混雜纖維ECC-混凝土復(fù)合路面板彎曲疲勞特性研究

高英力，卜濤，冷政，龍國(guó)鑫，孟浩

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114；2.中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410004)

為改善結(jié)構(gòu)的工作性、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，剛性加鋪層在道路中的應(yīng)用越來越廣泛。ECC 具有優(yōu)異的低開裂潛能和高變形能力，在單軸極限拉伸狀態(tài)下的應(yīng)變可達(dá)3%～8%，為普通混凝土的300～800 倍[1]。其裂縫寬度可以控制在100 μm 以內(nèi)，裂縫間距為3～10 mm[2-3]，即多條密集微裂縫，能有效提高結(jié)構(gòu)的抗裂、抗?jié)B及抗鹽類侵蝕能力，從而提高結(jié)構(gòu)耐久性[4-5]，是一種較為理想的加鋪層材料[6]。ZHANG 等[7-8]和MA 等[9]通過有限元分析，研究了ECC 材料的性能以及將其用于大跨度鋼橋面鋪裝的可行性。結(jié)果表明：ECC 材料能夠克服普通混凝土的脆性，與瀝青、普通混凝土材料相比，在拉伸、彎曲荷載作用下具有較高的變形能力、彎曲強(qiáng)度和疲勞壽命。此外，ECC 的自愈能力可以幾乎完全恢復(fù)其抗氯離子滲透能力。故ECC 的應(yīng)用有望大大降低鋪裝層厚度，延長(zhǎng)鋼橋面的使用壽命。YUCEL 等[10]以微硅灰混凝土(MSC)作為控制組，研究了不同厚度ECC 加鋪層在彎曲和疲勞荷載作用下的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同幾何形狀和加載條件下，與MSC 組合梁相比，ECC 組合梁的承載能力、變形能力和疲勞壽命均有顯著提高，裂縫寬度控制效果更好。ECC 材料還能在修復(fù)系統(tǒng)中有效地消除反射裂縫和分層現(xiàn)象。MA等[11]的研究表明，在準(zhǔn)靜態(tài)及循環(huán)彎曲荷載作用下，ECC 加鋪層與PCC 加鋪層相比，可使機(jī)場(chǎng)路面系統(tǒng)的承載力提高100%，變形能力提高7倍，疲勞壽命提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。并提出ECC 是通過一種獨(dú)特的“扭曲和捕獲”模式形成裂縫，在這種模式中，裂紋沿著黏結(jié)界面?zhèn)鞑ィS后進(jìn)入ECC 加鋪層，并立即被ECC 的高韌性阻止。這種過程重復(fù)進(jìn)行，直到ECC完全破壞為止。ZHANG等[12]對(duì)ECC加鋪層的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。結(jié)果表明：ECC 作為加鋪層材料時(shí)，組合梁在受彎時(shí)的承載能力和以峰值撓度為代表的變形能力均比素混凝土顯著提高，其彎曲疲勞壽命不受黏結(jié)面的影響。但大部分學(xué)者都是利用ECC 加鋪層修復(fù)既有路面，很少有將其作為新建路面加鋪層的研究。

另一方面，常規(guī)ECC所使用的聚乙烯醇(PVA)纖維價(jià)格昂貴，且水泥用量大，這導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性較差，進(jìn)而限制了ECC的實(shí)際工程應(yīng)用?；诰G色環(huán)保的趨勢(shì)，很多學(xué)者嘗試采用細(xì)度較小的工業(yè)廢渣類材料如粉煤灰[13]、磨細(xì)高爐礦渣[14]、硅灰[15]以及惰性石灰石粉[16]等部分替代水泥，發(fā)現(xiàn)這不僅可以改善顆粒堆積密度，提高ECC 的力學(xué)性能，還能減少水泥用量、實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣類材料再利用[17]。為了進(jìn)一步控制成本、提高水泥路面ECC 的性能，部分學(xué)者開始使用混雜纖維來增強(qiáng)ECC 材料的延性和強(qiáng)度，期望通過復(fù)合改性得到價(jià)格便宜、性能優(yōu)越的ECC材料[18-21]。此外，還有學(xué)者向其中加入聚合物[22-24]和納米顆粒[25]。夏超凡等[26]發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%PVA+0.25%鋼纖維(HyFRHDCC)中摻入2%碳酸鈣晶須時(shí)優(yōu)化效果最佳，碳酸鈣晶須通過裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須拔出和裂縫橋聯(lián)等微觀作用機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)HyFRHDCC 壓縮性能和拉伸性能的改善。SILVA等[27-28]通過XRD和紅外光譜分析了乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)對(duì)水泥膠砂水化過程的影響，發(fā)現(xiàn)羧基與鈣離子的反應(yīng)產(chǎn)物形成了新的多孔緊密的物相。但尚鮮有人綜合以上多種方式對(duì)ECC 進(jìn)行多維度綜合改性。

