ECC－混凝土黏结界面断裂试验研究

余江滔，许万里，张远淼

（同济大学 结构工程与防灾研究所，上海 200092）

超高韧性水泥基复合材料（ECC）［1］作为一种新型材料备受关注.与传统的刚性建筑材料相比，虽然ECC的弹性模量较低，但有较强的变形能力，具有类似金属材料的拉伸强化特征，其极限拉应变可达3%以上；与传统水泥基材料在轴向拉力下单一裂纹的宏观开裂模式不同，ECC 材料为多条细密裂纹的微观开裂模式，具有优越的裂缝分散能力；使用ECC的结构除了具有抗坍塌能力，还具有高损伤承受能力，遭受地震破坏后的残余裂缝宽度很小，能够极大减少地震后的修补费用.作为修复材料应具有较低的起裂韧度、随着裂缝在修复材料中的扩展其裂缝扩展阻力迅速提高的特点.ECC 材料正好满足这2个条件.用ECC 修复混凝土时，在一定的加载条件下，ECC－混凝土的界面裂缝符合偏折、扩展、捕捉、界面裂缝继续发展的规律，而且ECC 具有延性好、耗能大、可控制裂缝宽度等特点，使被加固的混凝土不会破坏.

Li和Lim［2－3］通过对称与反对称四点弯曲梁试件进行了ECC－混凝土裂缝界面的断裂试验，计算了不同相位角下黏结界面断裂韧性、相对裂缝驱动力与相对裂缝扩展阻力，重点研究了界面裂缝捕捉的条件，结果表明，界面裂缝捕捉与相位角密切相关.此外，Kamada等［4］采用四点弯曲梁讨论了黏结界面的粗糙程度对混凝土罩面层裂缝捕捉的影响，试验表明，光滑黏结的试件能表现出更好的应变硬化效果，会产生多次裂缝偏折现象.王楠等［5］通过ECC与既有混凝土黏结试件的劈拉和剪切试验表明：黏结强度（黏结劈拉强度、黏结剪切强度）随既有混凝土黏结面粗糙度的提高而增大.需要特别指出是，适当的试件尺寸和加载方式能使ECC－混凝土黏结界面处于某种受力环境（比如相位角＞41°），正好可以满足裂缝发生偏折的条件.在实现裂缝的偏折－捕捉－界面发展－偏折过程中，ECC－混凝土的黏结界面越光滑，就越能发挥ECC的优势.当ECC 用于修复混凝土结构时，其黏结界面的位置和受力状况不能保证界面裂缝发生偏折并实现ECC 对裂缝的控制与捕捉，在这种情况下，界面的粗糙度将会影响黏结界面强度，进而会影响整个黏结体系的性能，所以有必要对ECC－混凝土黏结界面的粗糙度和处理措施进行详细讨论.

关于黏结界面的性能测试方法，目前主要分为2类：黏结测试与断裂测试.前者可以得到黏结界面的强度指标，比如受拉、受压、受剪强度最大值，但只能用来区别不同的黏结体系，不能真正反映黏结界面的断裂过程；后者能够得到裂缝在黏结界面偏向和发展的规律，从而揭示黏结界面的断裂机理.本文采用楔入劈拉法研究粗糙度对ECC－混凝土黏结界面性能的影响，以期为ECC在实际工程中的应用提供参考.

1 双材料界面裂缝分析

对于双材料楔入劈拉试验，需要采用截面断裂力学进行分析［6］.图1为双材料楔入劈拉试件与界面裂缝偏折示意图.材料1（混凝土）在上，材料2（ECC）在下，其剪切模量、弹性模量与泊松比分别为Gi，Ei，μi（i＝1，2），在材料2中，有1条偏折裂缝，长度为a，偏折角度为Ω.

对于ECC－混凝土体系，Dundurs参数α，β 分别为：

图1 双材料楔入劈拉试件与界面裂缝偏折示意图Fig.1 Diagrams for the specimens for bi－material WST and the kinking of an interface crack

对于界面裂缝，当满足式（3）时，会发生如图1（b）所示的偏折.

式中：Γi（）为界面断裂韧度，是混合度的函数；Γs为基材断裂韧度；G 为界面裂缝能量释放率；为偏折裂缝最大能量释放率.

双材料试件的混合度可用式（4）进行计算.

