环保韧性水泥基复合材料损伤自愈合试验*

鲍文博， 付云鹏， 王东旭

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

随着现代材料科学的不断进步，作为最主要建筑材料之一的水泥基材料已经逐渐向高强、高性能、多功能和智能化的方向发展，但水泥基材料的开裂仍是建筑工程界不可避免并严重影响到建筑物质量的关键问题之一[1].因荷载、高温下的体积变化、徐变、收缩以及冻融等因素导致的裂缝不仅影响了材料的力学性能，还为水分和氯离子等有害介质的侵入提供了便捷通道，加速了材料的破坏以及钢筋的锈蚀，导致其耐久性劣化.众所周知，所有的钢筋混凝土构件都不可避免地会产生裂缝，传统混凝土结构毫米级以上的裂缝不仅对耐久性的影响较大，而且对于裂缝的自愈合也较难实现.因此，寻求一种既能最大程度降低裂缝宽度，又无需外界干扰的新型水泥基材料变得尤为迫切，这已成为混凝土耐久性研究中急需解决的重要课题.

裂缝自愈合是指在无外界作用的情况下，材料本身具有自我恢复、裂缝有愈合的能力.裂缝自愈合可以减小裂缝的宽度，从而使材料的耐久性及力学性能得以提高，这对于提高结构的安全性以及延长建筑工程的使用寿命至关重要.

水泥基复合材料自愈合的实质是损伤部位未水化或水化不充分的胶凝材料发生进一步水化反应，生成新的水化产物弥合裂缝的过程[2].通过对产物的化学分析，得出裂缝中的主要产物是水化硅酸钙凝胶以及碳酸钙晶体[3-4].水泥基材料的自愈合取决于材料的组成成分、损伤龄期、养护环境和自愈合养护龄期等[5-6].然而，对于掺入了尾矿砂的环境韧性水泥基复合材料自愈合试验却尚未有研究.

本文使用的环保延性水泥基材料(environmental toughness cementitious composities，ETCC)是借鉴ECC技术，以尾矿砂替代天然细骨料开发的一种PVA纤维增强尾矿砂水泥基复合材料，具有裂缝开裂受控的特点.尾矿砂不仅能够满足水泥基复合材料的工作性能，使得水泥基复合材料具有良好的韧性，而且使用大比例尾矿砂来替代细骨料可以有效减少天然砂的消耗、促进尾矿砂的废旧利用，对节约资源和改善环境，促进矿业资源的可持续发展，具有积极重要的意义.本文通过对ETCC试件进行弯曲试验，使试件产生裂缝，从损伤龄期、自愈合龄期和养护环境入手，对ETCC自愈合前后的损伤进行分析研究.

目前，对于水泥基材料自愈合的研究方法有很多，最常见的有从强度[7-8]、外观、抗渗和产物分析等方面进行研究分析.本文使用共振频率检测技术对ETCC试件进行测试，因为共振频率检测技术具有快速、简单、对被测物无损等优点，RF测试技术被众多学者应用于裂缝自愈合的表征之中[9-10].材料损伤后，材料的基本物理性质和材料的性能参数会发生变化，而共振频率与材料的内部结构密切相关，因此，使用共振频率可以对材料的内部损伤进行研究.

1 试 验

1.1 材料和配合比

本文采用大比例固体废弃物制备ETCC，尾矿砂替代天然砂比率达到50%，粉煤灰掺量达到55%.考虑水胶比的影响，共设计2组试验，水胶比分别为0.45和0.50，相应试验组的编号依次为ETCC-0.45和ETCC-0.5，PVA纤维的体积掺量为2%，ETCC其余组分的具体配合比如表1所示.

表1 环保韧性水泥基材料配合比Tab.1 Mix proportion of ETCC

试验采用标号为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料采用粒径为0.15～0.315 mm范围铁矿尾矿砂和天然砂混合细骨料，纤维采用长度为12 mm的PVA纤维，粉煤灰采用电厂一级粉煤灰.PVA纤维的性能指标如表2所示.

表2 PVA纤维的性能Tab.2 Performance of PVA fiber

1.2 试件制备

先将水泥、粉煤灰、砂子和增稠剂干拌2 min，然后加水和减水剂湿拌4 min，搅拌均匀后，再加入纤维搅拌2.5 min，人工将沉入缸底的细骨料搅起后，继续自动搅拌1.5 min.搅拌完成后，将搅拌均匀的拌合物装入尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试模成型，振捣密实后置于标准试验室空气中养护.养护过程中，试件上面覆盖一层塑料薄膜，以防止水分蒸发.养护24 h后，拆模，将试件浸没于水中养护，养护至相应的龄期，以备试验之用.