本文作者在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，以粉煤灰、硅灰、水泥作為膠凝材料，旨在通過增強(qiáng)水化效應(yīng)與顆粒物理擠密效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣類材料的再利用的同時(shí)優(yōu)化其性能。選用PVA 纖維、表面壓痕改性處理的聚丙烯(MPP)纖維和碳酸鈣晶須(CW)的混雜纖維增強(qiáng)體系，期望它們?cè)诟髯猿叽缟蟻y向分布，為水化產(chǎn)物提供更多的成核位點(diǎn)，加速沉淀，形成更加致密的結(jié)構(gòu)。引入EVA 聚合物改善纖維基體界面過渡區(qū)，最后將纖維、基體、纖維-基體界面過渡區(qū)三者有機(jī)地聯(lián)系起來，以期得到較好的延性。為顯著降低成本，還選用一種本地PVA 纖維取代日本可樂麗公司PVA 纖維。通過結(jié)合不同尺寸混雜纖維和聚合物的優(yōu)點(diǎn)制備出綠色環(huán)保、延性更高、經(jīng)濟(jì)效益更好的基于大摻量粉煤灰-硅灰-水泥三元膠凝體系的混雜纖維協(xié)同增延ECC材料，將其加鋪于PC基層上形成復(fù)合路面板，以CE 及PC 加鋪層作為對(duì)照組，重點(diǎn)探究各復(fù)合路面板的抗彎曲疲勞特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料

采用P·O 42.5級(jí)水泥(cement，C)，細(xì)度43 μm左右的一級(jí)粉煤灰(fly ash，F(xiàn)A)，細(xì)度為8.3 μm左右的硅灰(silica fume，SF)等作為膠凝材料，其化學(xué)組成見表1。采用乳白色高純石英砂(quartz sand,S)，粒徑為0.075～0.150 mm，莫氏硬度為7。采用聚羧酸高效減水劑(HRWR)，減水率為40%。采用日本可樂麗公司生產(chǎn)(PVA-1)和本地生產(chǎn)(PVA-2)的2種PVA纖維以及MPP纖維，各纖維性能參數(shù)見表2。碳酸鈣晶須CW 來源廣泛，價(jià)格低廉，性能參數(shù)見表3。選用EVA改善界面過渡區(qū)，相關(guān)指標(biāo)見表4。為增加基體密實(shí)性，還需加入消泡劑。

表1 膠凝材料化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of cementitious materials %

表2 各纖維力學(xué)及幾何性能Table 2 Mechanical and geometric properties of fibers

表3 CW力學(xué)及幾何性能Table 3 Mechanical and geometric properties of CW

表4 EVA性能參數(shù)Table 4 Performance indicators of EVA

1.2 配比與試件制備

各組試件配合比如表5所示。PC 采用C40 混凝土配合比，CE 選取日本可樂麗公司推薦的配合比?；谇捌诖罅吭囼?yàn)，HE 的制備工藝如圖1所示。所有試件拆模后在(20±2)℃，相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至指定齡期取出進(jìn)行試驗(yàn)。60 d后進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。

表5 各組試件配合比Table 5 Mixture proportions of each group kg/m3

圖1 HE制備流程圖Fig.1 Flow chart of HE preparation

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

復(fù)合路面板板厚設(shè)置為100 mm，HE 與CE 各設(shè)置3 種不同加鋪厚度(h)，分別為板厚的15%，20%和25%，加上PC 組共7 組試件，試件編號(hào)如HE-15表示h=15 mm的HE復(fù)合路面板。PC作為底基層(厚度h′)澆筑入模，3 h后完成ECC層的加鋪，以期獲得較好的界面黏結(jié)力。采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表征荷載作用下ECC 加鋪層的抗彎曲性能，利用MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示，上下支撐點(diǎn)跨度分別為100 mm 和300 mm。試件長(zhǎng)×寬×高為400 mm×100 mm×100 mm。首先測(cè)得各試件極限抗彎強(qiáng)度后計(jì)算各試件疲勞加載參數(shù)，采用力控制加載模式施加正弦波形荷載，頻率取10 Hz，應(yīng)力水平S取0.7，0.8 和0.9。初始加載速率為0.05 kN/s，最大與最小循環(huán)荷載比取0.1。

