綠色延性水泥基復(fù)合材料裂縫自愈合性能

鮑文博，王東旭，王懷成

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

1 前 言

在混凝土的服役期間，由于承載或環(huán)境作用，裂縫的出現(xiàn)通常是不可避免的。裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響是多方面的:對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，從而降低了結(jié)構(gòu)的使用功能；為有害物質(zhì)進(jìn)入基體提供了途徑，使得有害物質(zhì)進(jìn)入結(jié)構(gòu)，腐蝕鋼筋，并對(duì)周?chē)幕炷猎斐蓳p害。裂縫的出現(xiàn)增加了混凝土的維護(hù)費(fèi)用，降低了結(jié)構(gòu)的使用年限?？梢?jiàn)，修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)因開(kāi)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]?；炷恋膿p傷愈合包括了化學(xué)和物理等一系列復(fù)雜過(guò)程，相關(guān)研究認(rèn)為混凝土裂縫損傷的愈合機(jī)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(zhì)填充裂縫，以及開(kāi)裂面的剝落物質(zhì)填充裂縫等。盡管這些機(jī)理對(duì)愈合都有促進(jìn)，但是碳酸鈣的沉淀作用是混凝土裂縫自愈合的主要機(jī)理[1]?；炷亮芽p自愈合的程度取決于裂縫的寬度，細(xì)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(xì)微裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)的自愈合試驗(yàn)中，裂縫可以完全地愈合[1，4]。但是，因?yàn)榇蟛糠只炷潦谴嘈缘?，而且不能控制形成足夠?xì)微的裂縫，因此混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生自愈合的現(xiàn)象還是很有限的。高延性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)是近些年研發(fā)的一種超高延性的水泥基復(fù)合材料，其拉伸應(yīng)變可以達(dá)到3%～5%，同時(shí)具有多裂縫開(kāi)裂特征并可約束裂縫的寬度不大于60 μm，ECC細(xì)密開(kāi)裂的屬性非常有利于自愈合行為的發(fā)展，而這一特性正是脆性混凝土所不具備的[4]。在控制實(shí)驗(yàn)室條件下，ECC的自愈合廣泛而且可靠，在包括氯化環(huán)境和高堿性環(huán)境在內(nèi)的一系列嚴(yán)酷的環(huán)境下，ECC試件的滲水性和力學(xué)性能都得到了恢復(fù)[5-8]。有研究對(duì)自愈合產(chǎn)物進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)水泥基材料進(jìn)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(shù)，以尾礦砂替代天然細(xì)骨料開(kāi)發(fā)的一種聚乙烯醇(polyvinly alcohol，PVA)纖維增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料，也具有裂縫開(kāi)裂受控的特點(diǎn)。尾礦砂不僅能夠滿(mǎn)足所替代的天然砂細(xì)骨料的工作性能，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(lái)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、改善環(huán)境及促進(jìn)礦業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展，具有積極重要的意義。

目前，關(guān)于普通混凝土材料的裂縫自愈合現(xiàn)象已被大量的研究所驗(yàn)證[6-8，10-12]，對(duì)于ECC的自愈合性能近年來(lái)也開(kāi)展了許多研究[4，9，13-17]，但對(duì)于GTCC裂縫自愈合性能的研究卻尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)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(fā)展規(guī)律，以及預(yù)裂齡期、自愈合養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和干濕循環(huán)周期等因素對(duì)于GTCC自愈合的影響規(guī)律，為GTCC的工程應(yīng)用提供參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)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(dá)到50%，粉煤灰摻量達(dá)到55%。本研究考慮水膠比的影響，共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，水膠比分別為0.40、0.45和0.50，相應(yīng)試驗(yàn)組的編號(hào)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(zhì)量配合比如表1所示。試驗(yàn)采用標(biāo)號(hào)為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，細(xì)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(xì)骨料，纖維采用長(zhǎng)度為12 mm的PVA纖維，纖維性能指標(biāo)如表2所示，粉煤灰采用電廠一級(jí)粉煤灰。

