高延性纖維增強水泥基材料自愈合行為的試驗研究

摘" 要" 本文介紹了不同因素對高延性纖維增強水泥基材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）的自愈合效果的影響。基于不同的增強纖維制備ECC材料，通過拉伸試驗對試件施加不同的損傷水平（初應變），然后采用不同的養護方式進行養護，最后通過拉伸試驗比較愈合前后材料開裂荷載、拉伸模量和極限抗拉強度的變化。試驗結果表明，養護后的預損傷試件的抗拉強度和拉伸應變能力恢復較明顯，拉伸模量得到部分恢復；預損程度 、纖維品種、養護條件對試件的裂后恢復有顯著影響。

關鍵詞" 高延性纖維增強復合材料， 混凝土， 自愈合， 拉伸強度， 拉伸應變能力

收稿日期： 2023-06-05

作者簡介： 董華忠（1977-），男，本科，工程師。

* 聯系作者： 郭丹雯（1998-），女，碩士在讀。E-mail： kathyguoo@163.com

Experimental Study on Self-Healing Behavior of Engineered Cementitious Composites

DONG Huazhong1" GUO Danwen2，*" YAO Chao1" CHEN Sihong1XIAO Yunyin1" WU Yubing1" WANG fei1

（1.State Grid Jibei Electric Power Co.， LTD.，Tangshan Power Supply Co.，Ltd.， 063000， China； 2.Department of Disaster Mitigation for Structures，Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract" This paper presents an experimental study on the self-healing effect of Engineered Cementitious Composites （ECC） under various conditions. First， specimens were fabricated using two different categories of fibers， and subjected to uni-axial tensile loading to reach different levels of pre-damages （non-linear strain）. Then the specimens were treated in different curing conditions for self-healing. Finally， a series of tensile tests were conducted on the self-healed specimens to evaluate changes in peak tensile strength， tensile strain capacity， tensile modulus and etc. The test results shows the damaged ECCs after healing treatment restored their tensile strength， tensile strain capacity to a certain degree and partial tensile modulus. The damage level， fiber category and curing condition have significant effects on the mechanical properties of ECC after healing.

Keywords" Engineered Cementitious Composites， concrete， self-healing， tensile strength， tensile strain capacity

0" 引" 言

混凝土是世界上最大宗的人造建材，被廣泛應用在土木工程的各個領域。經過工程界近百年不斷的研發，混凝土各方面的性能均得以長足提升，但仍存在諸多不足之處［1］，如抗拉強度低、韌性差和開裂后裂縫寬度難控制等。當混凝土應用于室外不利環境下基礎設施建造時，往往在服役期內出現耐久性問題，導致維護成本上升甚至嚴重的安全問題。為了克服這些缺點，高延性纖維增強水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）應運而生［2］。根據纖維的使用情況，ECC分為碳纖維增強ECC、鋼纖維增強ECC、聚乙烯纖維增強型ECC［3］和聚乙烯醇纖維型增強ECC［4］（Polyvinyl alcohol fiber reinforced Engineered Cementitious Composite，PVA-ECC）等。相比普通混凝土，ECC具有較好的拉伸塑性、控制裂縫能力和抗彎能力。試驗發現，ECC材料具有對缺口的不敏感性。帶初始裂縫的試件仍可表現出應變硬化特點。在彎曲試驗中，PVA-ECC梁表現出良好的抗彎性能，摻入的纖維可明顯提高構件的力學性能和變形能力，有效防止受壓區混凝土的脆性破壞。隨著纖維含量增加，ECC梁的延性有所改善，達到極限荷載時耗能能力增加，較好克服了傳統混凝土材料脆性的缺點［6-7］。PVA-ECC的極限拉應變能力可以穩定在3%左右，在抗震和耐久性防護、修補等方面有著顯著優勢，從而在工程中得到了越來越廣泛的應用［5］。

裂縫自愈合是以混凝土的自修復作為核心，使復合材料對內部或者外部損傷能夠進行自修復、自愈合，使混凝土裂縫得到自我修復，部分或全部恢復其原有的結構和功能，有助于減少建筑滲漏隱患，延長使用壽命。水泥基材料往往具有自生愈合的特性［8］，這種能力來自于其材料本身。在存在水分的條件下，混凝土中未水化的水泥顆粒可以繼續進行水化，從而導致裂縫閉合。國內外眾多學者已經對混凝土的自愈合影響因素進行分析［9］，認為裂縫寬度是影響混凝土自愈合的主要因素之一。ECC的裂縫寬度比普通混凝土小，但目前有關ECC的自愈合研究卻很少涉及到。Li等通過測試ECC在荷載與高氯離子環境下的拉伸特性，揭示了ECC在不利環境下的裂縫自愈合能力［10］。闞黎黎等進行單軸直接拉伸試驗、裂縫寬度測定和共振頻率測試［11］，并得出結論：經過不同程度預拉伸后，ECC試件的殘余應變還可保持預加應變的50%，其主要原因是水泥基的進一步水化以及C-S-H凝膠和CaCO3晶體的生成。ZHANG等測試了自愈合對裂損ECC滲透性的影響，發現裂縫愈合后，裂損ECC的滲透性可恢復到未開裂時的水平［12］。

