環(huán)保韌性水泥基復(fù)合材料損傷自愈合試驗(yàn)*

鮑文博， 付云鵬， 王東旭

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，作為最主要建筑材料之一的水泥基材料已經(jīng)逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化的方向發(fā)展，但水泥基材料的開裂仍是建筑工程界不可避免并嚴(yán)重影響到建筑物質(zhì)量的關(guān)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(dǎo)致的裂縫不僅影響了材料的力學(xué)性能，還為水分和氯離子等有害介質(zhì)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(dǎo)致其耐久性劣化.眾所周知，所有的鋼筋混凝土構(gòu)件都不可避免地會(huì)產(chǎn)生裂縫，傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)毫米級(jí)以上的裂縫不僅對(duì)耐久性的影響較大，而且對(duì)于裂縫的自愈合也較難實(shí)現(xiàn).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(fù)、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(xué)性能得以提高，這對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的安全性以及延長(zhǎng)建筑工程的使用壽命至關(guān)重要.

水泥基復(fù)合材料自愈合的實(shí)質(zhì)是損傷部位未水化或水化不充分的膠凝材料發(fā)生進(jìn)一步水化反應(yīng)，生成新的水化產(chǎn)物彌合裂縫的過程[2].通過對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)分析，得出裂縫中的主要產(chǎn)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(yǎng)護(hù)環(huán)境和自愈合養(yǎng)護(hù)齡期等[5-6].然而，對(duì)于摻入了尾礦砂的環(huán)境韌性水泥基復(fù)合材料自愈合試驗(yàn)卻尚未有研究.

本文使用的環(huán)保延性水泥基材料(environmental toughness cementitious composities，ETCC)是借鑒ECC技術(shù)，以尾礦砂替代天然細(xì)骨料開發(fā)的一種PVA纖維增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料，具有裂縫開裂受控的特點(diǎn).尾礦砂不僅能夠滿足水泥基復(fù)合材料的工作性能，使得水泥基復(fù)合材料具有良好的韌性，而且使用大比例尾礦砂來替代細(xì)骨料可以有效減少天然砂的消耗、促進(jìn)尾礦砂的廢舊利用，對(duì)節(jié)約資源和改善環(huán)境，促進(jìn)礦業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展，具有積極重要的意義.本文通過對(duì)ETCC試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，使試件產(chǎn)生裂縫，從損傷齡期、自愈合齡期和養(yǎng)護(hù)環(huán)境入手，對(duì)ETCC自愈合前后的損傷進(jìn)行分析研究.

目前，對(duì)于水泥基材料自愈合的研究方法有很多，最常見的有從強(qiáng)度[7-8]、外觀、抗?jié)B和產(chǎn)物分析等方面進(jìn)行研究分析.本文使用共振頻率檢測(cè)技術(shù)對(duì)ETCC試件進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)楣舱耦l率檢測(cè)技術(shù)具有快速、簡(jiǎn)單、對(duì)被測(cè)物無損等優(yōu)點(diǎn)，RF測(cè)試技術(shù)被眾多學(xué)者應(yīng)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(zhì)和材料的性能參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，而共振頻率與材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，使用共振頻率可以對(duì)材料的內(nèi)部損傷進(jìn)行研究.

1 試 驗(yàn)

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(dá)到50%，粉煤灰摻量達(dá)到55%.考慮水膠比的影響，共設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)，水膠比分別為0.45和0.50，相應(yīng)試驗(yàn)組的編號(hào)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(huán)保韌性水泥基材料配合比Tab.1 Mix proportion of ETCC

試驗(yàn)采用標(biāo)號(hào)為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)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(xì)骨料，纖維采用長(zhǎng)度為12 mm的PVA纖維，粉煤灰采用電廠一級(jí)粉煤灰.PVA纖維的性能指標(biāo)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(xì)骨料攪起后，繼續(xù)自動(dòng)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(zhǎng)方體試模成型，振搗密實(shí)后置于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室空氣中養(yǎng)護(hù).養(yǎng)護(hù)過程中，試件上面覆蓋一層塑料薄膜，以防止水分蒸發(fā).養(yǎng)護(hù)24 h后，拆模，將試件浸沒于水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期，以備試驗(yàn)之用.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件預(yù)損傷

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的損傷齡期，在達(dá)到相應(yīng)的齡期時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)壓至破壞，確定該組試件的破壞強(qiáng)度，然后將準(zhǔn)備預(yù)裂的試件用相同的壓力試驗(yàn)機(jī)、加載方式和加載速度，按照破壞強(qiáng)度的75%荷載對(duì)ETCC試件進(jìn)行加載，使其出現(xiàn)損傷，測(cè)試試件損傷前后的共振頻率.