圖2 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of four-point flexural fatigue test

參照J(rèn)C/T 2461—2018“高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法”，抗壓強(qiáng)度試件長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm。拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至7 d與28 d時(shí)移出，用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，加載速度為0.5 MPa/s。采用劈裂強(qiáng)度表征層間黏結(jié)性，首先制備PC，HE 和CE 共3 組試件探究各自抗拉特性，然后制備HE-50 和CE-50 這2 組試件，探究層間黏結(jié)性[29-31]。試件長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)示意圖如圖3所示。使用壓力機(jī)完成試驗(yàn)，加載速度為0.05 MPa/s。

圖3 劈裂試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of split test

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓試驗(yàn)

設(shè)置6組加鋪層試驗(yàn)組以及1組普通混凝土對(duì)照組共7組試件，每組試驗(yàn)均制備3個(gè)試件，并根據(jù)規(guī)范處理數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示：HE的7 d抗壓強(qiáng)度分別為PC 和CE 的86.9%和88.1%，28 d 抗壓強(qiáng)度分別為PC 和CE 的96.4%和91.3%，說明HE的早期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度發(fā)展較快。各加鋪層試件的28 d抗壓強(qiáng)度較PC有增有減，最大增幅與最大降幅分別為PC 的4.02%與-2.12%，這都在允許試驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)，因此，認(rèn)為加鋪層對(duì)于復(fù)合路面板的抗壓強(qiáng)度影較小，可以忽略不計(jì)。

圖4 抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.4 Comparison of compressive strength

2.2 彎曲疲勞試驗(yàn)

彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。水泥混凝土疲勞壽命離散性較大，通常采用兩參數(shù)Weibull 分布[32-33]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分布方程如下：

式中：p為存活率；i為疲勞壽命由小到大排列的序數(shù)；n為每組試驗(yàn)的試件數(shù)；c為形狀參數(shù)，是ln[ln(1/p)]-lnN曲線的斜率；Np為存活率為p時(shí)的疲勞壽命；Na為特征壽命。

根據(jù)表6中疲勞試驗(yàn)結(jié)果，擬合各組試件ln[ln(1/p)]-lnN曲線，各組試件ln[ln(1/p)]-lnN曲線及c的變化趨勢(shì)如圖5所示。而各擬合線縱軸截距為clnNa，進(jìn)而求出特征壽命Na，得到相應(yīng)的Weibull分布參數(shù)見表7。

圖5 各組試件ln[ln(1/p)]-lnN曲線及c的變化趨勢(shì)Fig.5 ln[ln(1/p)]-lnN curve of each group and trend of c

表6 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of fatigue life test

從圖5(a)～(g)可知：PC 在應(yīng)力水平S 為0.8 與0.9 之間的擬合線間距遠(yuǎn)大于S 為0.7 與0.8 之間的擬合線間距，而這種趨勢(shì)隨加鋪層厚的增加而減弱，加鋪層厚度相同時(shí)，HE 的這種趨勢(shì)比CE 的弱，表明S由0.8 增至0.9 時(shí)，疲勞壽命降幅更大，隨加鋪層厚度的增加，這一現(xiàn)象明顯得以改善，且HE 改善能力更強(qiáng)。從表7及圖5(h)可知：各組試件的c均隨S增大而增大，說明S增大會(huì)降低疲勞壽命的離散性，其中HE-25在各應(yīng)力水平下的c均為最大，但S=0.7 時(shí)，CE-15 的c反而比PC 的略小，這可能是由于試驗(yàn)誤差所致，除此之外，PC在各應(yīng)力水平下的c均為最小，故可以認(rèn)為，隨加鋪層厚的增大，各試驗(yàn)組在各應(yīng)力水平下的離散性越小、結(jié)構(gòu)越可靠，相同層厚下，HE 比CE 的離散性更小，結(jié)構(gòu)可靠性更高。觀察Na的變化，發(fā)現(xiàn)2 種ECC 加鋪層均增加復(fù)合路面板的疲勞特征壽命，層厚越大，復(fù)合路面板的特征壽命越大，且相同層厚下HE 的疲勞特征壽命均比CE 的疲勞特征壽命大。