為探究新的因素對可彎曲混凝土自愈性的影響，本文主要研究ECC材料在不同纖維增強、不同干濕循環條件下的自愈合行為，通過直接拉伸試驗，造成不等的初始損傷（0.5%～1.5%應變），然后將其置于不同條件下進行自愈合［13］，再以拉伸試驗結果量化其自愈合程度。

1" 試件制作和試驗設計

1.1 試件制作

本次試驗采用兩種配方，通過改變其水灰比和纖維種類進行梯度試驗。材料配合比如表1所示。原材料包括P.O 52.5硅酸鹽水泥、80-120目細砂、I級粉煤灰，試驗用減水劑采用聚羥酸超塑化劑VIVID-500（A），纖維采用日本某公司的PVA纖維（TEC-15）和國內某企業生產的SHL-3型PVA纖維，其纖維的物理與力學性能如表2所示。

首先將稱量好的水泥、砂、粉煤灰、水和減水劑加入桶中，采用手持攪拌器桶內攪拌。漿料攪拌完成后，緩慢加入纖維，攪拌均勻后制備拉伸試驗用啞鈴型試件，幾何尺寸如圖1所示。澆注完成后，用保鮮膜覆蓋試件；24小時拆模后取出試件，放置在實驗室里進行常溫養護28天。養護完成后，開始拉伸試驗，第一次拉伸試驗控制兩個級別的初始損傷，即拉伸應變分別為0.5%、1.5%，然后卸載后再次拉伸，以確定材料的殘余拉伸模量。在浸水養護和干濕循環養護前，將受損試件浸于水中并抽真空，使得試件“飽水”。進行不同方式的養護，分別為浸水養護（試件完全浸于水中進行養護）和干濕循環養護，各20天。在干濕循環養護中，試件浸水1天后，在空氣放置1天，共進行10個循環。養護20天后，進行第三次拉伸（愈合后拉伸）試驗，直至試件破壞，得出試件應力-應變的完整曲線。配合比I對應的試件編號為S系列（SHL-3纖維），配合比II對應的試件編號為T系列（TRL-15纖維），詳細的試驗方案如表3所示。

1.2 試驗儀器與數據采集方法

試驗加載采用LDS-5型電子拉力試驗機，試驗機最大試驗力為5 kN，并采用拉線式位移計進行位移測量，如圖1所示。為了記錄試件表面裂縫發展情況，采用數字圖像相關法Digital Image Relation（DIC）方法進行裂縫及應變場的采集。拉伸試驗前，在試件中間部分噴黑白兩色啞光漆，即制造人工散斑。在使用攝影測量得到系列圖像之后，使用Vic-2D軟件進行分析，通過設置不同的參數，得到數據分析結果。

2" 試驗現象與結果分析

2.1 試驗現象

在第一次拉伸中，兩組試件均出現多條微裂縫，拉伸應變0.5%的ECC裂縫較細，均小于100 μm；拉伸應變1.5%的ECC個別裂縫比較大，大于100 μm。與S組相比，T組試件的裂縫更加均勻，裂縫寬度較細；兩組試件的第一次拉伸詳情見表4。

第二次拉伸試驗中，試驗人員將試件拉伸至應力-應變曲線的斜率改變點，由此計算拉伸模量，注意拉伸模量與普通的材料彈性模量不同，前者是材料受損后的模量，后者為未受損模量。第二次拉伸情況與第一次拉伸后的情況相同，沒有寬度較大的裂縫出現。經過20天自愈合養護后，進行第三次拉伸試驗。在拉伸應變達到3%時，S組ECC試件均發生拉伸破壞（除了S5）。相比而言，T組試件表現良好，其應變能力遠超過3%，試驗現象描述見表5。

2.2 Vic-2D圖像處理結果

DIC技術配合Vic-2D圖像處理軟件，可以得到纖維ECC側邊裂縫的相關數據和發展情況，如裂縫出現的順序、裂縫的數量、裂縫的寬度等。圖2是T-0.5%-W-2試件進行第一次拉伸試驗時側邊裂縫的發展情況。如圖2，隨著應變的增加，試件不斷出現裂縫，并最終趨于“飽和”。如圖3所示，第一次拉伸試驗（拉伸應變0.5%）后試件出現裂紋，養護后，裂縫有一定程度的愈合。

2.3 數據處理及分析

2.3.1 拉伸應力-應變曲線

圖4為無預損試件（Su試件）的應力-應變曲線。為使圖表更加清晰，圖5均只保留平均值。如圖5所示，（a）—（d）分別為S組預拉應變0.5%和1.5%和T組預拉應變0.5%和1.5%試件組的拉伸應力-應變曲線；（e）—（h）分別為S組預拉應變0.5%和1.5%和T組預拉應變0.5%和1.5%試件組愈合后的拉伸應力-應變曲線。

