ECC 疲勞損傷規律及微觀結構研究

蔡 靖，劉漢磊，霍海峰，支雁飛，任彥龍

（中國民航大學a.交通科學與工程學院；b.建設保障部，天津 300300）

近年來，隨著基礎建設的迅速發展，傳統混凝土構件[1]在設計基準期內易受到各種可變荷載及地震作用的影響，致使其出現結構變形、承受荷載能力下降等問題，降低了結構安全性能。在傳統混凝土中摻入不同種類的纖維，能夠有效提高混凝土的韌性，但該方法并不能顯著提高改性混凝土構件的抗拉強度，即使在小應變幅度情況下，也可能使其出現疲勞開裂的問題，不利于實際工程應用。

為解決上述問題，學者們對工程水泥基復合材料ECC（engineered cementitious composites）開展了深入研究，并取得了很多有益的成果。纖維材料（如聚乙烯纖維、玄武巖纖維等）具有較高抗拉強度，將其摻入混凝土基體中能夠顯著提升其抗疲勞性能及工程實用價值[2-3]。文獻[4-5]對ECC 的纖維類型、基體組成成分等進行綜合分析表明，高延性混凝土作為一種新型復合材料，在應變硬化、耗能能力等方面均具有良好的性能，尤其是在抵抗周期荷載方面表現出良好的抗疲勞性能。文獻[6]對ECC 構件進行了四點彎曲疲勞試驗，探討其疲勞性能，結果表明，ECC 的疲勞壽命高于普通混凝土；在疲勞破壞中，ECC 構件經歷裂紋產生和擴展兩個階段，并呈現出多裂紋應變特征，具有優異的抗疲勞性能。

在國內，文獻[7]通過彎曲疲勞試驗發現，ECC 在彎曲荷載作用下產生大量細密裂縫，呈現出延性破壞的特點，并隨著應力水平的下降，裂縫數量也呈現下降趨勢；在疲勞應力相同時，普通混凝土的疲勞壽命遠小于ECC，其疲勞極限是普通混凝土的3 倍以上。文獻[8]研究了超高韌性水泥基復合材料的單軸壓縮疲勞性能，結果表明，超高韌性水泥基復合材料與普通混凝土和鋼纖維混凝土三階段的變形特征類似，但該材料在疲勞荷載作用下，具有更優異的變形能力，在疲勞破壞時呈現出更顯著的延性特征。文獻[9]通過單軸抗壓試驗，對纖維摻量達到2%的聚乙烯醇（PVA，polyvinyl alcohol）-ECC 開展研究，獲取其相關試驗數據及力學表征，發現其抗壓強度較傳統混凝土并無優勢，但其峰值應變是傳統混凝土的4～7 倍，極限壓應變是傳統混凝土的5～10 倍；其在受力破壞時產生的不是脆性斷裂而是塑性破壞，并在剛度較低時具有良好的韌性力學響應。文獻[10]系統回顧了ECC 在力學性能、設計理論等方面的工程應用，并就其材料組分及制備等存在的不足和改進方法進行了討論。鑒于疲勞荷載對混凝土結構的破壞較大，隨著ECC 在工程領域的逐步應用且結構構件長期承受振動荷載，此時需要明確ECC 疲勞損傷機理并進行相關防治。

通過分析發現，以上研究大多通過對混凝土構件進行彎曲疲勞試驗，研究構件宏觀變形及疲勞損傷規律，缺少針對軸向疲勞試驗構件及ECC 的疲勞損傷機理分析。本文首先從ECC 的組分選擇和疲勞試驗等方面進行綜述；其次針對軸向拉伸疲勞試件的疲勞損傷階段及裂縫寬度發展進行分析，并利用掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）及數字圖像相關法（DIC，digital image correlation）對試件疲勞損傷后的微觀界面進行觀察和機理分析，為ECC 構件的研究及工程應用提供了參考。

1 ECC 組分及試驗

1.1 復合材料組分選擇

1.1.1 纖維組分選擇

纖維組通常具有較高的抗拉強度及伸長率，能夠有效改善ECC 基體的微結構，并且提高其在拉壓及彎曲條件下的抗疲勞能力。纖維組的選取應滿足以下條件：①纖維應具有較高的抗拉強度，應大于1 000 Mpa；②纖維長度應根據構件尺寸及受荷類型采取適宜長度。若強度不滿足此要求，ECC 無法發揮其抗疲勞性能，導致提前發生疲勞損傷斷裂，危及整體構件安全性能。若其長度過短，在受荷過程中，應力無法在ECC 基體中均勻分布，隨著加載過程的進行，纖維與基體產生剝離，導致ECC 整體破壞；若其長度過長，黏結界面會承受荷載在基體內部產生的應力，導致在纖維某處出現應力集中現象，致使其不能充分發揮抗疲勞性能。

