混杂纤维ECC-混凝土复合路面板弯曲疲劳特性研究

2021-10-25高英力卜涛冷政龙国鑫孟浩

中南大学学报（自然科学版） 2021年7期

高英力，卜涛，冷政，龙国鑫，孟浩

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114；2.中建西部建设湖南有限公司，湖南长沙，410004)

为改善结构的工作性、延长结构使用寿命，刚性加铺层在道路中的应用越来越广泛。ECC 具有优异的低开裂潜能和高变形能力，在单轴极限拉伸状态下的应变可达3%～8%，为普通混凝土的300～800 倍[1]。其裂缝宽度可以控制在100 μm 以内，裂缝间距为3～10 mm[2-3]，即多条密集微裂缝，能有效提高结构的抗裂、抗渗及抗盐类侵蚀能力，从而提高结构耐久性[4-5]，是一种较为理想的加铺层材料[6]。ZHANG 等[7-8]和MA 等[9]通过有限元分析，研究了ECC 材料的性能以及将其用于大跨度钢桥面铺装的可行性。结果表明：ECC 材料能够克服普通混凝土的脆性，与沥青、普通混凝土材料相比，在拉伸、弯曲荷载作用下具有较高的变形能力、弯曲强度和疲劳寿命。此外，ECC 的自愈能力可以几乎完全恢复其抗氯离子渗透能力。故ECC 的应用有望大大降低铺装层厚度，延长钢桥面的使用寿命。YUCEL 等[10]以微硅灰混凝土(MSC)作为控制组，研究了不同厚度ECC 加铺层在弯曲和疲劳荷载作用下的力学性能。试验结果表明，在相同几何形状和加载条件下，与MSC 组合梁相比，ECC 组合梁的承载能力、变形能力和疲劳寿命均有显著提高，裂缝宽度控制效果更好。ECC 材料还能在修复系统中有效地消除反射裂缝和分层现象。MA等[11]的研究表明，在准静态及循环弯曲荷载作用下，ECC 加铺层与PCC 加铺层相比，可使机场路面系统的承载力提高100%，变形能力提高7倍，疲劳寿命提高3个数量级。并提出ECC 是通过一种独特的“扭曲和捕获”模式形成裂缝，在这种模式中，裂纹沿着黏结界面传播，随后进入ECC 加铺层，并立即被ECC 的高韧性阻止。这种过程重复进行，直到ECC完全破坏为止。ZHANG等[12]对ECC加铺层的疲劳性能进行了试验研究和理论分析。结果表明：ECC 作为加铺层材料时，组合梁在受弯时的承载能力和以峰值挠度为代表的变形能力均比素混凝土显著提高，其弯曲疲劳寿命不受黏结面的影响。但大部分学者都是利用ECC 加铺层修复既有路面，很少有将其作为新建路面加铺层的研究。

另一方面，常规ECC所使用的聚乙烯醇(PVA)纤维价格昂贵，且水泥用量大，这导致其经济性和环保性较差，进而限制了ECC的实际工程应用。基于绿色环保的趋势，很多学者尝试采用细度较小的工业废渣类材料如粉煤灰[13]、磨细高炉矿渣[14]、硅灰[15]以及惰性石灰石粉[16]等部分替代水泥，发现这不仅可以改善颗粒堆积密度，提高ECC 的力学性能，还能减少水泥用量、实现工业废渣类材料再利用[17]。为了进一步控制成本、提高水泥路面ECC 的性能，部分学者开始使用混杂纤维来增强ECC 材料的延性和强度，期望通过复合改性得到价格便宜、性能优越的ECC材料[18-21]。此外，还有学者向其中加入聚合物[22-24]和纳米颗粒[25]。夏超凡等[26]发现在质量分数为1.5%PVA+0.25%钢纤维(HyFRHDCC)中掺入2%碳酸钙晶须时优化效果最佳，碳酸钙晶须通过裂纹偏转、晶须拔出和裂缝桥联等微观作用机制实现了对HyFRHDCC 压缩性能和拉伸性能的改善。SILVA等[27-28]通过XRD和红外光谱分析了乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)对水泥胶砂水化过程的影响，发现羧基与钙离子的反应产物形成了新的多孔紧密的物相。但尚鲜有人综合以上多种方式对ECC 进行多维度综合改性。

