綠色延性水泥基復合材料裂縫自愈合性能

鮑文博，王東旭，王懷成

(沈陽工業大學建筑與土木工程學院，遼寧沈陽110870)

1 前 言

在混凝土的服役期間，由于承載或環境作用，裂縫的出現通常是不可避免的。裂縫對混凝土結構的負面影響是多方面的:對結構的力學性能產生不良影響，從而降低了結構的使用功能；為有害物質進入基體提供了途徑，使得有害物質進入結構，腐蝕鋼筋，并對周圍的混凝土造成損害。裂縫的出現增加了混凝土的維護費用，降低了結構的使用年限。可見，修復混凝土結構因開裂而失去的性能顯得極為迫切。

研究證明，混凝土材料在一定條件下具有自愈合性能[1-3]。混凝土的損傷愈合包括了化學和物理等一系列復雜過程，相關研究認為混凝土裂縫損傷的愈合機理包括:未水化水泥的二次水化作用、C—S—H的膨脹作用、碳酸鈣晶體的沉淀作用、水中的雜質填充裂縫，以及開裂面的剝落物質填充裂縫等。盡管這些機理對愈合都有促進，但是碳酸鈣的沉淀作用是混凝土裂縫自愈合的主要機理[1]。混凝土裂縫自愈合的程度取決于裂縫的寬度，細微裂縫比大裂縫更易完全愈合且愈合速率更快。在許多帶有細微裂縫的混凝土結構的自愈合試驗中，裂縫可以完全地愈合[1，4]。但是，因為大部分混凝土是脆性的，而且不能控制形成足夠細微的裂縫，因此混凝土結構發生自愈合的現象還是很有限的。高延性水泥基復合材料(engineered cementitious composites，ECC)是近些年研發的一種超高延性的水泥基復合材料，其拉伸應變可以達到3%～5%，同時具有多裂縫開裂特征并可約束裂縫的寬度不大于60 μm，ECC細密開裂的屬性非常有利于自愈合行為的發展，而這一特性正是脆性混凝土所不具備的[4]。在控制實驗室條件下，ECC的自愈合廣泛而且可靠，在包括氯化環境和高堿性環境在內的一系列嚴酷的環境下，ECC試件的滲水性和力學性能都得到了恢復[5-8]。有研究對自愈合產物進行了表征，發現水泥基材料進一步水化及C—S—H凝膠和碳酸鈣晶體的生成是裂縫自愈合的主要原因[9]。綠色延性水泥基材料(green toughness cementitious composites，GTCC)是借鑒ECC技術，以尾礦砂替代天然細骨料開發的一種聚乙烯醇(polyvinly alcohol，PVA)纖維增強尾礦砂水泥基復合材料，也具有裂縫開裂受控的特點。尾礦砂不僅能夠滿足所替代的天然砂細骨料的工作性能，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、改善環境及促進礦業資源的可持續發展，具有積極重要的意義。

目前，關于普通混凝土材料的裂縫自愈合現象已被大量的研究所驗證[6-8，10-12]，對于ECC的自愈合性能近年來也開展了許多研究[4，9，13-17]，但對于GTCC裂縫自愈合性能的研究卻尚未見報道。本研究通過施加一定程度的損傷，研究GTCC在不同條件下裂縫自愈合的發展規律，以及預裂齡期、自愈合養護齡期、養護環境和干濕循環周期等因素對于GTCC自愈合的影響規律，為GTCC的工程應用提供參考。

2 實 驗

2.1 實驗材料

本實驗采用大比例固體廢棄物替代率制備GTCC，尾礦砂替代天然砂比率達到50%，粉煤灰摻量達到55%。本研究考慮水膠比的影響，共設計3組試驗，水膠比分別為0.40、0.45和0.50，相應試驗組的編號依次為GTCC-0.4、GTCC-0.45和GTCC-0.5，PVA纖維的體積摻量采用2%，GTCC其余組分的具體質量配合比如表1所示。試驗采用標號為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，細骨料采用粒徑為0.15～0.315 mm范圍的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，纖維性能指標如表2所示，粉煤灰采用電廠一級粉煤灰。

表1 水泥基復合材料組分質量配合比Table 1 Compositions mass proportion of cementitious composites

表2 PVA纖維性能指標Table 2 Performance of PVA fiber

2.2 試樣的制備

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，人工將攪拌缸沉入細骨料攪起后，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×100 mm的正方體試模成型，振搗密實后置于標準實驗室空氣中養護。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12 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。

2.3 實驗方法

2.3.1 試件的預裂

根據試驗設計的齡期，在達到相應的齡期時，對試件進行單軸抗壓試驗壓至破壞，確定該組試件的抗壓強度，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，按照抗壓強度的75%的荷載進行加載預裂。

