玄武岩纤维-水泥自修复复合材料断裂能的研究

倪 卓，邢 锋，黄 战，石开勇

1)深圳大学化学与化工学院，深圳518060;2)深圳大学土木工程学院，深圳518060

传统混凝土材料在使用过程中存在不同程度的裂缝，影响材料的结构和力学等性能，损害混凝土的耐久性.通过自修复技术在材料基体内部预先埋置填充胶黏剂的微胶囊，当基体材料受外力作用产生裂纹，裂纹扩展导致微胶囊破裂释放出胶黏剂修复裂纹，这种方法可以在一定程度上实现对材料基体的修复.因此自修复混凝土对确保重大建筑工程的安全性和耐久性具有重要的意义，在减轻台风、地震等自然灾害造成的损害方面具有很大的应用潜力［1］.邢锋和倪卓等［2-4］研究了自修复混凝土的制备方法，通过测试材料损伤前后的力学性能，计算材料力学性能的修复率和恢复率，表征材料的自修复性能［5］.该方法测试简单，数据分析容易.由于力学性能数据离散系数相对较大，不能充分反映出水泥基复合材料破坏过程的变化和材料修复前后微观结构的变化，因此，在自修复表征方面还需深入研究.混凝土断裂能是在混凝土断裂过程中，裂缝扩展单位断裂面积所消耗的能量，通过能量观点分析混凝土的断裂过程，更符合实际的断裂情况［6］.断裂能概念最初由Petersson［7］引入混凝土的，Hillerborg［8］虚拟裂缝断裂模型的提出，对断裂能的定义给出了更为精确的概念，指出断裂能是考虑混凝土软化特性的断裂参数，是描述混凝土结构断裂特性的重要参数.目前的研究侧重于分析混凝土断裂能，这个参数已经成为结构设计中必须考虑的因素［9］.常用的断裂能测试方法有直接拉伸法、楔劈拉伸法和三点弯曲法.由于直接拉伸法必须在具有伺服系统的材料试验机或刚性试验机上进行，并且对试件的尺寸要求精确，试验难度较大.三点弯曲法降低了采用直接拉伸法测定断裂能对试验机刚度、试件制作及试验操作技术的要求，简化了试验操作，便于普通的实验室更为系统地研究混凝土的断裂能［10］.目前三点弯曲法通常被推荐为混凝土断裂能的标准测试方法.本研究采用国际材料与结构研究实验联合会 (International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials，Systems and Structures，RILEM)的三点弯曲法［11］对水泥基复合材料进行断裂能测试，研究纤维掺量、纤维长度、微胶囊质量分数、水灰质量比对断裂能的影响，分析断裂能测试的水泥试块抗折强度、抗压强度与断裂能的关系，测试纤维/水泥自修复复合材料断裂能的自修复性能，为自修复混凝土断裂力学研究提供了试验基础.

1 试验

1.1 试验试剂

实验用水泥为深圳海星小野田P.O.42.5普通硅酸盐水泥;水为普通自来水;玄武岩短切纤维由东莞市俄金玄武岩纤维有限公司生产，主要性能见表1;环氧树脂微胶囊为自制;MC120D固化剂微胶囊由广州川井电子材料有限公司生产;双酚A型环氧树脂E-51购自深圳吉田化工有限公司;正丁基缩水甘油醚购自上海邦成化工有限公司;四乙烯五胺购自国药集团化学试剂有限公司.

表1 玄武岩纤维主要性能参数Table 1 Main property parameters of basalt fibers

1.2 试样制备

1.2.1 脲醛-环氧树脂微胶囊合成

按n(尿素)∶n(甲醛)=1.0∶1.5加入到三口烧瓶中，搅拌溶解后，调节pH值至8～9，升温至70℃，搅拌回流下反应1 h，得到黏稠透明的聚脲树脂预聚体;按一定的囊芯和囊壁比例加入环氧树脂E-51，搅拌乳化20～30 min后，调节体系pH值至1.0～4.0，待微胶囊完全形成后，60℃下反应固化2 h，经过滤、洗涤和干燥后得到微胶囊产品［12］.

1.2.2 纤维-水泥复合材料试样制备

将玄武岩纤维与水泥、微胶囊、MC120D固化剂粉末混合，在水泥净浆搅拌机上慢速搅拌，均匀混合后，加入水和四乙烯五胺固化剂，继续搅拌至浆体混合均匀，将复合材料浆体装入40 mm×40 mm×160 mm的三联模，插入厚度为0.5 mm、高度为20 mm的钢片，在标准养护箱养护1 d后抽掉钢片，形成一条20 mm×40 mm的预制裂缝，水中养护28 d后取出进行断裂能测试.

