高延性水泥基材料在持载下的自修复行为研究路径

（重庆工程学院，重庆市，400056） 孙 凤

（重庆大学土木工程学院，重庆市，400044） 张志刚

（重庆高新城市建设集团有限公司，重庆市，400039） 向秋实

近年来兴起的高延性水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite,简称ECC），因其独特的多裂缝、微裂缝的开裂特性，使得水泥基材料裂缝的“自我修复”成为可能，大大提高了基础设施的耐久性。但是目前针对ECC 材料自修复的研究大都是在卸载后进行的，且研究内容主要集中在宏观层面，如环境变量对自修复的影响以及力学性能的恢复等方面。本文基于ECC 材料在交通基础设施工程应用中总是处于持载作用下的实际情况，提出研究在持载下ECC材料的自修复行为的研究路径，基于微观力学理论，从多尺度层面探究ECC自修复对其力学性能的影响机理。

1 持载下高延性水泥基复合材料的自修复分析的关键点

ECC在持载状态下，其裂宽约为在卸载状态下的两倍，裂宽的不同将会影响自修复产物的形成过程，且纤维自身在持载/卸载下所处的拉伸状态也不同，因此，持载/卸载两种状态必然会影响到自修复后ECC的材料行为，需要揭示持载状态下ECC的自修复行为及自修复产物在裂缝内的形态与分布状况。

ECC 的自修复现象使其力学性能（宏观尺度）有着大幅度的恢复，ECC的力学行为与单条裂缝间的纤维桥接作用（中观尺度）有关，而单根纤维在基体里的拔出行为（微观尺度）对纤维桥接作用又有着决定性作用。因此，需要基于微观力学理论，从三个尺度层面厘清自修复现象对ECC 力学行为恢复的作用机理，并建立理论模型将各个尺度联系起来。

2 持载下高延性水泥基复合材料的自修复分析的研究方法与技术路线

主要研究方法及技术路线如图1所示：

图1 项目研究方法与技术路线图

2.1 基于自修复功能的ECC材料的研究开发

基于重庆本地/国材料，考虑提高ECC 自修复功能的需求，对材料进行初选和配合比试验；除传统ECC的原材料组成组分外，拟辅以掺加一定量的高吸水性树脂材料（SAP）。考虑到材料纤维分布必须均匀及降低基体断裂韧性的要求，ECC材料中一般不含粗集料，但可用普通河砂或石灰石粉代替原有配比中的标准硅砂[1]。

利用单纤维拔出试验（如图2 所示）得到纤维/基体界面参数（化学粘结能Gd、界面摩擦力τ0和纤维滑移硬化系数β），然后通过对纤维倾角、埋深等积分得到单条裂缝的纤维桥接应力与裂缝张开位移之间的关系（即σ(δ)曲线），并测试不含纤维的ECC材料基体的断裂韧性，基于ECC设计的强度与能量准则，进行材料设计，确定ECC配比。

图2 单纤维拔出试验装置

2.2 持载状态下ECC的自修复行为研究

基于上述发展的ECC材料，浇筑后养护至28天龄期，通过单轴拉伸试验将ECC试件预拉伸至不同的应变水平，参照密歇根大学Victor C.Li教授课题组自制的拉伸持载装置[J of Cem.Concr.Compos.2016,72:104-113]使得预裂的ECC试件一直处于持荷载状态，并将其进行干湿循环养护（模拟现实环境中雨天/晴天交替）。利用光学显微镜观测自修复产物的生长过程，同时利用渗透试验观测随着自修复过程的发展，预裂ECC试件渗透系数的变化[2]。

待自修复过程完成后，挑选一部分试件，卸载后通过切割制作出小尺寸试件，以便于进一步观测分析自修复产物：利用环境电子扫描电镜（ESEM）、透射电镜（TEM）等对裂缝表面的自修复产物进行成像表征；对裂缝内的自修复产物进行精确取样，结合着X 射线能谱分析（X-EDS）、红外光谱仪（FTIR）、X 射线衍射（XRD）等对自修复产物的具体化学成分进行分析；利用背闪射电子成像（BSE）、高精度的X 射线计算机断层成像系统（X-CT）结合着后期图像处理技术研究自修复产物在裂缝空间内的三维立体分布状态。

对自修复后的ECC 试件进行二次力学拉伸试验，在拉伸过程中，使用高像素照相机对试件进行拍摄，之后利用数字图像分析技术（DIC）对照片进行分析，得到自修复前后ECC试件上裂缝的开裂状态：自修复的裂缝是否重新开裂、是否有新的裂缝产生、再次开裂后的裂缝宽度分布情况；根据二次拉伸试验数据分析ECC的拉伸应变能力、弹性模量等的恢复水平与ECC 在卸载下的力学行为恢复水平进行对照，得到持载/卸载状态对其自修复行为的影响。

2.3 多尺度下ECC的力学行为自修复机理研究

2.3.1 宏观尺度

通过单轴拉伸实验将ECC 试件预拉至不同的拉伸应变水平，同时在持载状态下观测记录在不同应变水平下，ECC试件的裂缝条数以及每条裂缝宽度；利用统计学原理进行拟合分析，得到在不同应变水平下裂缝宽度分布的概率密度函数P(ɛ,δ)。对预裂的试件卸载后进行自修复环境养护，然后对其再进行拉伸至破坏，得到ECC 的拉伸应变能力、弹性模量等的恢复水平[3]。

2.3.2 中观尺度

将带切口试件（保证ECC 试件单缝开裂）进行预裂至不同的裂缝宽度水平（图3），自修复养护后对试件进行再次拉伸试验直至破坏。通过比较前后两次拉伸后ECC 的弹性模量与纤维桥接应力水平，以此评价ECC在中观尺度下单裂缝的自修复行为。且通过拟合分析得到自修复后ECC 弹性模量的恢复水平与裂缝宽度的关系SE(δ)。

图3 切口试件的单缝开裂试验

2.3.3 建立多尺度数学模型

利用数理统计与微观力学理论建立多尺度数学模型，以a)中的P(ɛ,δ)和b)中的SE(δ)作为输入参数，在理论上预估自修复后宏观尺度下ECC的弹性模量恢复水平RE(δ)。同时通过a)中获得的其弹性模量恢复的实验值与理论值比较，并对理论模型进行验证。

2.3.4 微观尺度

利用单纤维拔出实验，研究微观尺度下自修复行为对纤维/基体界面性能的影响，典型的单纤维拔出曲线示意图（如图4）。在试验过程中，当曲线到达Pb 点时（即界面脱粘（debonding）阶段结束），即停止试验并将试件取下放入水中养护，待自修复过程结束后，再对试件进行试验，得出自修复后纤维/基体界面参数；然后同上述1a)中得到的界面参数进行对比分析得出自修复行为对纤维/基体界面行为的影响。最后基于自修复后得到的纤维/基体界面参数，依据微观力学理论推算出中观尺度下单裂缝的纤维桥接应力，并与b)中的试验值进行对照。

图4 典型单纤维拔出曲线示意图

3 结语

通过该路径的ECC 材料持载下自修复行为研究，将进一步丰富ECC 自修复研究领域的成果，深化对ECC自修复特性的认识，完善该领域的知识体系，提高ECC 材料在实际基础设施工程应用中（如高速公路桥梁伸缩缝、桥面连接板、隧道衬砌、钢桥面铺装等）的耐久性，延长基础设施的使用寿命，减少全寿命周期内的维修养护成本，具有较高的社会经济效益和广阔的市场应用前景。