1.1.2 基體組分選擇

纖維摻量確定時，基體彈性模量越低其韌性越好，可充分發揮纖維的抗疲勞損傷能力。增加水灰比可改進ECC 硬化性能，而過高水灰比則使纖維-基體間黏結強度減弱。在工程中應采用適宜的水灰比，可保證試件的基礎強度及應用經濟性。

1.1.3 界面分析

PVA 纖維屬于親水性纖維，纖維與基體之間通過化學黏結與摩擦黏結相固定。親水性纖維的化學黏結作用強于摩擦黏結，在加載過程中其纖維-基體界面處強度增大，導致纖維被拉斷，因此PVA-ECC 受力破壞時屬纖維斷裂型[11]?？刹捎肞VA 作為ECC 的纖維材料進行疲勞試驗。試件為單軸拉伸試驗所定制，其由水泥（P-O 42.5R）、細河砂、粉煤灰（一級粉煤灰）、高效混凝土萘系減水劑、PVA 纖維（按體積設計）和水組成。配合比為水泥662 kg/m3、細河砂331.35 kg/m3、粉煤灰440.90 kg/m3、高效混凝土萘系減水劑176.22 kg/m3、PVA 纖維45.23 kg/m3和水329.19 kg/m3。試件本體尺寸為200 mm×60 mm×50 mm，試件中部向內凹陷形成工字狀試件。

1.2 混凝土疲勞試驗

疲勞荷載根據循環次數一般可分為3 種類型，分別為低周疲勞（<103次）、高周疲勞（103～107次）、超高周疲勞（>107次）。在橋梁及機場道面板的日常使用中，其經歷的循環次數大多為103～107次，即為高周疲勞。此次疲勞加載試驗根據該疲勞工況開展相關試驗。

1.3 試驗方案

試驗采用Instron8803 疲勞試驗機，加載方向為軸向拉伸，通過DIC 實時觀察裂紋擴展。對試件循環加載10 次達到預設的加載應力進行加載試驗。為使試驗數據可靠有效，假設循環次數＞105次的試件不被破壞，則確定試件在此荷載下具有無限的疲勞壽命。試驗加載類型為正弦周期性等應力加載，頻率取3 Hz。

首先，施加靜偏應力（拉力），以靜偏應力為平衡位置，施加正弦波荷載。定義最大拉伸應力比S=2σd/ft，其中σd為動態應力振幅，ft為拉伸強度。在試驗過程中，最大拉伸應力比S 分別為0.70、0.75、0.80、0.85、0.90 和0.95。殘余應變εr取值為每個周期中谷底的應變。鑒于疲勞試驗的離散性較大，每個最大拉伸應力比選擇5 個平行試件。在加載過程中，利用DIC 來測定試件的變形情況。試驗過程中，高速攝像機實時捕捉試件表面均勻分布的斑點。捕捉后的圖像通過軟件對其進行合理的網格劃分計算，以獲取試件各個部位的應力或應變數值，并以不同顏色對其進行標注[12]。疲勞試驗結束后，針對疲勞損壞構件進行切割，而后進行SEM 觀測分析。

2 ECC 損傷階段分析

2.1 ECC 軸向位移發展規律

高延性混凝土由于加入大量纖維，且纖維與基體之間可良好結合，因而ECC 在拉伸疲勞過程中出現裂縫后，仍可承受一定的循環荷載而不會立即斷裂。因此，采用非接觸式的高精度設備對其進行實時監測，從不同方面分析裂紋的發展。

基于試驗結果繪制軸向應變發展曲線如圖1 所示。從圖1 可看出，ECC 疲勞變形經歷4 個階段：第一階段是初始階段；第二階段是穩定發展階段，其占整個周期約1/2；第三階段是加速變形階段，變形率明顯增加；第四階段是破壞階段，此時，試件的變形迅速增加數倍，導致失效破壞。

圖1 軸向位移發展圖Fig.1 Schematic diagram of axial displacement development

2.2 ECC 裂縫寬度變化

裂縫寬度是表征疲勞發展的一個重要特征,可直觀反映混凝土疲勞發展的程度。試件寬度為50 mm，如圖2（a）所示，以右側邊界為坐標零點，假設從左到右為0～50 mm。用3D-DIC 測量在相同應力水平下循環加載時的位移，然后觀察整個疲勞過程中的具體裂紋寬度變化，如圖2（b）所示。