1)纤维掺量影响试验.试样中玄武岩纤维长度为20 mm，纤维掺量分别为0、2、4、6、8和10 kg/m3，水灰质量比为0.3.

2)纤维长度影响试验.试样中玄武岩纤维长度分别为10、20和30 mm，纤维掺量4 kg/m3，水灰质量比为0.3.

3)微胶囊质量分数影响试验.试样中微胶囊质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%和5%，水灰质量比为0.3.

4)水灰质量比影响试验.试样中玄武岩纤维长度为20 mm，纤维掺量为4 kg/m3，水灰质量比分别为0.25、0.30、0.35和0.40.

5)计算试验中带缺口的水泥复合材料试样的抗折强度，并对折断后的试样进行抗压强度测试.

6)自修复性能表征.制备纯水泥(A1)、纤维-水泥复合材料(A2)、微胶囊-水泥复合材料(A3)和微胶囊纤维-水泥复合材料(A4)4种水泥试样进行测试，样品配比见表2.

表2 自修复水泥复合材料组分配比Table 2 Mix ratios of the self-healing specimen

1.3 测试方法

1.3.1 断裂能测试

1)试验方法:切口梁试件的三点弯曲试验在电子万能试验机上进行.荷载和位移传感器均与数据采集仪相连，可直接得到三点弯曲切口梁的荷载-位移曲线.根据试验测得的复合材料切口梁试件的荷载-位移曲线，分别计算复合材料外荷载所做的功、梁与加载附件重力所做功以及梁的断裂能.

2)断裂能计算方法:断裂能是指形成断裂区单位面积所需消耗的能量大小，可由反映材料力学特征的荷载位移曲线 (软化曲线)下的面积确定.混凝土直接拉伸试件断裂区应力与附加变形量之间的关系即为材料的软化曲线，该曲线不受试件尺寸及应力状态的影响，可视为材料参数［13］.软化曲线下与横轴所包围的面积是混凝土断裂区损伤破坏过程中所吸收的能量，即断裂能.

本研究采用文献［14］的三点弯曲试验方法，通过带切口的三点弯曲水泥试样确定水泥复合材料的断裂能，如图1.其中，裂缝长度为a，试件高度为h，a/h=0.5，实验机加载速度为0.05 mm/min，混凝土断裂能为

其中，W0为施加于梁跨中的外荷载所做的外力功(N·mm)，即三点弯曲梁荷载-变形曲线下的面积，为支点间梁及与梁连接的加载装置质量 (单位:kg);g为重力加速度 (本研究取9.8 m/s2);δ为梁最终破坏时的变形值 (单位:mm);Alig为与梁正交的断裂区域面积 (单位:mm2).图2为4种材料进行三点弯曲试验的荷载-位移曲线，曲线下面积即为W0的值.

图1 标准三点弯曲切口梁Fig.1 A standard three-point-bending notched beam

图2 材料的荷载-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of the materials

1.3.2 自修复性能测试

对材料样品进行损伤前的断裂能进行测试，记为Ⅰ0;对材料进行预压损伤，采用50%的极限荷载进行预压，对损伤后的试样直接进行断裂能测试，记为Ⅰ1;损伤后的材料在常温下修复7 d，测试修复后的断裂能，记为Ⅰ2.采用式(2)和式(3)计算各组试件的相关断裂能的修复率和恢复率.

2 结果与讨论

2.1 断裂能的影响因素

2.1.1 玄武岩纤维

纤维掺量对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图3，随着纤维掺量的增加，复合材料的断裂能呈增长趋势，当纤维掺量为10 kg/m3时，复合材料的断裂能达到107.89 N/m.为更好体现纤维对水泥基体断裂能的影响，通过复合材料的断裂能与同配比的纯水泥断裂能的比值［15］(增益比)来体现纤维的作用.

图3 纤维掺量对水泥断裂能的影响Fig.3 Influence of mass contents of fibers on the fracture energy of cement

纤维掺量对复合材料断裂能增益比影响的试验结果如图4所示，随着纤维掺量的增加，复合材料的断裂能增益比呈逐渐增大的趋势，当纤维掺量为10 kg/m3时，断裂能增益比达到2.64，与纯水泥相比，断裂能增加了约1.6倍.这是因为纤维可以在水泥基体中均匀分散，在初始裂缝前端形成比较密集的纤维网络，在裂缝扩展区域形成纤维密集的阻裂带，裂缝在扩展时需要不断绕过纤维阻挡或者直接穿过纤维，扩展路径比较曲折，因此复合材料断裂过程中所需要能量增大.随着纤维掺量的增加，这种阻碍作用更加明显［16-17］.