1.3 试验方法

1.3.1 试件预损伤

根据试验设计的损伤龄期，在达到相应的龄期时，对试件进行四点弯曲试验压至破坏，确定该组试件的破坏强度，然后将准备预裂的试件用相同的压力试验机、加载方式和加载速度，按照破坏强度的75%荷载对ETCC试件进行加载，使其出现损伤，测试试件损伤前后的共振频率.

1.3.2 自愈合试验

基于预制损伤试件，将损伤试件进行自愈合养护，并采用损伤恢复率法对ETCC的损伤龄期、自愈合龄期和养护环境的影响规律进行评价.研究采用四点弯曲试验，在进行四点弯曲试验之前，先将置于水中养护的试件取出放于实验室通风良好处5 h，使其含水率基本一致.图1为使用50 t压力试验机进行四点弯曲试验.根据《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：2009)规范要求采用位移控制，加载速度为0.5 mm/min.

图1 四点弯曲试验Fig.1 Four-point bending test

1.4 试验过程

对ETCC试件进行预加载后，试件内部必然会有不同程度的损伤，通过自愈合养护后其损伤会有不同程度的恢复，损伤的恢复程度是材料自愈合特性的重要表征.选用共振频率测试技术对试件进行无损测试，因为试验具有操作简单、方便、检测结果可靠等优点，所以本试验使用其对试件进行材料损伤测试，使用损伤恢复率对环保延性水泥基复合材料ETCC的损伤恢复特性进行评估，讨论损伤龄期、自愈合龄期和养护环境对ETCC损伤恢复的影响，得出ETCC损伤恢复的变化规律，利用DT-1型动弹模量测定仪对试件进行共振频率测试.

1.5 损伤评价方法

1.5.1 损伤因子建立

为了研究ETCC试件自愈合后损伤的恢复程度，将试件的损伤分成两部分进行计算：一部分为试件受损伤时的损伤变量，对试件受损前后进行测试，计算损伤变量；另一部分为自愈合后的损伤变量，在一定的条件下进行养护，养护至设定的龄期之后，对试件再次进行测试，结合对比组试件，计算试件的损伤变量.损伤变量的大小可以直接表达出材料受损伤的程度，通过对比损伤变量的变化，可间接反映出材料自愈合的效果.

使用共振频率进行试验，定义损伤之后的损伤变量为D1，自愈合后的损伤变量为D2，其表达式分别为D1=1-RFd/RF0，D2=1-RFh/RFc.式中：RFd为试件受损伤后的共振频率；RF0为试件在无损伤时的共振频率；RFh为受损伤的试件在相应的环境下，养护相应的龄期之后，其自愈合后的共振频率；RFc为同龄期无裂缝对比试件的共振频率.因为损伤后的共振频率RFd小于完好无损的试件的共振频率RF0，所以D1>0；经过自愈合后，可能出现个别损伤试件RFh大于RFc，在此情况下计算可得D2<0，在此约定D2=0，视损伤为全部恢复.

1.5.2 损伤评价表达式

2 结果与讨论

2.1 预裂龄期

预裂龄期是指对试件进行预裂损伤时所具有的龄期.试验设计了3个预裂龄期，分别在试件龄期达到7、14、28 d时对试件共振频率进行测试，然后对试件进行弯曲试验，预裂损伤后再次测试试件的共振频率，将试件置入实验室室温下，浸没于水中，养护28 d后对试件进行共振频率测试，通过与空白试件进行对比，得出损伤龄期对损伤恢复效果的影响，结果如图2所示.

图2 损伤龄期对不同水胶比试件损伤恢复率影响Fig.2 Effect of damage age on damage recovery rate of specimens with different water-binder ratios

损伤龄期下，损伤恢复率随着损伤龄期的增大而减小，而且损伤恢复率的降低程度随着损伤龄期的增加而增大，两种水胶比试件的损伤恢复率在7 d损伤龄期时，达到了97%和90%，在14 d损伤龄期时，两种水胶比试件的损伤恢复率比7 d时降低了约2%和4%，但是在28 d损伤龄期时，损伤恢复率比14 d时分别降低了约14%和5%.由此得出，ETCC材料在损伤龄期越早发生，其自愈合效果越好，自愈合效果随着损伤龄期的延长而逐渐减低.

产生此结果主要与基体中水泥基未水化胶凝颗粒的体积分数紧密相关.早龄期受损的ETCC试件，在其内部还存在着大量未水化的胶凝颗粒.在水中养护下，未水化的胶凝颗粒会继续与水发生反应，生成水化产物弥合裂缝.

