高延性水泥基材料在持載下的自修復行為研究路徑

（重慶工程學院，重慶市，400056） 孫 鳳

（重慶大學土木工程學院，重慶市，400044） 張志剛

（重慶高新城市建設集團有限公司，重慶市，400039） 向秋實

近年來興起的高延性水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite,簡稱ECC），因其獨特的多裂縫、微裂縫的開裂特性，使得水泥基材料裂縫的“自我修復”成為可能，大大提高了基礎設施的耐久性。但是目前針對ECC 材料自修復的研究大都是在卸載后進行的，且研究內容主要集中在宏觀層面，如環境變量對自修復的影響以及力學性能的恢復等方面。本文基于ECC 材料在交通基礎設施工程應用中總是處于持載作用下的實際情況，提出研究在持載下ECC材料的自修復行為的研究路徑，基于微觀力學理論，從多尺度層面探究ECC自修復對其力學性能的影響機理。

1 持載下高延性水泥基復合材料的自修復分析的關鍵點

ECC在持載狀態下，其裂寬約為在卸載狀態下的兩倍，裂寬的不同將會影響自修復產物的形成過程，且纖維自身在持載/卸載下所處的拉伸狀態也不同，因此，持載/卸載兩種狀態必然會影響到自修復后ECC的材料行為，需要揭示持載狀態下ECC的自修復行為及自修復產物在裂縫內的形態與分布狀況。

ECC 的自修復現象使其力學性能（宏觀尺度）有著大幅度的恢復，ECC的力學行為與單條裂縫間的纖維橋接作用（中觀尺度）有關，而單根纖維在基體里的拔出行為（微觀尺度）對纖維橋接作用又有著決定性作用。因此，需要基于微觀力學理論，從三個尺度層面厘清自修復現象對ECC 力學行為恢復的作用機理，并建立理論模型將各個尺度聯系起來。

2 持載下高延性水泥基復合材料的自修復分析的研究方法與技術路線

主要研究方法及技術路線如圖1所示：

圖1 項目研究方法與技術路線圖

2.1 基于自修復功能的ECC材料的研究開發

基于重慶本地/國材料，考慮提高ECC 自修復功能的需求，對材料進行初選和配合比試驗；除傳統ECC的原材料組成組分外，擬輔以摻加一定量的高吸水性樹脂材料（SAP）。考慮到材料纖維分布必須均勻及降低基體斷裂韌性的要求，ECC材料中一般不含粗集料，但可用普通河砂或石灰石粉代替原有配比中的標準硅砂[1]。

利用單纖維拔出試驗（如圖2 所示）得到纖維/基體界面參數（化學粘結能Gd、界面摩擦力τ0和纖維滑移硬化系數β），然后通過對纖維傾角、埋深等積分得到單條裂縫的纖維橋接應力與裂縫張開位移之間的關系（即σ(δ)曲線），并測試不含纖維的ECC材料基體的斷裂韌性，基于ECC設計的強度與能量準則，進行材料設計，確定ECC配比。

圖2 單纖維拔出試驗裝置

2.2 持載狀態下ECC的自修復行為研究

基于上述發展的ECC材料，澆筑后養護至28天齡期，通過單軸拉伸試驗將ECC試件預拉伸至不同的應變水平，參照密歇根大學Victor C.Li教授課題組自制的拉伸持載裝置[J of Cem.Concr.Compos.2016,72:104-113]使得預裂的ECC試件一直處于持荷載狀態，并將其進行干濕循環養護（模擬現實環境中雨天/晴天交替）。利用光學顯微鏡觀測自修復產物的生長過程，同時利用滲透試驗觀測隨著自修復過程的發展，預裂ECC試件滲透系數的變化[2]。