本文作者在现有研究基础上，以粉煤灰、硅灰、水泥作为胶凝材料，旨在通过增强水化效应与颗粒物理挤密效应，实现工业废渣类材料的再利用的同时优化其性能。选用PVA 纤维、表面压痕改性处理的聚丙烯(MPP)纤维和碳酸钙晶须(CW)的混杂纤维增强体系，期望它们在各自尺寸上乱向分布，为水化产物提供更多的成核位点，加速沉淀，形成更加致密的结构。引入EVA 聚合物改善纤维基体界面过渡区，最后将纤维、基体、纤维-基体界面过渡区三者有机地联系起来，以期得到较好的延性。为显著降低成本，还选用一种本地PVA 纤维取代日本可乐丽公司PVA 纤维。通过结合不同尺寸混杂纤维和聚合物的优点制备出绿色环保、延性更高、经济效益更好的基于大掺量粉煤灰-硅灰-水泥三元胶凝体系的混杂纤维协同增延ECC材料，将其加铺于PC基层上形成复合路面板，以CE 及PC 加铺层作为对照组，重点探究各复合路面板的抗弯曲疲劳特性。

1 试验设计

1.1 材料

采用P·O 42.5级水泥(cement，C)，细度43 μm左右的一级粉煤灰(fly ash，FA)，细度为8.3 μm左右的硅灰(silica fume，SF)等作为胶凝材料，其化学组成见表1。采用乳白色高纯石英砂(quartz sand,S)，粒径为0.075～0.150 mm，莫氏硬度为7。采用聚羧酸高效减水剂(HRWR)，减水率为40%。采用日本可乐丽公司生产(PVA-1)和本地生产(PVA-2)的2种PVA纤维以及MPP纤维，各纤维性能参数见表2。碳酸钙晶须CW 来源广泛，价格低廉，性能参数见表3。选用EVA改善界面过渡区，相关指标见表4。为增加基体密实性，还需加入消泡剂。

表1 胶凝材料化学组成(质量分数)Table 1 Chemical composition of cementitious materials %

表2 各纤维力学及几何性能Table 2 Mechanical and geometric properties of fibers

表3 CW力学及几何性能Table 3 Mechanical and geometric properties of CW

表4 EVA性能参数Table 4 Performance indicators of EVA

1.2 配比与试件制备

各组试件配合比如表5所示。PC 采用C40 混凝土配合比，CE 选取日本可乐丽公司推荐的配合比。基于前期大量试验，HE 的制备工艺如图1所示。所有试件拆模后在(20±2)℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护至指定龄期取出进行试验。60 d后进行弯曲疲劳试验。

表5 各组试件配合比Table 5 Mixture proportions of each group kg/m3

图1 HE制备流程图Fig.1 Flow chart of HE preparation

1.3 试验设置

复合路面板板厚设置为100 mm，HE 与CE 各设置3 种不同加铺厚度(h)，分别为板厚的15%，20%和25%，加上PC 组共7 组试件，试件编号如HE-15表示h=15 mm的HE复合路面板。PC作为底基层(厚度h′)浇筑入模，3 h后完成ECC层的加铺，以期获得较好的界面黏结力。采用四点弯曲试验表征荷载作用下ECC 加铺层的抗弯曲性能，利用MTS 万能试验机进行试验，试验装置如图2所示，上下支撑点跨度分别为100 mm 和300 mm。试件长×宽×高为400 mm×100 mm×100 mm。首先测得各试件极限抗弯强度后计算各试件疲劳加载参数，采用力控制加载模式施加正弦波形荷载，频率取10 Hz，应力水平S取0.7，0.8 和0.9。初始加载速率为0.05 kN/s，最大与最小循环荷载比取0.1。

图2 四点弯曲疲劳试验示意图Fig.2 Schematic diagram of four-point flexural fatigue test

参照JC/T 2461—2018“高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法”，抗压强度试件长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm。拆模后放入标准养护室养护至7 d与28 d时移出，用压力试验机进行抗压试验，加载速度为0.5 MPa/s。采用劈裂强度表征层间黏结性，首先制备PC，HE 和CE 共3 组试件探究各自抗拉特性，然后制备HE-50 和CE-50 这2 组试件，探究层间黏结性[29-31]。试件长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm，试验示意图如图3所示。使用压力机完成试验，加载速度为0.05 MPa/s。

