ECC 疲劳损伤规律及微观结构研究

2024-03-13刘汉磊霍海峰支雁飞任彦龙

中国民航大学学报 2024年1期

蔡靖，刘汉磊，霍海峰，支雁飞，任彦龙

（中国民航大学a.交通科学与工程学院；b.建设保障部，天津 300300）

近年来，随着基础建设的迅速发展，传统混凝土构件[1]在设计基准期内易受到各种可变荷载及地震作用的影响，致使其出现结构变形、承受荷载能力下降等问题，降低了结构安全性能。在传统混凝土中掺入不同种类的纤维，能够有效提高混凝土的韧性，但该方法并不能显著提高改性混凝土构件的抗拉强度，即使在小应变幅度情况下，也可能使其出现疲劳开裂的问题，不利于实际工程应用。

为解决上述问题，学者们对工程水泥基复合材料ECC（engineered cementitious composites）开展了深入研究，并取得了很多有益的成果。纤维材料（如聚乙烯纤维、玄武岩纤维等）具有较高抗拉强度，将其掺入混凝土基体中能够显著提升其抗疲劳性能及工程实用价值[2-3]。文献[4-5]对ECC 的纤维类型、基体组成成分等进行综合分析表明，高延性混凝土作为一种新型复合材料，在应变硬化、耗能能力等方面均具有良好的性能，尤其是在抵抗周期荷载方面表现出良好的抗疲劳性能。文献[6]对ECC 构件进行了四点弯曲疲劳试验，探讨其疲劳性能，结果表明，ECC 的疲劳寿命高于普通混凝土；在疲劳破坏中，ECC 构件经历裂纹产生和扩展两个阶段，并呈现出多裂纹应变特征，具有优异的抗疲劳性能。

在国内，文献[7]通过弯曲疲劳试验发现，ECC 在弯曲荷载作用下产生大量细密裂缝，呈现出延性破坏的特点，并随着应力水平的下降，裂缝数量也呈现下降趋势；在疲劳应力相同时，普通混凝土的疲劳寿命远小于ECC，其疲劳极限是普通混凝土的3 倍以上。文献[8]研究了超高韧性水泥基复合材料的单轴压缩疲劳性能，结果表明，超高韧性水泥基复合材料与普通混凝土和钢纤维混凝土三阶段的变形特征类似，但该材料在疲劳荷载作用下，具有更优异的变形能力，在疲劳破坏时呈现出更显著的延性特征。文献[9]通过单轴抗压试验，对纤维掺量达到2%的聚乙烯醇（PVA，polyvinyl alcohol）-ECC 开展研究，获取其相关试验数据及力学表征，发现其抗压强度较传统混凝土并无优势，但其峰值应变是传统混凝土的4～7 倍，极限压应变是传统混凝土的5～10 倍；其在受力破坏时产生的不是脆性断裂而是塑性破坏，并在刚度较低时具有良好的韧性力学响应。文献[10]系统回顾了ECC 在力学性能、设计理论等方面的工程应用，并就其材料组分及制备等存在的不足和改进方法进行了讨论。鉴于疲劳荷载对混凝土结构的破坏较大，随着ECC 在工程领域的逐步应用且结构构件长期承受振动荷载，此时需要明确ECC 疲劳损伤机理并进行相关防治。

通过分析发现，以上研究大多通过对混凝土构件进行弯曲疲劳试验，研究构件宏观变形及疲劳损伤规律，缺少针对轴向疲劳试验构件及ECC 的疲劳损伤机理分析。本文首先从ECC 的组分选择和疲劳试验等方面进行综述；其次针对轴向拉伸疲劳试件的疲劳损伤阶段及裂缝宽度发展进行分析，并利用扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）及数字图像相关法（DIC，digital image correlation）对试件疲劳损伤后的微观界面进行观察和机理分析，为ECC 构件的研究及工程应用提供了参考。

1 ECC 组分及试验

1.1 复合材料组分选择

1.1.1 纤维组分选择

纤维组通常具有较高的抗拉强度及伸长率，能够有效改善ECC 基体的微结构，并且提高其在拉压及弯曲条件下的抗疲劳能力。纤维组的选取应满足以下条件：①纤维应具有较高的抗拉强度，应大于1 000 Mpa；②纤维长度应根据构件尺寸及受荷类型采取适宜长度。若强度不满足此要求，ECC 无法发挥其抗疲劳性能，导致提前发生疲劳损伤断裂，危及整体构件安全性能。若其长度过短，在受荷过程中，应力无法在ECC 基体中均匀分布，随着加载过程的进行，纤维与基体产生剥离，导致ECC 整体破坏；若其长度过长，黏结界面会承受荷载在基体内部产生的应力，导致在纤维某处出现应力集中现象，致使其不能充分发挥抗疲劳性能。