待自修復過程完成后，挑選一部分試件，卸載后通過切割制作出小尺寸試件，以便于進一步觀測分析自修復產物：利用環境電子掃描電鏡（ESEM）、透射電鏡（TEM）等對裂縫表面的自修復產物進行成像表征；對裂縫內的自修復產物進行精確取樣，結合著X 射線能譜分析（X-EDS）、紅外光譜儀（FTIR）、X 射線衍射（XRD）等對自修復產物的具體化學成分進行分析；利用背閃射電子成像（BSE）、高精度的X 射線計算機斷層成像系統（X-CT）結合著后期圖像處理技術研究自修復產物在裂縫空間內的三維立體分布狀態。

對自修復后的ECC 試件進行二次力學拉伸試驗，在拉伸過程中，使用高像素照相機對試件進行拍攝，之后利用數字圖像分析技術（DIC）對照片進行分析，得到自修復前后ECC試件上裂縫的開裂狀態：自修復的裂縫是否重新開裂、是否有新的裂縫產生、再次開裂后的裂縫寬度分布情況；根據二次拉伸試驗數據分析ECC的拉伸應變能力、彈性模量等的恢復水平與ECC 在卸載下的力學行為恢復水平進行對照，得到持載/卸載狀態對其自修復行為的影響。

2.3 多尺度下ECC的力學行為自修復機理研究

2.3.1 宏觀尺度

通過單軸拉伸實驗將ECC 試件預拉至不同的拉伸應變水平，同時在持載狀態下觀測記錄在不同應變水平下，ECC試件的裂縫條數以及每條裂縫寬度；利用統計學原理進行擬合分析，得到在不同應變水平下裂縫寬度分布的概率密度函數P(?,δ)。對預裂的試件卸載后進行自修復環境養護，然后對其再進行拉伸至破壞，得到ECC 的拉伸應變能力、彈性模量等的恢復水平[3]。

2.3.2 中觀尺度

將帶切口試件（保證ECC 試件單縫開裂）進行預裂至不同的裂縫寬度水平（圖3），自修復養護后對試件進行再次拉伸試驗直至破壞。通過比較前后兩次拉伸后ECC 的彈性模量與纖維橋接應力水平，以此評價ECC在中觀尺度下單裂縫的自修復行為。且通過擬合分析得到自修復后ECC 彈性模量的恢復水平與裂縫寬度的關系SE(δ)。

圖3 切口試件的單縫開裂試驗

2.3.3 建立多尺度數學模型

利用數理統計與微觀力學理論建立多尺度數學模型，以a)中的P(?,δ)和b)中的SE(δ)作為輸入參數，在理論上預估自修復后宏觀尺度下ECC的彈性模量恢復水平RE(δ)。同時通過a)中獲得的其彈性模量恢復的實驗值與理論值比較，并對理論模型進行驗證。

2.3.4 微觀尺度

利用單纖維拔出實驗，研究微觀尺度下自修復行為對纖維/基體界面性能的影響，典型的單纖維拔出曲線示意圖（如圖4）。在試驗過程中，當曲線到達Pb 點時（即界面脫粘（debonding）階段結束），即停止試驗并將試件取下放入水中養護，待自修復過程結束后，再對試件進行試驗，得出自修復后纖維/基體界面參數；然后同上述1a)中得到的界面參數進行對比分析得出自修復行為對纖維/基體界面行為的影響。最后基于自修復后得到的纖維/基體界面參數，依據微觀力學理論推算出中觀尺度下單裂縫的纖維橋接應力，并與b)中的試驗值進行對照。

圖4 典型單纖維拔出曲線示意圖

3 結語

通過該路徑的ECC 材料持載下自修復行為研究，將進一步豐富ECC 自修復研究領域的成果，深化對ECC自修復特性的認識，完善該領域的知識體系，提高ECC 材料在實際基礎設施工程應用中（如高速公路橋梁伸縮縫、橋面連接板、隧道襯砌、鋼橋面鋪裝等）的耐久性，延長基礎設施的使用壽命，減少全壽命周期內的維修養護成本，具有較高的社會經濟效益和廣闊的市場應用前景。