2.2 自愈合龄期

自愈合龄期是指在特定条件下，对损伤试件所实施的自愈合养护持续时间.试验采用共振频率对试件进行测试，ETCC试件在14 d龄期时受损伤，然后将受损伤的试件浸没于水中进行养护.对试件损伤前后的共振频率进行测量.设计的自愈合龄期为28、60、90 d.经过自愈合后，对试件再一次进行共振频率测量.通过与同龄期空白试件进行对比，得出自愈合龄期对损伤恢复的影响，结果如图3所示.

图3 自愈合龄期对不同水胶比试件损伤恢复率影响Fig.3 Effect of self-healing age on damage recovery rate of specimens with different water-binder ratios

养护龄期下，损伤恢复率随着自愈合养护龄期的增加而增大，其中两种水胶比试件的损伤恢复率增长主要发生在60 d之前，当达到90 d龄期时，损伤恢复率接近100%.当养护60 d自愈合龄期时，两种水胶比试件的损伤恢复率比28 d时分别增大了14%和48%.等到自愈合龄期达到90 d之后，损伤恢复率与60 d相比，增长不明显，分别增长了2%和3%.由此可见，自愈合的效果随着自愈合龄期的增加而增大，自愈合的恢复主要发生在60 d自愈合龄期之前.

产生此结果的原因是随着自愈合养护龄期的延长，ETCC试件内未水化的胶凝材料可以与水更加充分地发生水化反应.因而养护龄期越长，裂缝处生成的水化产物越多，所以自愈合效果也就越好，但是随着龄期的不断增大，ETCC试件中可以与水发生反应的未水化胶凝颗粒逐渐减少，因而过了一定的龄期之后，自愈合效果比前一自愈合龄期的效果提升不明显.

2.3 养护环境

将预裂龄期28 d的试件，采用以下3种不同自愈合养护模式进行养护：1)干湿循环养护.将预裂后的试件置于实验室室温下，在水中浸泡24 h，然后取出置于实验室室温下，在空气中养护24 h，如此反复，直至自愈合龄期.2)干燥空气中养护.将预裂后的试件一直置于实验室室温下，在空气中养护.3)水中养护.将预裂后的试件置于实验室室温下，浸没于水中养护.

所有损伤试件进行90 d的自愈合养护，达到龄期后，对试件进行共振频率测试，并与同条件无损伤试件进行对比，得出养护环境对损伤恢复率的影响，结果如图4所示.

图4 养护条件对不同水胶比试件损伤恢复率影响Fig.4 Effect of curing conditions on damage recovery rate of specimens with different water-binder ratios

由图4可知，在3种不同养护环境下，水中养护环境下的损伤恢复率最大，干湿循环环境下的损伤恢复率次之，干燥空气中养护的损伤恢复率最小.由此推断出，自愈合的实现与水有关.经过3种不同环境下的养护，水中养护环境下，ETCC试件的自愈合效果最好，经过在水中的90 d养护之后，可以完全愈合；而在干湿循环环境下，其自愈合效果比水中养护下略低一点，但还是有很好的恢复；在干燥空气中养护下，自愈合效果相对而言非常不明显，自愈合几乎不发生.

由试验结果做出如下假定：胶凝材料水化反应需要水分的参与，水分越充足，损伤恢复率越大，自愈合的效果越明显.干湿循环养护环境下，由于与水和空气接触，所以自愈合的效果没有水中养护下的效果好.而暴露于空气中，由于不能很好地与水分接触，因此自愈合效果比较差.

3 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 损伤恢复率随着损伤龄期的增大而减小，损伤龄期越大，损伤恢复率越低.损伤龄期越晚，损伤恢复率降低得越多.损伤龄期为7 d时，损伤恢复率接近95%；14 d时，损伤恢复率可以达到90%；28 d时，损伤恢复率为80%.

2) 损伤恢复率随着自愈合龄期的增加而增大.自愈合龄期越长，损伤恢复率提高的程度越低.当自愈合龄期为28 d时，损伤恢复率为82%；当自愈合龄期为60 d时，损伤恢复率为98%；当自愈合龄期为90 d时，损伤恢复率接近100%.

3) 损伤恢复率与所处的养护环境紧密相关.在不同的养护机制下，自愈合的程度有所不同，而且主要取决于水分的充分程度.养护环境的水分越充足，损伤恢复率越高；水分越少，损伤恢复率越低.水中养护环境下的损伤恢复率最高，达到了100%；干湿循环环境下养护的损伤恢复率次之，损伤恢复率达到了97%；干燥空气中养护下，损伤恢复率最小，损伤恢复率为50%左右，而且与前两者相差甚多，自愈合的效果非常不明显.