圖2 試件表面橫坐標及對應裂縫寬度分布Fig.2 Surface coordinate and crack width of specimen

圖2（a）對應的是試件表面的橫向坐標圖，圖2（b）在圖2（a）的基礎上進行數據處理，即在同一應力水平下，不同循環荷載次數下ECC 的裂紋寬度發展。從圖2（b）中可以看出，裂紋寬度位于0.03～0.45 mm 之間，呈現出中間低、兩端高的趨勢。循環荷載110 次后，試件兩側均出現裂紋，其寬度為0.03 mm。左側的裂紋寬度大于右側的裂紋。隨著循環荷載次數的增加（1 160～3 170 次），裂紋寬度緩慢增加，從兩端向中間發展。第二轉折點是裂紋從穩定發展階段發展到加速變形階段，當循環荷載3 170 次時，裂紋貫穿整個斷面，此時主要為纖維的橋聯應力抵抗拉應力。循環荷載4 000 次后達到失效振動次數，截面上每個監測點的裂紋寬度大致相同。此后，在幾個振動次數內，變形急劇增加，橋聯應力不能承受負荷，試件發生拉伸破壞。

3 ECC 疲勞特性分析

3.1 疲勞試驗DIC 分析

通過DIC 將試件表面進行詳細網格劃分，經過高速攝像機捕捉噴涂后觀測面在振動過程中網格的疲勞演變過程，從而得到試件表面的位移場和應變場。DIC具有全場測量、抗干擾、精度高等特點，可通過其分析不同循環荷載次數下試件表面的應變分布，進而得到裂縫發展情況，推斷出高延性混凝土的疲勞破壞進程。同一應力水平下的應變和位移云圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 同一應力水平下的試件應變云圖Fig.3 Strain cloud map of the specimen at the same stress level

圖4 同一應力水平下的試件位移云圖Fig.4 Displacement cloud map of the specimen at the same stress level

該應變和位移云圖對應的是每個周期的最大荷載值Pmax的應變及位移。通過對試驗結果分析發現，摻入纖維的高延性混凝土試件在產生明顯可見裂縫后仍能承受一定的循環荷載，且在整個疲勞破壞過程中沒有出現脆性斷裂。此現象是由于ECC 中摻入纖維后提升了抗拉強度及抗疲勞性能，從而韌性得到大幅度提升，避免了脆性斷裂。

隨著試驗的進行，由于試件中部未受到約束，裂縫最初在此段某處開始萌發并不斷向試件內部進行傳播擴展。裂縫形成后，試件整體受力面積下降極易產生應力集中現象，加劇了裂縫的擴展，使其不斷向中部延伸。隨著有效面積逐漸降低，基體中纖維被不斷拔出、拉斷，基體也順勢被帶出，直至試件整體疲勞破壞。

從圖3 和圖4 可看出，循環10 次時，整個區域出現下拉應變，在左上角出現最大值，位移沿對角線均勻下降，應變圖上整個區域的應變很小；循環110 次時，拉伸應變出現在應變圖的左右兩邊，并延伸到中部，在相應的位移圖中，上下兩部分的位移云有明顯差異；循環1 660 次時左右兩邊的應變不斷增加，不斷向中部發展，位移圖中斷裂線下部位移差明顯增大；在循環2 260 次的應變圖中裂紋段的應變持續增大，出現點狀黑色區域，試件左右兩側同時形成較細的裂紋，但沒有形成貫穿；在循環3 170 次的應變圖中，應變連續發展，點狀形成連續的裂紋，此為變形由穩定發展階段轉入加速變形階段的第二轉折點，塑性應變變化的速度加快。試驗表明，形成明顯的貫穿性裂紋后，纖維使試件不會立即破壞，可繼續承受循環荷載。

在循環4 110 次時，為第三轉折點，圖中從加速變形階段變為破壞階段。在應變和位移云圖中，斷裂的快速發展形成貫穿性裂紋，導致試件的失效和破壞。在這個過程中，從主裂縫中發展出少量的分支裂縫。主裂縫的尖端始終沒有發展到一起形成貫穿性裂縫，而是繼續在中間撕裂，形成塊狀區域。其是由于在疲勞破壞過程中，隨著循環荷載次數的增加，裂紋末端的纖維不斷被破壞；兩個裂紋尖端需要發展出更深的裂紋來吸收能量，形成一個上下纖維都被拉開的塊狀區域。試件損傷圖如圖5 所示。

圖5 試件損傷圖Fig.5 Diagram of specimen damage

3.2 斷裂截面SEM 分析

ECC 是多相、多組分的工程水泥基復合材料，其由輕集料、纖維、砂漿以及輕集料-砂漿界面過渡區、纖維-砂漿界面過渡區組成。經過單軸疲勞試驗后ECC發生疲勞損傷，由于纖維對于裂縫具有橋聯作用,使試件可帶裂縫繼續工作直至纖維斷裂及拔出，最后試件斷裂破壞。其損傷是由內部微裂縫和微孔隙的發展引起[13]。為了解ECC 在試件疲勞破壞斷裂下的劣化機制，需要從微觀層面分析材料的拉伸性能和斷裂機制，因而需要對疲勞斷裂ECC 試件斷裂面進行SEM 觀測。