2.3.2 自愈合試驗

基于預制損傷試件，進行不同環境下的自愈合養護，并采用強度恢復法對GTCC的損傷自愈合以及各種因素的影響規律進行研究。研究采用單軸抗壓試驗，抗壓試驗之前，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。使用50 t壓力試驗機進行抗壓試驗。采用位移控制，加載速度為0.5 mm/min。

2.3.3 試驗方案

水泥基復合材料受損開裂后，其力學性能將會有不同程度的降低，通過自愈合養護后其強度會有不同程度的恢復，強度的恢復程度是相應材料自愈合特性的重要表征。本研究使用相對抗壓強度恢復法，對綠色延性水泥基復合材料GTCC的自愈合特性進行了研究，并討論了預裂齡期、自愈合齡期、自愈合養護環境以及干濕循環次數對自愈合性能的影響規律。

2.3.4 評價自愈合方法

參考文獻[10，18]，使用強度恢復率對試件自愈合程度進行表征:

3 結果與討論

3.1 損傷齡期對自愈合性能影響

損傷齡期是指對試件進行預裂損傷之時所具有的養護齡期。試驗設計了3個損傷齡期，分別在試件齡期達到14、28、60 d時進行預裂，然后將試件置入水中，養護28 d后對試件進行抗壓強度試驗，獲得其自愈合修復后試件的抗壓強度，進而得到各組試件的強度恢復率，結果如圖1所示。

圖1 損傷齡期對不同水膠比的試件的強度恢復率的影響Fig.1 Effect of damage ages on compressive strength recovery ratio of different water-binder ratio specimen

由圖1可見，3種水膠比、各損傷齡期的試件在經過28 d自愈合養護后，其強度恢復率均達到90%以上，其中14 d齡期損傷試件的抗壓強度恢復率都接近于甚至超過100%，表明GTCC具有很好的自愈合性能。

損傷齡期對GTCC損傷試件的強度恢復率具有顯著影響，除損傷齡期為60 d的GTCC-0.50實驗組外，其余試件的抗壓強度恢復率均隨損傷齡期的增大而明顯變小，可見在一定的損傷齡期范圍內，GTCC裂縫損傷出現越晚其自愈合效果相對越差。這主要是因為隨著齡期的增加，GTCC試件中未水化的水泥顆粒將會越來越少，自愈合養護中能夠在裂縫處生成水泥的二次水化產物也就越來越少，致使試件裂縫自愈合的能力逐漸降低。從這個角度看，GTCC裂縫損傷出現的越早對后期自愈合越有利。

水膠比對GTCC損傷試件的強度恢復率有明顯影響，對于14 d齡期預裂試件，其28 d自愈合強度恢復率均隨著隨著水膠比增大而降低，28 d和60 d齡期預裂試件的結果正好相反，自愈合強度恢復率均隨著隨著水膠比增大而增加。這可能是因為:水化反應不均衡，早期預裂損傷的自愈合程度取決于水化反應進程，而晚期預裂損傷的自愈合程度主要取決于試件中剩余未水化的水泥顆粒的數量。

3.2 自愈合齡期對自愈合性能影響

自愈合齡期是指試件預裂之后所實施的自愈合養護齡期。分別考察預裂齡期為14 d的試件經過28、60和120 d的自愈合養護后強度的變化規律，與同齡期無損傷試件進行對比，分析自愈合齡期對試件損傷自愈合能力的影響。結果如圖2所示。

圖2 自愈合齡期對不同水膠比的試件的強度恢復率的影響Fig.2 Effect of self-healing ages on compressive strength recovery ratio of different water-binder ratio specimen

由圖2可知，隨著自愈合養護齡期增大，GTCC試件的強度恢復率也隨之增大。其中60和28 d的自愈合養護齡期的試件相比，強度恢復率增長得相對較快，60 d自愈合養護齡期試樣均比28 d自愈合齡期試樣增長了近10%，而且強度恢復率也均超過了100%，而到了120 d自愈合齡期，強度恢復率增大得則相對不明顯，比60 d自愈合齡期試樣強度恢復率增長了約4%～6%。這可能是因為，隨著自愈合齡期的增加，GTCC基體的水化作用更加充分，提高了纖維與基體之間的界面黏結力，使纖維的橋接強度提高，從而最終強度得到了提升。而達到一定的自愈合齡期后，GTCC試件的自愈合效果與前一階段相比不明顯，原因可能是GTCC試件中未水化的水泥顆粒在前面的自愈合齡期已經發生充分的水化反應，而隨著自愈合齡期的延長，試件中可以發生水化反應的未水化水泥顆粒越來越少，所以自愈合效果提升沒有之前明顯。