式中：ψ 为相位角；ε为振荡因子；L 为试件尺寸.

振荡因子可表达为：

为了简化计算，通常取β＝0，即ε＝0，则相位角为：

式中：KⅠ，KⅡ为偏折裂缝所在材料的强度因子；ω＊为偏折角.

界面断裂韧度Γ（ψ）与相位角的关系［7－8］为：

式中：Γ（0°）表示相位角为0°时的界面断裂韧度.

对于楔入劈拉试件，ψ＝ω＊，ω＊为α，β 的函数，其关系如图3所示［9］.

2 双材料试件设计及楔入劈拉试验

双材料楔入劈拉试件左半边为ECC 材料，右半边为混凝土材料（见图4（a））.在浇筑过程中，先浇筑混凝土试件，待养护完成后，对其用于黏结的一面先进行粗糙化处理，再放入模具中，水平浇筑另外半边的ECC材料，养护28d后进行楔入劈拉试验.

水泥为42.5普通硅酸盐水泥，沙子为细沙，水为普通自来水.混凝土采用C30商品混凝土同批次浇筑，其配合比为m（水泥）∶m（沙子）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.67∶2.85∶0.53.混凝土拌和、浇注时采用插式振捣器振捣，室内自然养护28d.ECC材料采用文献［10］的配合比，并按照一定搅拌顺序进行搅拌浇筑.本文共制备5组试件（见表1）：1组混凝土楔入劈拉试件，1组ECC楔入劈拉试件，3组不同粗糙度双材料楔入劈拉试件.在ECC 楔入劈拉试件与不同粗糙度楔入劈拉试件中，均制备了1组无纤维纯水泥浆试件，以研究纤维材料对黏结界面性能的影响.粗糙黏结面试件分最粗糙面、次粗糙面、光滑面3种.最粗糙面，即自然断开面，用试验机将既有混凝土试块从中间劈开，取其断裂面作为黏结面，并除去断面松动和开裂等不稳定部位；次粗糙面由既有混凝土断裂面经砂轮适当打磨制成；光滑面由既有混凝土自然浇筑面经钢丝刷刷毛后除去表层浮浆制成.

图4 双材料楔入劈拉试件尺寸及加载示意图Fig.4 Loading and the dimensions of specimens for WST（size：mm）

采用1 000kN 电液伺服万能试验机进行楔入劈拉试验，加载示意图如图4（b）所示，由动静态数据采集系统采集试验数据.劈拉试验中，在预制裂缝开口处及预制裂缝尖端安装量程为10mm 的夹式引伸计，以测量试件的裂缝开口位移（CMOD）.在混凝土试件试验中，先以荷载控制加载，加载速率为20N／s，目标值为2 000N，然后以位移控制加载，加载速率为0.15mm／min，至试验结束；在ECC 试件试验中，同样先以荷载控制加载，加载速率为20N／s，目标值为2 000N，然后以位移控制加载，加载速率为0.20mm／min，至试验结束；在双材料试件试验中，以荷载控制的加载速率为10 N／s，目标值为1 000N，以位移控制的加载速率为0.10mm／min，至试验结束.

表1 楔入劈拉试件编号Table 1 Specimens code used during wedge splitting test

3 楔入劈拉试验结果分析

3.1 单材料的楔入劈拉试验结果

在ECC试件的加载过程中，其预制裂缝的尖端处有多条细密裂缝平行发展（见图5（a）），随着水平荷载的加大，细密裂缝逐渐汇集成主裂缝，而附近的细密裂缝趋于闭合，且整个开裂过程伴随纤维断裂声.可以看出，ECC 试件的断面上纤维密集、均匀.混凝土试件在加载阶段，沿预制裂缝处有1条细微裂缝向下发展，荷载随即下降，而后裂缝变宽，并继续向下发展直至贯通.开裂裂缝基本竖直向下，没有分叉裂缝.当荷载变为0（试验结束）时，试件沿预制裂缝方向完全劈开，劈裂面较为平整，且断裂面上有数处骨料拉断.对于没有纤维的纯水泥浆试件（无纤维材料的ECC试件），其破坏过程与混凝土试件相同，只是脆性特征更为明显.由ECC 及混凝土试件的p－CMOD曲线（见图6）可见，ECC 材料的弹性模量小于混凝土的弹性模量；ECC，混凝土与纯水泥浆试件的峰值荷载分别约为12，9，4kN；ECC 试件在峰值荷载后，仍有较好的延性，在CMOD 不断增大时，其承载力基本保持不变，而混凝土、纯水泥浆试件在峰值荷载后，承载力迅速下降，延性较差.