由于混凝土內部本身存在孔隙和微裂縫等初始缺陷[13]，其在循環試驗破壞后將會進一步發展。纖維的加入可改善其原有的缺陷。當混凝土趨于損壞時，纖維對裂縫有橋接作用，纖維吸收部分能量；同時有效地防止了塑性裂紋的產生和內部微裂紋的擴展。圖6 為試件斷裂界面圖，通過對圖6 中試件斷面觀察，ECC中基材與纖維緊密結合，大量纖維分布均勻，體現了較好的分散性。少量纖維存在結塊及分散過度等現象，但整體為隨機分布，提升了材料內部的均勻性。纖維的均勻分散可以使試件在疲勞破壞時各部位的抗疲勞性能更加均衡，避免因斷裂面不均勻而產生應力集中現象。水泥基體出現塊狀凋零和剝落，一方面是由于主體受拉應力作用而斷裂，另一方面是纖維受拉應變作用而整體帶出。破壞后水泥基體大部分保存得比較好，纖維大多被拉斷，以消散能量，抵抗變形和破壞。

圖6 試件斷裂界面放大50 倍圖Fig.6 Fracture section of specimen magnified 50 times

圖7 為纖維-基體損傷界面圖，通過對圖7（a）的觀察，發現水泥水化產物與PVA 纖維緊密相連，界面結構致密。雖然纖維被拉斷，但其表面仍由水泥基體附著，表明PVA 纖維與水泥基體之間存在較強的黏結性。通過局部放大圖像進行分析觀測發現PVA 纖維斷裂末端為細長狀，表明其在試驗破壞階段受到纖維-基體截面應力的影響產生拉伸變形。其表面由于基體材料的剝離產生本體材料損傷，而后直徑逐漸縮小，最終發生斷裂。圖7（b）顯示了放大1 000 倍后的纖維-基體界面。纖維和基體之間的結合界面是最薄弱的環節，其決定了纖維在損傷界面的損傷形式。可以看到3根纖維并排在一起，纖維和水泥漿之間沒有緊密結合。這種情況會大大影響纖維與基體的結合，并在混凝土內形成薄弱區。試件中的大多數纖維顯示出斷裂損壞而不是被拉出。由此可見，水泥-纖維黏結部分較高的阻力抑制了纖維末端的位移，從而使纖維最大限度地保持了試件的完整性。通過提高試件的韌性，可以增強試件的抗疲勞能力，使疲勞破壞時的能量耗散最大化。

圖7 纖維-基體損傷界面圖Fig.7 Damage interface of fiber-matrix

通過SEM 觀察和現象分析，纖維在拉力的作用下發生了變形。試件被加荷載時，纖維吸收大部分能量。在吸能的過程中，纖維逐漸從水泥漿中脫離，導致纖維附近的水泥基體破裂并脫落，在纖維表面存在一些基體殘留物。纖維末端在水泥基質的黏結阻力下被拉斷。端口處沒有撕裂現象，說明受力是軸向的，可以最大限度地發揮抗拉性能。纖維與基體的界面相對完整，兩者之間沒有出現剝離現象。纖維受力拉斷，充分發揮了其抗拉性能。纖維與水泥基體的黏結性能好，可保持試件的完整性。這也是ECC 可充分耗散能量，具有優良的抗拉伸疲勞性能和韌性的重要原因。

通過SEM 對損傷疲勞后的纖維-基體界面的微觀分析發現，大多數纖維斷裂和折斷，但其同時與基體很好地結合在一起，沒有拉出現象。纖維與基體整體耗散能量，是ECC 具有高抗疲勞性能的主要原因。

4 結語

通過DIC 技術及SEM 研究ECC 疲勞損傷規律，同時根據斷裂截面微觀結構分析損傷機理，得到以下結論：

（1）ECC 應變發展規律分為初始階段、穩定發展階段、加速變形階段和破壞階段，其中穩定發展階段約占整個周期的1/2。不同循環荷載次數下ECC 的裂紋寬度呈現出中間低、兩端高的趨勢；

（2）摻入PVA 纖維的ECC 試件在產生明顯可見裂縫后仍能承受一定的循環荷載，且在整個疲勞破壞過程中未出現脆性斷裂，在工作中可避免無預兆的構件破壞、斷裂；

（3）采用DIC 分析發現，疲勞損傷破壞前主裂縫的尖端未形成貫穿性裂縫，中部由于裂紋尖端吸能形成塊狀區域，即構件在充分吸能后損傷斷裂。在工程中可將其用于建筑抗震及關鍵構件沖擊吸能；

（4）通過對纖維-基體界面的SEM 微觀分析發現，大量纖維斷裂和折斷，但其與基體結合較好，可整體耗散能量，是ECC 具有高抗疲勞性能的主要原因，可從微觀層面為ECC 工程應用提供合理依據。