表7 Weibull分布參數(shù)Table 7 Weibull distribution coefficient

根據(jù)各組試件的Weibull分布參數(shù)與式(3)，求出在一般情況(p=50%)及極限狀態(tài)(p=95%)下的預(yù)估疲勞壽命N1和N2[33]，結(jié)果如表8所示，然后擬合S-p-N曲線，結(jié)果如圖6所示，最終得到式(4)所示雙對(duì)數(shù)形式的疲勞方程，各組試件相關(guān)參數(shù)見表9。表9中：a和b均為與材料性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，a越大，試件抗彎曲疲勞性能越好；b越小，試件疲勞壽命對(duì)于S的變化越敏感；R2為擬合相關(guān)系數(shù)；強(qiáng)度折減系數(shù)指各組試件達(dá)到200萬次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的預(yù)估最大應(yīng)力水平，強(qiáng)度折減系數(shù)越大，試件抗彎曲疲勞性能越好；θ為各組試件相對(duì)于PC的強(qiáng)度折減系數(shù)增長(zhǎng)率。

表8 不同存活率下各試件預(yù)估疲勞壽命Table 8 Estimated fatigue life of each specimen under different survival rates

從表9可知：各擬合線R2均大于0.95，說明擬合相關(guān)性較好。在2種存活率下，CE與HE的a，b和θ均隨加鋪層厚度增加而增加，且都比PC的大，而加鋪層厚度相同時(shí)，HE 的a，b和θ均比CE 的大。說明2 種ECC 加鋪層復(fù)合路面板的抗彎曲疲勞性能均優(yōu)于PC路面板的抗彎曲疲勞性能，且層厚越厚，抗彎曲疲勞性能越好，疲勞壽命隨應(yīng)力變化的敏感性越低，相同層厚下HE加鋪層的抗彎曲疲勞性能比CE加鋪層的優(yōu)，疲勞壽命隨應(yīng)力變化敏感性更低。

表9 疲勞方程參數(shù)Table 9 Fatigue equation coefficient

此外，同組試件的N1遠(yuǎn)大于N2，說明存活率越小，試件預(yù)估疲勞壽命越大。p=95%時(shí)的θ增幅更大，從圖6可以發(fā)現(xiàn)：p=95%時(shí)的S-p-N曲線間距更大，表明存活率會(huì)影響加鋪層對(duì)復(fù)合路面板抗彎曲疲勞性能的改善效果，p=95%時(shí)的改善效果更加明顯。

圖6 2種存活率下各組試件S-p-N曲線Fig.6 S-p-N curves of each group under two survival rates

通過粗略的經(jīng)濟(jì)效益分析，發(fā)現(xiàn)HE的單價(jià)大約僅為CE 的1/4.65。此外，HE 采用大摻量FA 和SF，減少水泥用量，既節(jié)省成本，又符合綠色環(huán)保理念。面對(duì)高沖擊強(qiáng)度和高彎曲荷載的道路工程，其優(yōu)越的變形能力大大增加混凝土路面的服役壽命。當(dāng)裂縫寬度低于100 μm 時(shí)，還能減少碳化，降低路面水和氯離子的滲透，保證鋼筋不被銹蝕，顯著增強(qiáng)配筋混凝土路面的耐久性，大大減少養(yǎng)護(hù)維修周期與成本。

2.3 劈裂試驗(yàn)

各組試件劈裂強(qiáng)度如圖7所示。從圖7可知：HE 的28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別為PC 和CE 的154%和127%，即其劈裂抗拉性能最好，CE-50 的劈裂強(qiáng)度比HE-50 的大，且二者均比PC 的大。圖8所示為CE-50和HE-50劈裂破壞面。從圖8可知：HE斷面上有明顯露出的MPP 纖維，顯然破裂面上既有ECC又有PC，各試件并未明顯沿層間黏結(jié)面破裂，此外還有學(xué)者提出ECC 組合梁在受彎時(shí)的疲勞壽命不受黏結(jié)面的影響[11-12]。因此可以認(rèn)為：復(fù)合路面板的層間黏結(jié)性較為理想。

圖7 各組試件的劈裂強(qiáng)度Fig.7 Splitting strength of each group

圖8 2組ECC加鋪層的劈裂破壞面Fig.8 Splitting failure surface of two kinds of ECC overlay

3 微觀分析與增延機(jī)理

疲勞破壞后，在CE 和HE 的疲勞破壞斷面處取樣，進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)。