表1 水泥基復(fù)合材料組分質(zhì)量配合比Table 1 Compositions mass proportion of cementitious composites

表2 PVA纖維性能指標(biāo)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(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×100 mm的正方體試模成型，振搗密實(shí)后置于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室空氣中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)過(guò)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)12 h后，拆模，將試件浸沒(méi)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。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 試件的預(yù)裂

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的齡期，在達(dá)到相應(yīng)的齡期時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)壓至破壞，確定該組試件的抗壓強(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，按照抗壓強(qiáng)度的75%的荷載進(jìn)行加載預(yù)裂。

2.3.2 自愈合試驗(yàn)

基于預(yù)制損傷試件，進(jìn)行不同環(huán)境下的自愈合養(yǎng)護(hù)，并采用強(qiáng)度恢復(fù)法對(duì)GTCC的損傷自愈合以及各種因素的影響規(guī)律進(jìn)行研究。研究采用單軸抗壓試驗(yàn)，抗壓試驗(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。使用50 t壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。采用位移控制，加載速度為0.5 mm/min。

2.3.3 試驗(yàn)方案

水泥基復(fù)合材料受損開(kāi)裂后，其力學(xué)性能將會(huì)有不同程度的降低，通過(guò)自愈合養(yǎng)護(hù)后其強(qiáng)度會(huì)有不同程度的恢復(fù)，強(qiáng)度的恢復(fù)程度是相應(yīng)材料自愈合特性的重要表征。本研究使用相對(duì)抗壓強(qiáng)度恢復(fù)法，對(duì)綠色延性水泥基復(fù)合材料GTCC的自愈合特性進(jìn)行了研究，并討論了預(yù)裂齡期、自愈合齡期、自愈合養(yǎng)護(hù)環(huán)境以及干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)自愈合性能的影響規(guī)律。

2.3.4 評(píng)價(jià)自愈合方法

參考文獻(xiàn)[10，18]，使用強(qiáng)度恢復(fù)率對(duì)試件自愈合程度進(jìn)行表征:

3 結(jié)果與討論

3.1 損傷齡期對(duì)自愈合性能影響

損傷齡期是指對(duì)試件進(jìn)行預(yù)裂損傷之時(shí)所具有的養(yǎng)護(hù)齡期。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)損傷齡期，分別在試件齡期達(dá)到14、28、60 d時(shí)進(jìn)行預(yù)裂，然后將試件置入水中，養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得其自愈合修復(fù)后試件的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而得到各組試件的強(qiáng)度恢復(fù)率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 損傷齡期對(duì)不同水膠比的試件的強(qiáng)度恢復(fù)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(jiàn)，3種水膠比、各損傷齡期的試件在經(jīng)過(guò)28 d自愈合養(yǎng)護(hù)后，其強(qiáng)度恢復(fù)率均達(dá)到90%以上，其中14 d齡期損傷試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率都接近于甚至超過(guò)100%，表明GTCC具有很好的自愈合性能。

損傷齡期對(duì)GTCC損傷試件的強(qiáng)度恢復(fù)率具有顯著影響，除損傷齡期為60 d的GTCC-0.50實(shí)驗(yàn)組外，其余試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率均隨損傷齡期的增大而明顯變小，可見(jiàn)在一定的損傷齡期范圍內(nèi)，GTCC裂縫損傷出現(xiàn)越晚其自愈合效果相對(duì)越差。這主要是因?yàn)殡S著齡期的增加，GTCC試件中未水化的水泥顆粒將會(huì)越來(lái)越少，自愈合養(yǎng)護(hù)中能夠在裂縫處生成水泥的二次水化產(chǎn)物也就越來(lái)越少，致使試件裂縫自愈合的能力逐漸降低。從這個(gè)角度看，GTCC裂縫損傷出現(xiàn)的越早對(duì)后期自愈合越有利。