1.3.2 自愈合試驗(yàn)

基于預(yù)制損傷試件，將損傷試件進(jìn)行自愈合養(yǎng)護(hù)，并采用損傷恢復(fù)率法對(duì)ETCC的損傷齡期、自愈合齡期和養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià).研究采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)之前，先將置于水中養(yǎng)護(hù)的試件取出放于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)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(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn).根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13：2009)規(guī)范要求采用位移控制，加載速度為0.5 mm/min.

圖1 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.1 Four-point bending test

1.4 試驗(yàn)過程

對(duì)ETCC試件進(jìn)行預(yù)加載后，試件內(nèi)部必然會(huì)有不同程度的損傷，通過自愈合養(yǎng)護(hù)后其損傷會(huì)有不同程度的恢復(fù)，損傷的恢復(fù)程度是材料自愈合特性的重要表征.選用共振頻率測(cè)試技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行無損測(cè)試，因?yàn)樵囼?yàn)具有操作簡(jiǎn)單、方便、檢測(cè)結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以本試驗(yàn)使用其對(duì)試件進(jìn)行材料損傷測(cè)試，使用損傷恢復(fù)率對(duì)環(huán)保延性水泥基復(fù)合材料ETCC的損傷恢復(fù)特性進(jìn)行評(píng)估，討論損傷齡期、自愈合齡期和養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)ETCC損傷恢復(fù)的影響，得出ETCC損傷恢復(fù)的變化規(guī)律，利用DT-1型動(dòng)彈模量測(cè)定儀對(duì)試件進(jìn)行共振頻率測(cè)試.

1.5 損傷評(píng)價(jià)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(fù)程度，將試件的損傷分成兩部分進(jìn)行計(jì)算：一部分為試件受損傷時(shí)的損傷變量，對(duì)試件受損前后進(jìn)行測(cè)試，計(jì)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(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至設(shè)定的齡期之后，對(duì)試件再次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合對(duì)比組試件，計(jì)算試件的損傷變量.損傷變量的大小可以直接表達(dá)出材料受損傷的程度，通過對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)，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(dá)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(shí)的共振頻率；RFh為受損傷的試件在相應(yīng)的環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)相應(yīng)的齡期之后，其自愈合后的共振頻率；RFc為同齡期無裂縫對(duì)比試件的共振頻率.因?yàn)閾p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(jīng)過自愈合后，可能出現(xiàn)個(gè)別損傷試件RFh大于RFc，在此情況下計(jì)算可得D2<0，在此約定D2=0，視損傷為全部恢復(fù).

1.5.2 損傷評(píng)價(jià)表達(dá)式

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)裂齡期

預(yù)裂齡期是指對(duì)試件進(jìn)行預(yù)裂損傷時(shí)所具有的齡期.試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)預(yù)裂齡期，分別在試件齡期達(dá)到7、14、28 d時(shí)對(duì)試件共振頻率進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，預(yù)裂損傷后再次測(cè)試試件的共振頻率，將試件置入實(shí)驗(yàn)室室溫下，浸沒于水中，養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)試件進(jìn)行共振頻率測(cè)試，通過與空白試件進(jìn)行對(duì)比，得出損傷齡期對(duì)損傷恢復(fù)效果的影響，結(jié)果如圖2所示.

圖2 損傷齡期對(duì)不同水膠比試件損傷恢復(fù)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(fù)率隨著損傷齡期的增大而減小，而且損傷恢復(fù)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(fù)率在7 d損傷齡期時(shí)，達(dá)到了97%和90%，在14 d損傷齡期時(shí)，兩種水膠比試件的損傷恢復(fù)率比7 d時(shí)降低了約2%和4%，但是在28 d損傷齡期時(shí)，損傷恢復(fù)率比14 d時(shí)分別降低了約14%和5%.由此得出，ETCC材料在損傷齡期越早發(fā)生，其自愈合效果越好，自愈合效果隨著損傷齡期的延長(zhǎng)而逐漸減低.