图4 纤维掺量对水泥断裂能增益比的影响Fig.4 Influence of mass contents of fibers on the gain ratios of the fracture energy of cement

图5(a)为纤维-水泥复合材料断面形貌，电镜照片显示纤维在水泥基体中均匀分散，水泥基体承受荷载产生裂缝，纤维搭接在裂缝两端阻止裂缝扩展，裂缝继续扩展，纤维被拉断，图5(b)为纤维被拉断的断面特征，呈现微观韧性破坏.这种阻碍作用提高了水泥复合材料的断裂能和延性［18］.

图5 纤维水泥复合材料断面形貌Fig.5 Fracture morphology of the fiber-cement composite

纤维长度对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图6和图7所示，当纤维长度分别为10和20 mm时，纤维长度对水泥断裂能的影响不明显，断裂能均在70 N/m左右;当纤维长度达到30 mm时，水泥材料断裂能下降幅度较大，约下降了21%，增益比下降了约0.4.纤维长度较长影响了纤维在水泥基体的分散，使纤维产生团聚或者集束现象，裂缝可以沿着纤维密度较小的地方快速扩展，复合材料断裂过程中所需要的能量减少.

图6 纤维长度对水泥断裂能影响Fig.6 Influence of lengths of fibers on the fracture energy of cement

图7 纤维长度对对水泥断裂能增益比的影响Fig.7 Influence of lengths of fibers on the gain ratios of fracture energy of cement

2.1.2 微胶囊质量分数

微胶囊质量分数对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图8，随着微胶囊质量分数的增加，复合材料的断裂能呈先增后降趋势，较小的微胶囊质量分数能提高水泥断裂能，当掺量达到2%，断裂能达到最大值，随后随着微胶囊质量分数的增加而降低.

微胶囊质量分数对复合材料断裂能增益比影响的试验结果如图9，当质量分数为1%和2%时，复合材料断裂能增益比大于1;其他质量分数条件下，断裂能增益比均小于1，当质量分数达到5%时，断裂能增益比仅为0.83.少量微胶囊可以填充水泥材料的孔隙，改善水泥浆体成型时的流动性，使试样成型后的密实度提高.当裂缝产生时，孔隙中的微胶囊在应力作用下发生变形或破裂，起到了延缓裂缝扩展的作用，增加了水泥基体的韧性和能量的消耗，如图10所示.由于微胶囊的模量和强度比水泥基体低很多，如果在水泥基体中加入大量微胶囊，相当于在材料中形成“空洞”缺陷，裂缝会沿着受力比较薄弱的界面过渡区扩展或者直接穿过微胶囊，复合材料断裂过程中消耗的能量会降低［19］.

图8 微胶囊质量分数对水泥断裂能的影响Fig.8 Influence of microcapsules mass fractions on the fracture energy of cement

图9 微胶囊质量分数对断裂能增益比的影响Fig.9 Influence of microcapsules mass fractions on the gain ratios of fracture energy of cement

2.1.3 水灰质量比

水灰质量比对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图11所示，随着水灰质量比的增大，复合材料的断裂能呈降低的趋势，当水灰质量比由0.25增至0.30时，断裂能降幅最大，随后下降幅度较小且大致均匀.水灰质量比增大会引起水泥硬化时的孔隙数增加，水泥基体界面性能变差，因此复合材料在受荷载作用时，裂缝容易扩展，消耗能量降低，断裂能呈下降趋势;不同水灰质量比的荷载-位移曲线如图12，水灰质量比较低时，混凝土的脆性较大，峰值荷载后曲线下降段陡峭，水灰质量比越小，三点弯曲试验试件破坏的极限荷载越小，但是与坐标轴围成的面积比仍较大，因此断裂能依然较高.当水灰质量比为0.40时，峰值荷载后曲线下降段较为平缓，这说明水灰质量比的增加可以在一定程度上延缓水泥被破坏的过程，增加复合材料的韧性.

2.2 断裂能与强度分析

水泥复合材料断裂能与强度分析试验配比与结果如表3.图13(a)显示，水泥复合材料断裂能随着复合材料的抗折强度的增大而增大，线性拟合系数R2=0.86.图13(b)显示，断裂能与抗压强度之间没有明显的规律，随着抗压强度增加，断裂能呈散乱分布.抗压强度是表征水泥材料力学性能的指标，代表材料所能承受的极限荷载强度，而断裂能是断裂过程消耗能量值，当材料达到极限荷载后，材料破坏仍需要能量，因此材料的抗压强度不能反映材料的韧性的变化［20-21］.