水膠比對(duì)GTCC損傷試件的強(qiáng)度恢復(fù)率有明顯影響，對(duì)于14 d齡期預(yù)裂試件，其28 d自愈合強(qiáng)度恢復(fù)率均隨著隨著水膠比增大而降低，28 d和60 d齡期預(yù)裂試件的結(jié)果正好相反，自愈合強(qiáng)度恢復(fù)率均隨著隨著水膠比增大而增加。這可能是因?yàn)?水化反應(yīng)不均衡，早期預(yù)裂損傷的自愈合程度取決于水化反應(yīng)進(jìn)程，而晚期預(yù)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(shù)量。

3.2 自愈合齡期對(duì)自愈合性能影響

自愈合齡期是指試件預(yù)裂之后所實(shí)施的自愈合養(yǎng)護(hù)齡期。分別考察預(yù)裂齡期為14 d的試件經(jīng)過(guò)28、60和120 d的自愈合養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度的變化規(guī)律，與同齡期無(wú)損傷試件進(jìn)行對(duì)比，分析自愈合齡期對(duì)試件損傷自愈合能力的影響。結(jié)果如圖2所示。

圖2 自愈合齡期對(duì)不同水膠比的試件的強(qiáng)度恢復(fù)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(yǎng)護(hù)齡期增大，GTCC試件的強(qiáng)度恢復(fù)率也隨之增大。其中60和28 d的自愈合養(yǎng)護(hù)齡期的試件相比，強(qiáng)度恢復(fù)率增長(zhǎng)得相對(duì)較快，60 d自愈合養(yǎng)護(hù)齡期試樣均比28 d自愈合齡期試樣增長(zhǎng)了近10%，而且強(qiáng)度恢復(fù)率也均超過(guò)了100%，而到了120 d自愈合齡期，強(qiáng)度恢復(fù)率增大得則相對(duì)不明顯，比60 d自愈合齡期試樣強(qiáng)度恢復(fù)率增長(zhǎng)了約4%～6%。這可能是因?yàn)?，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(jié)力，使纖維的橋接強(qiáng)度提高，從而最終強(qiáng)度得到了提升。而達(dá)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(jīng)發(fā)生充分的水化反應(yīng)，而隨著自愈合齡期的延長(zhǎng)，試件中可以發(fā)生水化反應(yīng)的未水化水泥顆粒越來(lái)越少，所以自愈合效果提升沒(méi)有之前明顯。

3.3 自愈合養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)自愈合性能影響

對(duì)損傷齡期28 d的試件，采用以下3種不同的自愈合養(yǎng)護(hù)模式:

(1)干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù):將預(yù)裂后的試件置于水中浸泡24 h，然后取出置于實(shí)驗(yàn)室空氣中晾干24 h，如此反復(fù)，直至自愈合齡期。

(2)水中養(yǎng)護(hù):將預(yù)裂后的試件浸沒(méi)于水中養(yǎng)護(hù)。

(3)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)室空氣中養(yǎng)護(hù)。

所有試件自愈合養(yǎng)護(hù)至120 d，達(dá)到齡期后，對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并與同條件無(wú)損傷試件進(jìn)行對(duì)比，分析養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)裂縫自愈合性能的影響。所得結(jié)果如圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)不同水膠比的試件的強(qiáng)度恢復(fù)率的影響Fig.3 Effect of curing conditions on compressive strength recovery ratio of different water-binder specimen

對(duì)比3種環(huán)境下的GTCC試件的自愈合恢復(fù)效果，很明顯可以看出在干燥空氣環(huán)境下試件的強(qiáng)度恢復(fù)率比干濕循環(huán)和水中養(yǎng)護(hù)后的低很多，可見(jiàn)在干燥空氣中養(yǎng)護(hù)自愈合效果不好。干濕循環(huán)和水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試件的強(qiáng)度恢復(fù)率均超過(guò)了100%，說(shuō)明自愈合現(xiàn)象的發(fā)生，干濕循環(huán)環(huán)境下試件的強(qiáng)度恢復(fù)率比水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境下要略高2.5%，兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的強(qiáng)度恢復(fù)率均比干燥空氣中的要高出50%以上。