3.2 双材料楔入劈拉试验结果

图5 ECC试件多裂缝开裂模式及断面照片Fig.5 Multiple－crack mode of ECC WST specimens and interface profile diagrams

图6 ECC及混凝土试件的p－CMOD曲线Fig.6 p－CMOD curves of ECC and concrete WST specimens

双材料楔入劈拉试件加载后，裂缝沿原有黏结界面开展，出现的单条裂缝随着加载的进行而逐渐变宽，达到峰值荷载后，CMOD 逐渐变大，荷载不断下降.黏结面断开后，破坏面上有纤维残留，骨料与ECC的黏结界面完全脱开，表面光滑，这说明骨料与ECC的黏结界面是混凝土－ECC黏结界面的薄弱环节.在不同粗糙度黏结面试件断面上，纤维的残余量不同，最粗糙面与次粗糙面试件的纤维残余量较多，光滑面试件的纤维残余量最少（见图7）.根据文献［5］的分析可知，ECC与既有混凝土的黏结是由于ECC的基体填充至混凝土界面的空隙中，并渗透到界面下的混凝土后发生物理、化学反应，在混凝土的凸凹部、孔洞、裂缝等处，形成C－S－H 凝胶、C－H 晶体，从而产生机械咬合力、范德华力和界面化学作用力所致.ECC与既有混凝土的接触面积和界面微细观结构决定了两者黏结面的整体宏观力学性能，当两者间的接触面积增大或界面微细观结构得到改善时，2种材料的黏结强度也会相应提高.因此，黏结面的粗糙度越大，混凝土与ECC在界面处的物理、化学反应就越充分，黏结强度就越大，裂缝偏向ECC的可能性就越大，导致纤维的残余量也就越大.

图7 不同粗糙度黏结面试件的断裂面Fig.7 Interface profile diagrams of WST specimens with different roughness interfaces

图8 不同粗糙度黏结面试件的p－CMOD曲线Fig.8 p－CMOD curves of WST specimens with different roughness interfaces

图8为不同粗糙度黏结面试件的p－CMOD 曲线.由图8可见，由于黏结界面残余纤维的存在，导致双材料试件在达到极限荷载后，荷载并未迅速下降，而是随着CMOD 的增大而缓慢减小；纯水泥浆双材料试件（NRR－2，NR－3）在达到极限荷载后，荷载明显下降，其p－CMOD曲线与纯水泥浆楔入劈拉试件（NECC－6）相同；而最光滑界面试件（NS－6）具有更低的p－CMOD曲线.

表2 楔入劈拉法试验结果Table 2 Test results from WSTs

式中：B，D 分别为试件的厚度和高度；α 为相对缝长，α＝ac／D，ac为临界裂缝长度；pmax为极限荷载.

由表2可见，3 组粗糙度黏结面试件的峰值荷载平均值分别为4.16，4.04，2.37kN，断裂韧度平均值分别为0.37，0.36，0.24MPa·m1／2，峰值荷载与断裂韧度随着界面粗糙度的降低而不断减小，最粗糙面与次粗糙面试件的峰值荷载、断裂韧度比较接近，而光滑面试件的这些参数下降较为明显.经计算，无纤维楔入劈拉试件（NECC－6）的峰值荷载与断裂韧度分别为3.78kN，0.42MPa·m1／2，纯水泥浆双材料试件（NRR－2，NR－3，NS－6）的峰值荷载分别为3.80，3.78，2.43kN，断裂韧度分别为0.34，0.34，0.22 MPa·m1／2.相比于混凝土试件与ECC试件，由于ECC与混凝土的黏结界面为两者结合的薄弱区，在荷载作用下，黏结界面开裂，很难实现界面裂缝的偏折及ECC对裂缝的捕捉，仅仅是黏结界面上残余的纤维使界面破坏稍显缓慢，并具有一定的延展性.