將圖5（a）—（h）中的數據進行整理，如圖6所示。初損傷為0.5%的試件中，S組試件在愈合前的峰值抗拉強度為2.48 MPa，對應的應變是0.43%，愈合后的峰值抗拉強度為3.45 MPa，對應的應變是2.16%；T組試件在愈合前的峰值抗拉強度為3.12 MPa，對應的應變是0.5%，愈合后的峰值抗拉強度為4.39 MPa，對應的應變是3.31%；初損傷為1.5%的試件中，S組試件在愈合前的峰值抗拉強度為2.51 MPa，對應的應變是0.66%，愈合后的峰值抗拉強度為3.97 MPa，對應的應變是4.49%；T組試件在愈合前峰值抗拉強度為3.36 MPa，對應的應變是0.365%，愈合后的峰值抗拉強度為4.96 MPa，對應的應變是7.71%。經過養護后，不同初損傷的試件的極限抗拉強度均有一定程度的上升。

從愈合后拉伸時抗拉強度的提升程度來看，S組試件的愈合量小于T組試件的愈合量，預拉應變為0.5%的試件愈合量小于預拉應變為1.5%的試件愈合量。T組試件組比S組顯示出了更優異的拉伸應變-硬化性能。S組的平均峰值抗拉強度介于1.7～2.53 MPa，僅有1組的拉伸應變超過3%；T組的平均峰值抗拉強度介于1.87～3.36 MPa，拉伸應變能力均超過3%。因此可以看出，TRL類纖維相比于SHL類纖維具有更好的增強、增延效果。

如圖7所示，浸水養護的試件在愈合前的平均峰值抗拉強度為2.48 MPa，愈合后的平均峰值抗拉強度為3.41 MPa，提升0.94 MPa；干濕養護的試件在愈合前的平均峰值抗拉強度為2.07 MPa，愈合后的平均峰值抗拉強度為2.44 MPa，提升0.37 MPa。相比于干濕養護，浸水養護對抗拉強度提升更加明顯。

2.3.2 拉伸模量分析

根據拉伸應力應變曲線，可以擬合出線性變化階段的直線段，并且由直線段斜率得到拉伸模量。如圖8所示，T8試件的第一次和第二次拉伸應力應變曲線的直線段擬合出線性方程。假設第一次拉伸模量為100%，則殘余拉伸模量為15.1%。按此方法得出S組和T組的殘余拉伸模量，如表6、表7和圖9所示。S-0.5%和S-1.5%組試件的平均初始模量為59.04 GPa和46.29 GPa，T-0.5%和T-1.5%組試件的平均初始模量為74.01 GPa和32.56 GPa，隨著初始應變的增加，裂紋數量逐漸增加，曲線斜率趨于平緩，初始模量逐漸減小，即初始模量隨著應變的增大而減小。S-0.5%和S-1.5%組試件的平均殘余拉伸模量為12.8%和7.93%，T-0.5%和T-1.5%組試件的平均殘余拉伸模量為19.5%和19.58%。同樣，T組試件的表現優于S組試件，在預拉伸應變達到1.5%時，T組試件的殘余拉伸模量降幅遠小于S組試件。

基于第三次拉伸試驗結果，再次線性擬合愈合后試件的拉伸模量。比較殘余模量和愈合后模量，可以了解ECC自愈合的情況。愈合后拉伸試驗中，多數S組試件的拉伸應變未達到3%，因此不探討S組的模量愈合情況，只針對T組進行比較，其結果如表7所示。計算得平均殘余模量為19.4%，平均愈合模量為46.4%，如圖10所示。

從表8和圖11可以看出，經過兩種方式養護后的ECC拉伸模量均有所恢復。由此證明，適當的養護可以促進ECC裂縫的自愈合以及力學性能的部分恢復。

3" 結" 論

（1） PVA纖維增強的ECC具有較高的拉伸延性和較好的裂縫控制能力。在愈合拉伸試驗中，S組的部分試件的拉伸應變超過2.5%，而T組的8個試件（采用進口纖維）拉伸應變均超過2.5%，部分T組試件的拉伸應變超過了5%，說明纖維種類明顯影響水泥基材料的增韌效果。

（2） 經養護處理，預損傷的ECC的極限抗拉強度有所恢復和提升，預損1.5%的試件愈合度大于預損0.5%試件的愈合度，浸水養護的試件愈合度大于干濕循環愈合度，T組試件的愈合度大于S組試件的愈合度。

（3） 經養護處理，預損傷的ECC材料的拉伸模量均有所恢復，但未達到預損之前的水平，在較高的損傷水平下（1.5%），浸水養護的試件愈合度大于干濕循環愈合度。

試驗證明，在濕潤的養護條件下，ECC裂縫處未消化顆粒可發生水化反應，從而部分恢復其基體的拉伸性能。本研究成果可為惡劣環境下混凝土材料的耐久性修復方法提供一定的參考和依據。

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