图3 劈裂试验示意图Fig.3 Schematic diagram of split test

2 结果与讨论

2.1 抗压试验

设置6组加铺层试验组以及1组普通混凝土对照组共7组试件，每组试验均制备3个试件，并根据规范处理数据，结果如图4所示：HE的7 d抗压强度分别为PC 和CE 的86.9%和88.1%，28 d 抗压强度分别为PC 和CE 的96.4%和91.3%，说明HE的早期强度较低，后期强度发展较快。各加铺层试件的28 d抗压强度较PC有增有减，最大增幅与最大降幅分别为PC 的4.02%与-2.12%，这都在允许试验误差范围之内，因此，认为加铺层对于复合路面板的抗压强度影较小，可以忽略不计。

图4 抗压强度对比图Fig.4 Comparison of compressive strength

2.2 弯曲疲劳试验

弯曲疲劳试验结果如表6所示。水泥混凝土疲劳寿命离散性较大，通常采用两参数Weibull 分布[32-33]对数据进行处理，分布方程如下：

式中：p为存活率；i为疲劳寿命由小到大排列的序数；n为每组试验的试件数；c为形状参数，是ln[ln(1/p)]-lnN曲线的斜率；Np为存活率为p时的疲劳寿命；Na为特征寿命。

根据表6中疲劳试验结果，拟合各组试件ln[ln(1/p)]-lnN曲线，各组试件ln[ln(1/p)]-lnN曲线及c的变化趋势如图5所示。而各拟合线纵轴截距为clnNa，进而求出特征寿命Na，得到相应的Weibull分布参数见表7。

图5 各组试件ln[ln(1/p)]-lnN曲线及c的变化趋势Fig.5 ln[ln(1/p)]-lnN curve of each group and trend of c

表6 疲劳试验结果Table 6 Results of fatigue life test

从图5(a)～(g)可知：PC 在应力水平S 为0.8 与0.9 之间的拟合线间距远大于S 为0.7 与0.8 之间的拟合线间距，而这种趋势随加铺层厚的增加而减弱，加铺层厚度相同时，HE 的这种趋势比CE 的弱，表明S由0.8 增至0.9 时，疲劳寿命降幅更大，随加铺层厚度的增加，这一现象明显得以改善，且HE 改善能力更强。从表7及图5(h)可知：各组试件的c均随S增大而增大，说明S增大会降低疲劳寿命的离散性，其中HE-25在各应力水平下的c均为最大，但S=0.7 时，CE-15 的c反而比PC 的略小，这可能是由于试验误差所致，除此之外，PC在各应力水平下的c均为最小，故可以认为，随加铺层厚的增大，各试验组在各应力水平下的离散性越小、结构越可靠，相同层厚下，HE 比CE 的离散性更小，结构可靠性更高。观察Na的变化，发现2 种ECC 加铺层均增加复合路面板的疲劳特征寿命，层厚越大，复合路面板的特征寿命越大，且相同层厚下HE 的疲劳特征寿命均比CE 的疲劳特征寿命大。

表7 Weibull分布参数Table 7 Weibull distribution coefficient

根据各组试件的Weibull分布参数与式(3)，求出在一般情况(p=50%)及极限状态(p=95%)下的预估疲劳寿命N1和N2[33]，结果如表8所示，然后拟合S-p-N曲线，结果如图6所示，最终得到式(4)所示双对数形式的疲劳方程，各组试件相关参数见表9。表9中：a和b均为与材料性质相关的参数，a越大，试件抗弯曲疲劳性能越好；b越小，试件疲劳寿命对于S的变化越敏感；R2为拟合相关系数；强度折减系数指各组试件达到200万次应力循环而不破坏的预估最大应力水平，强度折减系数越大，试件抗弯曲疲劳性能越好；θ为各组试件相对于PC的强度折减系数增长率。

表8 不同存活率下各试件预估疲劳寿命Table 8 Estimated fatigue life of each specimen under different survival rates

从表9可知：各拟合线R2均大于0.95，说明拟合相关性较好。在2种存活率下，CE与HE的a，b和θ均随加铺层厚度增加而增加，且都比PC的大，而加铺层厚度相同时，HE 的a，b和θ均比CE 的大。说明2 种ECC 加铺层复合路面板的抗弯曲疲劳性能均优于PC路面板的抗弯曲疲劳性能，且层厚越厚，抗弯曲疲劳性能越好，疲劳寿命随应力变化的敏感性越低，相同层厚下HE加铺层的抗弯曲疲劳性能比CE加铺层的优，疲劳寿命随应力变化敏感性更低。