干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)的自愈合效果比水中養(yǎng)護(hù)的自愈合效果略微好一些，主要原因是粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)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(huán)，可以促進(jìn)裂縫愈合。而在干燥空氣中養(yǎng)護(hù)的試件，由于未水化的水泥顆粒不能與水接觸發(fā)生水化反應(yīng)，所以試件的裂縫幾乎不發(fā)生自愈合。由試驗(yàn)可知，GTCC材料需要有適量水和空氣的參與才能達(dá)到好的自愈合效果。

3.4 干濕循環(huán)周期對(duì)自愈合性能影響

干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)是模擬自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境的初級(jí)模型，將預(yù)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(gè)干濕循環(huán)周期。試驗(yàn)采用28 d齡期的試件預(yù)裂，然后進(jìn)行干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)，選擇循環(huán)周期分別為7T、14T、21T、28T(T在此表示循環(huán)周期數(shù))，研究干濕循環(huán)周期對(duì)自愈合性能的影響規(guī)律。所得結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 干濕循環(huán)周期對(duì)不同水膠比試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)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(jù)圖4可知，3種水膠比試件在7T、14T、21T循環(huán)周期內(nèi)，抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率隨循環(huán)周期增大增長(zhǎng)得非常快，14T比7T高出5.5%，21T比14T高出6%；而將GTCC試件養(yǎng)護(hù)到28T，與21T的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率相比，增長(zhǎng)幾乎停滯，增長(zhǎng)不足0.5%。在前幾個(gè)周期，GTCC試件的強(qiáng)度恢復(fù)率不斷增加的原因可能是試件中大量的膠凝材料進(jìn)一步水化所引起的。過(guò)了21個(gè)周期之后，試件的強(qiáng)度恢復(fù)率增長(zhǎng)不多，可能是未水化的膠凝材料剩余較少，未能反應(yīng)生成足夠的二次水化產(chǎn)物填充裂縫，以繼續(xù)明顯地提高自愈合效果。

4 結(jié) 論

研究了損傷齡期、自愈合養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和干濕循環(huán)周期等因素對(duì)GTCC自愈合性能的影響，得到如下結(jié)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(xiàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，自愈合的效果隨之降低；14、28和60 d齡期時(shí)預(yù)裂的試件，其強(qiáng)度恢復(fù)率均達(dá)到了90%以上，其中14 d時(shí)預(yù)裂的試件，強(qiáng)度恢復(fù)率甚至有超過(guò)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(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)趨緩。將帶裂縫試件養(yǎng)護(hù)至60 d比28 d自愈合效果有顯著提高，60 d的強(qiáng)度恢復(fù)率比28 d的增長(zhǎng)了近10%，且60 d的強(qiáng)度恢復(fù)率超過(guò)了100%；在120 d自愈合齡期時(shí)，強(qiáng)度恢復(fù)率繼續(xù)增加，但是相對(duì)不明顯，比60 d的增加了4%～6%；

(3)自愈合養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)自愈合效果有顯著影響。其中干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)環(huán)境比水中養(yǎng)護(hù)環(huán)境的自愈合效果略好，強(qiáng)度恢復(fù)率高出2%～3%；干燥空氣環(huán)境下養(yǎng)護(hù)自愈合效果最不明顯，強(qiáng)度恢復(fù)率不足50%；

(4)自愈合效果隨著干濕循環(huán)周期的增大而增加。強(qiáng)度恢復(fù)率的增長(zhǎng)主要都發(fā)生在21個(gè)周期(21T)之前，14T的強(qiáng)度恢復(fù)率比7T要高出5.5%，21T的比14T高出6%；28T的比21T增長(zhǎng)不足0.5%。28T之后，強(qiáng)度恢復(fù)率增長(zhǎng)幾乎停滯。