1.1.2 基体组分选择

纤维掺量确定时，基体弹性模量越低其韧性越好，可充分发挥纤维的抗疲劳损伤能力。增加水灰比可改进ECC 硬化性能，而过高水灰比则使纤维-基体间黏结强度减弱。在工程中应采用适宜的水灰比，可保证试件的基础强度及应用经济性。

1.1.3 界面分析

PVA 纤维属于亲水性纤维，纤维与基体之间通过化学黏结与摩擦黏结相固定。亲水性纤维的化学黏结作用强于摩擦黏结，在加载过程中其纤维-基体界面处强度增大，导致纤维被拉断，因此PVA-ECC 受力破坏时属纤维断裂型[11]。可采用PVA 作为ECC 的纤维材料进行疲劳试验。试件为单轴拉伸试验所定制，其由水泥（P-O 42.5R）、细河砂、粉煤灰（一级粉煤灰）、高效混凝土萘系减水剂、PVA 纤维（按体积设计）和水组成。配合比为水泥662 kg/m3、细河砂331.35 kg/m3、粉煤灰440.90 kg/m3、高效混凝土萘系减水剂176.22 kg/m3、PVA 纤维45.23 kg/m3和水329.19 kg/m3。试件本体尺寸为200 mm×60 mm×50 mm，试件中部向内凹陷形成工字状试件。

1.2 混凝土疲劳试验

疲劳荷载根据循环次数一般可分为3 种类型，分别为低周疲劳（<103次）、高周疲劳（103～107次）、超高周疲劳（>107次）。在桥梁及机场道面板的日常使用中，其经历的循环次数大多为103～107次，即为高周疲劳。此次疲劳加载试验根据该疲劳工况开展相关试验。

1.3 试验方案

试验采用Instron8803 疲劳试验机，加载方向为轴向拉伸，通过DIC 实时观察裂纹扩展。对试件循环加载10 次达到预设的加载应力进行加载试验。为使试验数据可靠有效，假设循环次数＞105次的试件不被破坏，则确定试件在此荷载下具有无限的疲劳寿命。试验加载类型为正弦周期性等应力加载，频率取3 Hz。

首先，施加静偏应力（拉力），以静偏应力为平衡位置，施加正弦波荷载。定义最大拉伸应力比S=2σd/ft，其中σd为动态应力振幅，ft为拉伸强度。在试验过程中，最大拉伸应力比S 分别为0.70、0.75、0.80、0.85、0.90 和0.95。残余应变εr取值为每个周期中谷底的应变。鉴于疲劳试验的离散性较大，每个最大拉伸应力比选择5 个平行试件。在加载过程中，利用DIC 来测定试件的变形情况。试验过程中，高速摄像机实时捕捉试件表面均匀分布的斑点。捕捉后的图像通过软件对其进行合理的网格划分计算，以获取试件各个部位的应力或应变数值，并以不同颜色对其进行标注[12]。疲劳试验结束后，针对疲劳损坏构件进行切割，而后进行SEM 观测分析。

2 ECC 损伤阶段分析

2.1 ECC 轴向位移发展规律

高延性混凝土由于加入大量纤维，且纤维与基体之间可良好结合，因而ECC 在拉伸疲劳过程中出现裂缝后，仍可承受一定的循环荷载而不会立即断裂。因此，采用非接触式的高精度设备对其进行实时监测，从不同方面分析裂纹的发展。

基于试验结果绘制轴向应变发展曲线如图1 所示。从图1 可看出，ECC 疲劳变形经历4 个阶段：第一阶段是初始阶段；第二阶段是稳定发展阶段，其占整个周期约1/2；第三阶段是加速变形阶段，变形率明显增加；第四阶段是破坏阶段，此时，试件的变形迅速增加数倍，导致失效破坏。