表9 疲劳方程参数Table 9 Fatigue equation coefficient

此外，同组试件的N1远大于N2，说明存活率越小，试件预估疲劳寿命越大。p=95%时的θ增幅更大，从图6可以发现：p=95%时的S-p-N曲线间距更大，表明存活率会影响加铺层对复合路面板抗弯曲疲劳性能的改善效果，p=95%时的改善效果更加明显。

图6 2种存活率下各组试件S-p-N曲线Fig.6 S-p-N curves of each group under two survival rates

通过粗略的经济效益分析，发现HE的单价大约仅为CE 的1/4.65。此外，HE 采用大掺量FA 和SF，减少水泥用量，既节省成本，又符合绿色环保理念。面对高冲击强度和高弯曲荷载的道路工程，其优越的变形能力大大增加混凝土路面的服役寿命。当裂缝宽度低于100 μm 时，还能减少碳化，降低路面水和氯离子的渗透，保证钢筋不被锈蚀，显著增强配筋混凝土路面的耐久性，大大减少养护维修周期与成本。

2.3 劈裂试验

各组试件劈裂强度如图7所示。从图7可知：HE 的28 d 劈裂抗拉强度分别为PC 和CE 的154%和127%，即其劈裂抗拉性能最好，CE-50 的劈裂强度比HE-50 的大，且二者均比PC 的大。图8所示为CE-50和HE-50劈裂破坏面。从图8可知：HE断面上有明显露出的MPP 纤维，显然破裂面上既有ECC又有PC，各试件并未明显沿层间黏结面破裂，此外还有学者提出ECC 组合梁在受弯时的疲劳寿命不受黏结面的影响[11-12]。因此可以认为：复合路面板的层间黏结性较为理想。

图7 各组试件的劈裂强度Fig.7 Splitting strength of each group

图8 2组ECC加铺层的劈裂破坏面Fig.8 Splitting failure surface of two kinds of ECC overlay

3 微观分析与增延机理

疲劳破坏后，在CE 和HE 的疲劳破坏断面处取样，进行微观形貌观测。

图9(a)～(c)所示为CE 的SEM 图。从图9(a)可以看到表面光滑的PVA纤维与FA颗粒独立存在于基体之中，只有少量水化产物黏附于二者表面。从图9(b)可以发现CE 的水化程度很高，六角板状Ca(OH)2和花瓣状的AFm互相交织成网，形成了致密结构，还有较多细纤维状的C-S-H凝胶存在，同时出现较多的微孔。从图9(c)可以看出：大量水化产物堆积形成致密结构，但微孔的孔径及深度较大。总体而言，基体水化程度很高，但微孔较多，基体与纤维黏结性较差，这正是其强度高但基体韧性较低的原因。

图9(d)～(f)所示为HE 微观形貌。从图9(d)可知：PVA 纤维周围水化产物富集，且大量黏附于纤维表面，这与CE显著不同，大大增加了基体与纤维黏结性，推测认为这可能是FA，SF及EVA的掺入优化纤维与基体界面过渡区，使纤维可以更好积聚水化产物，分散更加均匀，并通过成膜加强水泥基体自身的延性，进而改善基体疲劳性能[27-28,34-35]。从图9(e)可知：SF 颗粒被水化产物覆盖，不再孤立在水泥界面里，而且和FA 一起优化微级配，针状AFt晶体和C-S-H凝胶等水化产物聚集，但未出现六角板状的Ca(OH)2晶体。从图9(f)可知：碳酸钙晶须和AFt晶体相互交织成网，为更多水化产物提供成核位点，进一步提升基体的密实度。总体而言，基体水化程度较好，密实度高，几乎没有较大微孔出现，基体与纤维黏结性好，因此其韧性得以明显提升，显著提高复合路面板的疲劳寿命。

图9 2种ECC的SEM图Fig.9 SEM images of two kinds of ECC

根据微观形貌及设计理念，这里给出了增延机理示意图，如图10所示。从图10(a)可知：PVA纤维、MPP 纤维和CW 乱向分布，促进水化产物向纤维处富集，不同的纤维尺寸给水化产物提供更多的成核位点，加速沉淀，EVA 反应物与水化产物多层堆积在纤维周围，加强了纤维和基体的黏结，细集料进一步填充其中，形成更加密实的结构。从图10(b)可知：受力状态下，碳酸钙晶须控制微裂缝在微米尺度的延伸，PVA 纤维控制小裂缝稳态开裂，改性PP 纤维控制大裂缝生成，3种纤维在各自尺寸上发挥作用，并互相协助，最终达到协同增延的效果。