图10 微胶囊在压力作用下的变形和破裂Fig.10 Deformation and breakage of microcapsulesunder the compressive stress

图11 水灰质量比对水泥断裂能的影响Fig.11 Influence of mass ratios of water to cement on the fracture energy

图12 不同水灰质量比的荷载-位移曲线Fig.12 Load-displacement curves of materials with different mass ratios of water to cement

2.3 玄武岩纤维-水泥复合材料自修复性能

根据式(1)至式(3)分别计算纯水泥(A1)、纤维-水泥复合材料(A2)、微胶囊水泥复合材料(A3)和微胶囊纤维-水泥复合材料(A4)4种水泥试样的断裂能、修复率和恢复率，结果如表4.其中，纯水泥和纤维-水泥复合材料在经预压后断裂能下降较大，修复损伤后的材料，断裂能并未升高，说明不含微胶囊的试样不具备对微裂缝自修复的能力;修复损伤后的微胶囊水泥复合材料，断裂能有所升高，说明微胶囊具有修复水泥基体微裂缝的能力，修复率为67.72%，恢复率为88.69%;修复损伤后的微胶囊纤维-水泥复合材料，断裂能进一步升高，说明微胶囊纤维-水泥复合材料具有更好的修复效果，其修复率为80.15%，恢复率为95.52%.水泥试样经预压后，基体会产生微裂纹，裂纹扩展至微胶囊将使之破裂流出修复剂，修复剂与固化剂反应黏结裂缝.当裂缝被黏结时，水泥试样再次断裂时断裂能必然升高，因此断裂能可以很好的反映裂缝的修复情况.纤维的加入可以提高微胶囊对水泥基复合材料的修复率，因为纤维可以横跨在裂缝两端起桥接作用，延缓水泥的破坏过程，为微胶囊的修复剂黏结裂缝创造条件，所以微胶囊纤维/水泥复合材料比微胶囊水泥复合材料具有更高的修复率及恢复率.

表3 材料的强度、断裂能测试结果Table 3 Test results of strength and fracture energy of materials

图13 材料强度与断裂能的关系Fig.13 Relations between the strenth and the fracture energy of materials

微胶囊纤维-水泥自修复复合材料修复前后的荷载-位移曲线如图14所示.其中，1号试样为直接采用三点弯曲法测试试样断裂能;2号试样为采用极限荷载的50%的力进行预压损伤并在室内放置5 min后进行断裂能测试;3号试样为预压损伤后，在自然状态下修复7天后再进行断裂能测试.由式(1)可知，荷载-位移曲线下的面积越大，断裂能越大.1号试样曲线下面积大于2号试样曲线下的面积，表明水泥试样经损伤后断裂能有所下降;3号试样曲线下的面积大于2号试样，表明水泥试样经修复后断裂能有所提高.虽然微胶囊的加入会降低水泥的峰值荷载，但同时对水泥材料有一定的增韧作用，使曲线下降段平缓;纤维的加入可以极大的改善水泥的延性，对水泥的峰值荷载影响较小，荷载-位移曲线下降段非常平缓，曲线下面积变大，消耗的断裂能增大，表明微胶囊实现了对纤维-水泥复合材料的自修复作用，纤维与微胶囊的协同作用也在一定程度上提高了自修复效率.

表4 水泥复合材料自修复性能Table 4 Self-healing performance of the cement composites

图14 微胶囊纤维-水泥复合材料修复前后荷载-位移曲线Fig.14 Load-displacement curves of microcapsule fiber-cement composites before and after healed

结 语

玄武岩纤维水泥复合材料的断裂能随着纤维掺量的增加而递增，同时，断裂能增益比也随之逐渐增大;微胶囊质量分数的增加使纤维水泥复合材料的断裂能呈先增后降趋势，当质量分数达到2%时，断裂能最大;随着水灰质量比的增加，纤维水泥基复合材料的断裂能呈降低趋势;含有纤维材料的荷载-位移曲线下降段平缓，而未加纤维材料的曲线下降段较陡，这说明纤维可以增加水泥材料的断裂能，延缓水泥材料破坏;断裂能与抗折强度有一定的线性关系，与抗压强度关系不明显.材料经损伤后修复，断裂能修复率为80.15%，恢复率为95.52%;断裂能测试离散性小，重复性好，可以准确真实的表征材料的自修复性能.

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