產(chǎn)生此結(jié)果主要與基體中水泥基未水化膠凝顆粒的體積分?jǐn)?shù)緊密相關(guān).早齡期受損的ETCC試件，在其內(nèi)部還存在著大量未水化的膠凝顆粒.在水中養(yǎng)護(hù)下，未水化的膠凝顆粒會(huì)繼續(xù)與水發(fā)生反應(yīng)，生成水化產(chǎn)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(duì)損傷試件所實(shí)施的自愈合養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間.試驗(yàn)采用共振頻率對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，ETCC試件在14 d齡期時(shí)受損傷，然后將受損傷的試件浸沒于水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù).對(duì)試件損傷前后的共振頻率進(jìn)行測(cè)量.設(shè)計(jì)的自愈合齡期為28、60、90 d.經(jīng)過自愈合后，對(duì)試件再一次進(jìn)行共振頻率測(cè)量.通過與同齡期空白試件進(jìn)行對(duì)比，得出自愈合齡期對(duì)損傷恢復(fù)的影響，結(jié)果如圖3所示.

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

養(yǎng)護(hù)齡期下，損傷恢復(fù)率隨著自愈合養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，其中兩種水膠比試件的損傷恢復(fù)率增長(zhǎng)主要發(fā)生在60 d之前，當(dāng)達(dá)到90 d齡期時(shí)，損傷恢復(fù)率接近100%.當(dāng)養(yǎng)護(hù)60 d自愈合齡期時(shí)，兩種水膠比試件的損傷恢復(fù)率比28 d時(shí)分別增大了14%和48%.等到自愈合齡期達(dá)到90 d之后，損傷恢復(fù)率與60 d相比，增長(zhǎng)不明顯，分別增長(zhǎng)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(fù)主要發(fā)生在60 d自愈合齡期之前.

產(chǎn)生此結(jié)果的原因是隨著自愈合養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，ETCC試件內(nèi)未水化的膠凝材料可以與水更加充分地發(fā)生水化反應(yīng).因而養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，裂縫處生成的水化產(chǎn)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(fā)生反應(yīng)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(yǎng)護(hù)環(huán)境

將預(yù)裂齡期28 d的試件，采用以下3種不同自愈合養(yǎng)護(hù)模式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：1)干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù).將預(yù)裂后的試件置于實(shí)驗(yàn)室室溫下，在水中浸泡24 h，然后取出置于實(shí)驗(yàn)室室溫下，在空氣中養(yǎng)護(hù)24 h，如此反復(fù)，直至自愈合齡期.2)干燥空氣中養(yǎng)護(hù).將預(yù)裂后的試件一直置于實(shí)驗(yàn)室室溫下，在空氣中養(yǎng)護(hù).3)水中養(yǎng)護(hù).將預(yù)裂后的試件置于實(shí)驗(yàn)室室溫下，浸沒于水中養(yǎng)護(hù).

所有損傷試件進(jìn)行90 d的自愈合養(yǎng)護(hù)，達(dá)到齡期后，對(duì)試件進(jìn)行共振頻率測(cè)試，并與同條件無損傷試件進(jìn)行對(duì)比，得出養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)損傷恢復(fù)率的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)不同水膠比試件損傷恢復(fù)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(yǎng)護(hù)環(huán)境下，水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的損傷恢復(fù)率最大，干濕循環(huán)環(huán)境下的損傷恢復(fù)率次之，干燥空氣中養(yǎng)護(hù)的損傷恢復(fù)率最小.由此推斷出，自愈合的實(shí)現(xiàn)與水有關(guān).經(jīng)過3種不同環(huán)境下的養(yǎng)護(hù)，水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，ETCC試件的自愈合效果最好，經(jīng)過在水中的90 d養(yǎng)護(hù)之后，可以完全愈合；而在干濕循環(huán)環(huán)境下，其自愈合效果比水中養(yǎng)護(hù)下略低一點(diǎn)，但還是有很好的恢復(fù)；在干燥空氣中養(yǎng)護(hù)下，自愈合效果相對(duì)而言非常不明顯，自愈合幾乎不發(fā)生.

由試驗(yàn)結(jié)果做出如下假定：膠凝材料水化反應(yīng)需要水分的參與，水分越充足，損傷恢復(fù)率越大，自愈合的效果越明顯.干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，由于與水和空氣接觸，所以自愈合的效果沒有水中養(yǎng)護(hù)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(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

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

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

3) 損傷恢復(fù)率與所處的養(yǎng)護(hù)環(huán)境緊密相關(guān).在不同的養(yǎng)護(hù)機(jī)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(yǎng)護(hù)環(huán)境的水分越充足，損傷恢復(fù)率越高；水分越少，損傷恢復(fù)率越低.水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的損傷恢復(fù)率最高，達(dá)到了100%；干濕循環(huán)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的損傷恢復(fù)率次之，損傷恢復(fù)率達(dá)到了97%；干燥空氣中養(yǎng)護(hù)下，損傷恢復(fù)率最小，損傷恢復(fù)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.