施的自愈合養護持續時間.試驗采用共振頻率對試件進行測試，ETCC試件在14 d齡期時受損傷，然后將受損傷的試件浸沒于水中進行養護.對試件損傷前后的共振頻率進行測量.設計的自愈合齡期為28、60、90 d.經過自愈合后，對試件再一次進行共振頻率測量.通過與同齡期空白試件進行對比，得出自愈合齡期對損傷恢復的影響，結果如圖3所示.

圖3 自愈合齡期對不同水膠比試件損傷恢復率影響Fig.3 Effect of self-healing age on damage recovery rate of specimens with different water-binder ratios

養護齡期下，損傷恢復率隨著自愈合養護齡期的增加而增大，其中兩種水膠比試件的損傷恢復率增長主要發生在60 d之前，當達到90 d齡期時，損傷恢復率接近100%.當養護60 d自愈合齡期時，兩種水膠比試件的損傷恢復率比28 d時分別增大了14%和48%.等到自愈合齡期達到90 d之后，損傷恢復率與60 d相比，增長不明顯，分別增長了2%和3%.由此可見，自愈合的效果隨著自愈合齡期的增加而增大，自愈合的恢復主要發生在60 d自愈合齡期之前.

產生此結果的原因是隨著自愈合養護齡期的延長，ETCC試件內未水化的膠凝材料可以與水更加充分地發生水化反應.因而養護齡期越長，裂縫處生成的水化產物越多，所以自愈合效果也就越好，但是隨著齡期的不斷增大，ETCC試件中可以與水發生反應的未水化膠凝顆粒逐漸減少，因而過了一定的齡期之后，自愈合效果比前一自愈合齡期的效果提升不明顯.

2.3 養護環境

將預裂齡期28 d的試件，采用以下3種不同自愈合養護模式進行養護：1)干濕循環養護.將預裂后的試件置于實驗室室溫下，在水中浸泡24 h，然后取出置于實驗室室溫下，在空氣中養護24 h，如此反復，直至自愈合齡期.2)干燥空氣中養護.將預裂后的試件一直置于實驗室室溫下，在空氣中養護.3)水中養護.將預裂后的試件置于實驗室室溫下，浸沒于水中養護.

所有損傷試件進行90 d的自愈合養護，達到齡期后，對試件進行共振頻率測試，并與同條件無損傷試件進行對比，得出養護環境對損傷恢復率的影響，結果如圖4所示.

圖4 養護條件對不同水膠比試件損傷恢復率影響Fig.4 Effect of curing conditions on damage recovery rate of specimens with different water-binder ratios

由圖4可知，在3種不同養護環境下，水中養護環境下的損傷恢復率最大，干濕循環環境下的損傷恢復率次之，干燥空氣中養護的損傷恢復率最小.由此推斷出，自愈合的實現與水有關.經過3種不同環境下的養護，水中養護環境下，ETCC試件的自愈合效果最好，經過在水中的90 d養護之后，可以完全愈合；而在干濕循環環境下，其自愈合效果比水中養護下略低一點，但還是有很好的恢復；在干燥空氣中養護下，自愈合效果相對而言非常不明顯，自愈合幾乎不發生.

由試驗結果做出如下假定：膠凝材料水化反應需要水分的參與，水分越充足，損傷恢復率越大，自愈合的效果越明顯.干濕循環養護環境下，由于與水和空氣接觸，所以自愈合的效果沒有水中養護下的效果好.而暴露于空氣中，由于不能很好地與水分接觸，因此自愈合效果比較差.

3 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 損傷恢復率隨著損傷齡期的增大而減小，損傷齡期越大，損傷恢復率越低.損傷齡期越晚，損傷恢復率降低得越多.損傷齡期為7 d時，損傷恢復率接近95%；14 d時，損傷恢復率可以達到90%；28 d時，損傷恢復率為80%.

2) 損傷恢復率隨著自愈合齡期的增加而增大.自愈合齡期越長，損傷恢復率提高的程度越低.當自愈合齡期為28 d時，損傷恢復率為82%；當自愈合齡期為60 d時，損傷恢復率為98%；當自愈合齡期為90 d時，損傷恢復率接近100%.

3) 損傷恢復率與所處的養護環境緊密相關.在不同的養護機制下，自愈合的程度有所不同，而且主要取決于水分的充分程度.養護環境的水分越充足，損傷恢復率越高；水分越少，損傷恢復率越低.水中養護環境下的損傷恢復率最高，達到了100%；干濕循環環境下養護的損傷恢復率次之，損傷恢復率達到了97%；干燥空氣中養護下，損傷恢復率最小，損傷恢復率為50%左右，而且與前兩者相差甚多，自愈合的效果非常不明顯.