圖9(a)～(c)所示為CE 的SEM 圖。從圖9(a)可以看到表面光滑的PVA纖維與FA顆粒獨(dú)立存在于基體之中，只有少量水化產(chǎn)物黏附于二者表面。從圖9(b)可以發(fā)現(xiàn)CE 的水化程度很高，六角板狀Ca(OH)2和花瓣?duì)畹腁Fm互相交織成網(wǎng)，形成了致密結(jié)構(gòu)，還有較多細(xì)纖維狀的C-S-H凝膠存在，同時(shí)出現(xiàn)較多的微孔。從圖9(c)可以看出：大量水化產(chǎn)物堆積形成致密結(jié)構(gòu)，但微孔的孔徑及深度較大?？傮w而言，基體水化程度很高，但微孔較多，基體與纖維黏結(jié)性較差，這正是其強(qiáng)度高但基體韌性較低的原因。

圖9(d)～(f)所示為HE 微觀形貌。從圖9(d)可知：PVA 纖維周圍水化產(chǎn)物富集，且大量黏附于纖維表面，這與CE顯著不同，大大增加了基體與纖維黏結(jié)性，推測(cè)認(rèn)為這可能是FA，SF及EVA的摻入優(yōu)化纖維與基體界面過渡區(qū)，使纖維可以更好積聚水化產(chǎn)物，分散更加均勻，并通過成膜加強(qiáng)水泥基體自身的延性，進(jìn)而改善基體疲勞性能[27-28,34-35]。從圖9(e)可知：SF 顆粒被水化產(chǎn)物覆蓋，不再孤立在水泥界面里，而且和FA 一起優(yōu)化微級(jí)配，針狀A(yù)Ft晶體和C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物聚集，但未出現(xiàn)六角板狀的Ca(OH)2晶體。從圖9(f)可知：碳酸鈣晶須和AFt晶體相互交織成網(wǎng)，為更多水化產(chǎn)物提供成核位點(diǎn)，進(jìn)一步提升基體的密實(shí)度?？傮w而言，基體水化程度較好，密實(shí)度高，幾乎沒有較大微孔出現(xiàn)，基體與纖維黏結(jié)性好，因此其韌性得以明顯提升，顯著提高復(fù)合路面板的疲勞壽命。

圖9 2種ECC的SEM圖Fig.9 SEM images of two kinds of ECC

根據(jù)微觀形貌及設(shè)計(jì)理念，這里給出了增延機(jī)理示意圖，如圖10所示。從圖10(a)可知：PVA纖維、MPP 纖維和CW 亂向分布，促進(jìn)水化產(chǎn)物向纖維處富集，不同的纖維尺寸給水化產(chǎn)物提供更多的成核位點(diǎn)，加速沉淀，EVA 反應(yīng)物與水化產(chǎn)物多層堆積在纖維周圍，加強(qiáng)了纖維和基體的黏結(jié)，細(xì)集料進(jìn)一步填充其中，形成更加密實(shí)的結(jié)構(gòu)。從圖10(b)可知：受力狀態(tài)下，碳酸鈣晶須控制微裂縫在微米尺度的延伸，PVA 纖維控制小裂縫穩(wěn)態(tài)開裂，改性PP 纖維控制大裂縫生成，3種纖維在各自尺寸上發(fā)揮作用，并互相協(xié)助，最終達(dá)到協(xié)同增延的效果。

圖10 增延機(jī)理示意圖Fig.10 Mechanism of extended ductility

4 結(jié)論

1)加鋪層對(duì)于復(fù)合路面板的抗壓強(qiáng)度影響較小，可以忽略不計(jì)。

2)加鋪層厚度越大，HE復(fù)合路面板的抗彎曲疲勞性能較PC路面板的提升越顯著，且相同層厚下其改善效果均比CE的優(yōu)。

3)HE的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別為PC和CE的175%和128%。HE-50 的劈裂強(qiáng)度略比CE-50 的大，各試件并未明顯沿層間黏結(jié)面破裂，加鋪層復(fù)合路面板層間黏結(jié)性較為理想。

4)HE成本僅為CE的1/4.65，同時(shí)減少了水泥用量，既節(jié)約成本又符合綠色環(huán)保理念。

5)FA，SF以及EVA的摻入改善了纖維基體界面過渡區(qū)；各纖維亂向搭接橋聯(lián)為水化產(chǎn)物提供更多的成核位點(diǎn)，進(jìn)而形成更加致密、黏結(jié)力更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。