3.3 自愈合養護環境對自愈合性能影響

對損傷齡期28 d的試件，采用以下3種不同的自愈合養護模式:

(1)干濕循環養護:將預裂后的試件置于水中浸泡24 h，然后取出置于實驗室空氣中晾干24 h，如此反復，直至自愈合齡期。

(2)水中養護:將預裂后的試件浸沒于水中養護。

(3)干燥空氣中養護:將預裂后的試件一直置于實驗室空氣中養護。

所有試件自愈合養護至120 d，達到齡期后，對試件進行抗壓強度試驗，并與同條件無損傷試件進行對比，分析養護環境對裂縫自愈合性能的影響。所得結果如圖3。

圖3 養護環境對不同水膠比的試件的強度恢復率的影響Fig.3 Effect of curing conditions on compressive strength recovery ratio of different water-binder specimen

對比3種環境下的GTCC試件的自愈合恢復效果，很明顯可以看出在干燥空氣環境下試件的強度恢復率比干濕循環和水中養護后的低很多，可見在干燥空氣中養護自愈合效果不好。干濕循環和水中養護環境下的試件的強度恢復率均超過了100%，說明自愈合現象的發生，干濕循環環境下試件的強度恢復率比水中養護環境下要略高2.5%，兩種養護環境下的強度恢復率均比干燥空氣中的要高出50%以上。

干濕循環養護的自愈合效果比水中養護的自愈合效果略微好一些，主要原因是粉煤灰的形態效應使得水泥漿體需水量降低，而且能使粉煤灰顆粒充分填充到水泥漿孔隙中。如此循環，可以促進裂縫愈合。而在干燥空氣中養護的試件，由于未水化的水泥顆粒不能與水接觸發生水化反應，所以試件的裂縫幾乎不發生自愈合。由試驗可知，GTCC材料需要有適量水和空氣的參與才能達到好的自愈合效果。

3.4 干濕循環周期對自愈合性能影響

干濕循環養護是模擬自然養護環境的初級模型，將預裂后的GTCC試件置于水中浸泡24 h，然后取出置于空氣中晾干24 h，將此定義為1個干濕循環周期。試驗采用28 d齡期的試件預裂，然后進行干濕循環養護，選擇循環周期分別為7T、14T、21T、28T(T在此表示循環周期數)，研究干濕循環周期對自愈合性能的影響規律。所得結果見圖4。

圖4 干濕循環周期對不同水膠比試件的抗壓強度恢復率的影響Fig.4 Effect of wet/dry conditioning cycles on compressive strength recovery ratio of different water-binder ratio specimen

根據圖4可知，3種水膠比試件在7T、14T、21T循環周期內，抗壓強度恢復率隨循環周期增大增長得非常快，14T比7T高出5.5%，21T比14T高出6%；而將GTCC試件養護到28T，與21T的抗壓強度恢復率相比，增長幾乎停滯，增長不足0.5%。在前幾個周期，GTCC試件的強度恢復率不斷增加的原因可能是試件中大量的膠凝材料進一步水化所引起的。過了21個周期之后，試件的強度恢復率增長不多，可能是未水化的膠凝材料剩余較少，未能反應生成足夠的二次水化產物填充裂縫，以繼續明顯地提高自愈合效果。

4 結 論

研究了損傷齡期、自愈合養護齡期、養護環境和干濕循環周期等因素對GTCC自愈合性能的影響，得到如下結論:

(1)損傷齡期越早，試件的裂縫自愈合的效果越好，隨著裂縫出現時間的延長，自愈合的效果隨之降低；14、28和60 d齡期時預裂的試件，其強度恢復率均達到了90%以上，其中14 d時預裂的試件，強度恢復率甚至有超過了100%；

(2)裂縫的自愈合效果隨著自愈合齡期的增加而增加，前期增長較快，后期增長趨緩。將帶裂縫試件養護至60 d比28 d自愈合效果有顯著提高，60 d的強度恢復率比28 d的增長了近10%，且60 d的強度恢復率超過了100%；在120 d自愈合齡期時，強度恢復率繼續增加，但是相對不明顯，比60 d的增加了4%～6%；

(3)自愈合養護環境對自愈合效果有顯著影響。其中干濕循環養護環境比水中養護環境的自愈合效果略好，強度恢復率高出2%～3%；干燥空氣環境下養護自愈合效果最不明顯，強度恢復率不足50%；

(4)自愈合效果隨著干濕循環周期的增大而增加。強度恢復率的增長主要都發生在21個周期(21T)之前，14T的強度恢復率比7T要高出5.5%，21T的比14T高出6%；28T的比21T增長不足0.5%。28T之后，強度恢復率增長幾乎停滯。