图1 轴向位移发展图Fig.1 Schematic diagram of axial displacement development

2.2 ECC 裂缝宽度变化

裂缝宽度是表征疲劳发展的一个重要特征,可直观反映混凝土疲劳发展的程度。试件宽度为50 mm，如图2（a）所示，以右侧边界为坐标零点，假设从左到右为0～50 mm。用3D-DIC 测量在相同应力水平下循环加载时的位移，然后观察整个疲劳过程中的具体裂纹宽度变化，如图2（b）所示。

图2 试件表面横坐标及对应裂缝宽度分布Fig.2 Surface coordinate and crack width of specimen

图2（a）对应的是试件表面的横向坐标图，图2（b）在图2（a）的基础上进行数据处理，即在同一应力水平下，不同循环荷载次数下ECC 的裂纹宽度发展。从图2（b）中可以看出，裂纹宽度位于0.03～0.45 mm 之间，呈现出中间低、两端高的趋势。循环荷载110 次后，试件两侧均出现裂纹，其宽度为0.03 mm。左侧的裂纹宽度大于右侧的裂纹。随着循环荷载次数的增加（1 160～3 170 次），裂纹宽度缓慢增加，从两端向中间发展。第二转折点是裂纹从稳定发展阶段发展到加速变形阶段，当循环荷载3 170 次时，裂纹贯穿整个断面，此时主要为纤维的桥联应力抵抗拉应力。循环荷载4 000 次后达到失效振动次数，截面上每个监测点的裂纹宽度大致相同。此后，在几个振动次数内，变形急剧增加，桥联应力不能承受负荷，试件发生拉伸破坏。

3 ECC 疲劳特性分析

3.1 疲劳试验DIC 分析

通过DIC 将试件表面进行详细网格划分，经过高速摄像机捕捉喷涂后观测面在振动过程中网格的疲劳演变过程，从而得到试件表面的位移场和应变场。DIC具有全场测量、抗干扰、精度高等特点，可通过其分析不同循环荷载次数下试件表面的应变分布，进而得到裂缝发展情况，推断出高延性混凝土的疲劳破坏进程。同一应力水平下的应变和位移云图如图3 和图4 所示。

图3 同一应力水平下的试件应变云图Fig.3 Strain cloud map of the specimen at the same stress level

图4 同一应力水平下的试件位移云图Fig.4 Displacement cloud map of the specimen at the same stress level

该应变和位移云图对应的是每个周期的最大荷载值Pmax的应变及位移。通过对试验结果分析发现，掺入纤维的高延性混凝土试件在产生明显可见裂缝后仍能承受一定的循环荷载，且在整个疲劳破坏过程中没有出现脆性断裂。此现象是由于ECC 中掺入纤维后提升了抗拉强度及抗疲劳性能，从而韧性得到大幅度提升，避免了脆性断裂。

随着试验的进行，由于试件中部未受到约束，裂缝最初在此段某处开始萌发并不断向试件内部进行传播扩展。裂缝形成后，试件整体受力面积下降极易产生应力集中现象，加剧了裂缝的扩展，使其不断向中部延伸。随着有效面积逐渐降低，基体中纤维被不断拔出、拉断，基体也顺势被带出，直至试件整体疲劳破坏。

从图3 和图4 可看出，循环10 次时，整个区域出现下拉应变，在左上角出现最大值，位移沿对角线均匀下降，应变图上整个区域的应变很小；循环110 次时，拉伸应变出现在应变图的左右两边，并延伸到中部，在相应的位移图中，上下两部分的位移云有明显差异；循环1 660 次时左右两边的应变不断增加，不断向中部发展，位移图中断裂线下部位移差明显增大；在循环2 260 次的应变图中裂纹段的应变持续增大，出现点状黑色区域，试件左右两侧同时形成较细的裂纹，但没有形成贯穿；在循环3 170 次的应变图中，应变连续发展，点状形成连续的裂纹，此为变形由稳定发展阶段转入加速变形阶段的第二转折点，塑性应变变化的速度加快。试验表明，形成明显的贯穿性裂纹后，纤维使试件不会立即破坏，可继续承受循环荷载。

在循环4 110 次时，为第三转折点，图中从加速变形阶段变为破坏阶段。在应变和位移云图中，断裂的快速发展形成贯穿性裂纹，导致试件的失效和破坏。在这个过程中，从主裂缝中发展出少量的分支裂缝。主裂缝的尖端始终没有发展到一起形成贯穿性裂缝，而是继续在中间撕裂，形成块状区域。其是由于在疲劳破坏过程中，随着循环荷载次数的增加，裂纹末端的纤维不断被破坏；两个裂纹尖端需要发展出更深的裂纹来吸收能量，形成一个上下纤维都被拉开的块状区域。试件损伤图如图5 所示。