3.3 裂缝偏折破坏与界面破坏分析

参照文献［12］，根据楔入劈拉试验结果，由式（1）得α＝0.26，按图3 得ψ＝10°，再按图8 得G／＝0.898，而ECC的断裂韧度为0.42MPa·m1／2，则由式（3）得界面断裂韧度Γi＞0.38MPa·m1／2，这时界面裂缝将发生偏折.如果采用裂缝偏折判断条件，并根据断裂韧度（见表2）进行判断，则最粗糙与次粗糙界面试件的界面裂缝将会发生偏折，而光滑界面试件的界面裂缝将不会发生偏折，继续沿黏结界面开展.但是，从界面破坏和偏折破坏的综合评价看［13］，当裂缝有向较强材料（混凝土）一侧偏折的倾向时，由于先达到界面破坏准则，将发生界面破坏；当裂缝有向较弱材料（ECC）一侧偏折的倾向时，如果相位角较小（偏折破坏的角度较小），则先达到界面破坏准则，产生界面破坏，如果相位角较大，则先达到偏折破坏准则，将会发生偏折破坏.试验发现，当处于楔入劈拉对称加载时，最粗糙和次粗糙试件主要以骨料－ECC黏结界面破坏及小角度偏折界面破坏为主，而光滑试件主要以界面破坏为主，这也是本文中不同粗糙度黏结界面参数小于ECC 或混凝土参数的原因.

3.4 界面粗糙度对界面裂缝偏折的影响

对于给定的加载条件，界面韧性随界面粗糙度的提高而增大，而对于给定的界面粗糙度，界面韧性明显依赖于混合度，随剪切分量的增大而增大［14］.根据ECC与混凝土黏结机理及试验结果，可以认为提高界面粗糙度将会提高界面的断裂韧度Γ（0°）.假设Γ（0°）1，Γ（0°）2，Γ（0°）3，Γ（0°）4，Γ（0°）5为不同界面粗糙度下相对应的断裂韧度，且满足Γ（0°）1＜Γ（0°）2＜Γ（0°）3＜Γ（0°）4＜Γ（0°）5，可得到不同黏结界面的相对裂缝驱动力与相对裂缝扩展阻力曲线（见图9）.由图9可见，Γ（0°）2，Γ（0°）3，Γ（0°）4的相对裂缝扩展阻力曲线分别与相对裂缝驱动力曲线相交，其交点的横坐标分别为ψ2，ψ3，ψ4，且ψ2＞ψ3＞ψ4，满足界面裂缝偏折；Γ（0°）1，Γ（0°）5的相对裂缝扩展阻力曲线分别位于相对裂缝驱动力曲线的下面和上面，无交点，这说明不管处于何种加载状态，裂缝始终沿界面开展，不会偏折.对于界面韧性为Γ（0°）2，Γ（0°）3，Γ（0°）4的试件，随着界面韧性的提高，界面裂缝满足偏折的相位角逐渐变小.换言之，当提高黏结界面粗糙度时，界面裂缝在加载过程中易于偏向ECC，可实现ECC的裂缝偏折与捕捉.另外，当界面裂缝不满足偏折条件时，界面会出现破坏，此时提高黏结界面粗糙度，可以保证黏结界面有一定强度.这与试验结果相同.

图9 相对裂缝驱动力、相对裂缝扩展阻力与相位角的变化曲线Fig.9 Trend of the relative crack driving force and the relative crack expand resistance with the phase angle

4 结论

（1）在楔入劈拉试验中，最粗糙和次粗糙界面试件以骨料－ECC黏结界面破坏及小角度偏折界面破坏为主，光滑界面试件以界面破坏为主；破坏界面上的残余纤维可使界面破坏稍显缓慢.

（2）3组粗糙度黏结面试件的峰值荷载平均值分别为4.16，4.04，2.37kN，断裂韧度平均值分别为0.37，0.36，0.24MPa·m1／2，双材料试件的峰值荷载与断裂韧度随界面粗糙度的降低而减小.

（3）提高黏结界面粗糙度，界面裂缝在加载过程中易于偏向ECC，可实现ECC 的裂缝偏折与捕捉.另外，当界面裂缝不满足偏折条件时，界面会出现破坏，此时提高黏结界面粗糙度，可以保证其强度有一定程度的提高.

（4）当黏结界面受力状况不明确时，应尽量提高ECC－混凝土界面粗糙度.在实际工程应用中，要合理设置ECC－混凝土黏结界面的位置，避免发生界面破坏，影响ECC效应的发挥.

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