图5 试件损伤图Fig.5 Diagram of specimen damage

3.2 断裂截面SEM 分析

ECC 是多相、多组分的工程水泥基复合材料，其由轻集料、纤维、砂浆以及轻集料-砂浆界面过渡区、纤维-砂浆界面过渡区组成。经过单轴疲劳试验后ECC发生疲劳损伤，由于纤维对于裂缝具有桥联作用,使试件可带裂缝继续工作直至纤维断裂及拔出，最后试件断裂破坏。其损伤是由内部微裂缝和微孔隙的发展引起[13]。为了解ECC 在试件疲劳破坏断裂下的劣化机制，需要从微观层面分析材料的拉伸性能和断裂机制，因而需要对疲劳断裂ECC 试件断裂面进行SEM 观测。

由于混凝土内部本身存在孔隙和微裂缝等初始缺陷[13]，其在循环试验破坏后将会进一步发展。纤维的加入可改善其原有的缺陷。当混凝土趋于损坏时，纤维对裂缝有桥接作用，纤维吸收部分能量；同时有效地防止了塑性裂纹的产生和内部微裂纹的扩展。图6 为试件断裂界面图，通过对图6 中试件断面观察，ECC中基材与纤维紧密结合，大量纤维分布均匀，体现了较好的分散性。少量纤维存在结块及分散过度等现象，但整体为随机分布，提升了材料内部的均匀性。纤维的均匀分散可以使试件在疲劳破坏时各部位的抗疲劳性能更加均衡，避免因断裂面不均匀而产生应力集中现象。水泥基体出现块状凋零和剥落，一方面是由于主体受拉应力作用而断裂，另一方面是纤维受拉应变作用而整体带出。破坏后水泥基体大部分保存得比较好，纤维大多被拉断，以消散能量，抵抗变形和破坏。

图6 试件断裂界面放大50 倍图Fig.6 Fracture section of specimen magnified 50 times

图7 为纤维-基体损伤界面图，通过对图7（a）的观察，发现水泥水化产物与PVA 纤维紧密相连，界面结构致密。虽然纤维被拉断，但其表面仍由水泥基体附着，表明PVA 纤维与水泥基体之间存在较强的黏结性。通过局部放大图像进行分析观测发现PVA 纤维断裂末端为细长状，表明其在试验破坏阶段受到纤维-基体截面应力的影响产生拉伸变形。其表面由于基体材料的剥离产生本体材料损伤，而后直径逐渐缩小，最终发生断裂。图7（b）显示了放大1 000 倍后的纤维-基体界面。纤维和基体之间的结合界面是最薄弱的环节，其决定了纤维在损伤界面的损伤形式。可以看到3根纤维并排在一起，纤维和水泥浆之间没有紧密结合。这种情况会大大影响纤维与基体的结合，并在混凝土内形成薄弱区。试件中的大多数纤维显示出断裂损坏而不是被拉出。由此可见，水泥-纤维黏结部分较高的阻力抑制了纤维末端的位移，从而使纤维最大限度地保持了试件的完整性。通过提高试件的韧性，可以增强试件的抗疲劳能力，使疲劳破坏时的能量耗散最大化。

图7 纤维-基体损伤界面图Fig.7 Damage interface of fiber-matrix

通过SEM 观察和现象分析，纤维在拉力的作用下发生了变形。试件被加荷载时，纤维吸收大部分能量。在吸能的过程中，纤维逐渐从水泥浆中脱离，导致纤维附近的水泥基体破裂并脱落，在纤维表面存在一些基体残留物。纤维末端在水泥基质的黏结阻力下被拉断。端口处没有撕裂现象，说明受力是轴向的，可以最大限度地发挥抗拉性能。纤维与基体的界面相对完整，两者之间没有出现剥离现象。纤维受力拉断，充分发挥了其抗拉性能。纤维与水泥基体的黏结性能好，可保持试件的完整性。这也是ECC 可充分耗散能量，具有优良的抗拉伸疲劳性能和韧性的重要原因。

通过SEM 对损伤疲劳后的纤维-基体界面的微观分析发现，大多数纤维断裂和折断，但其同时与基体很好地结合在一起，没有拉出现象。纤维与基体整体耗散能量，是ECC 具有高抗疲劳性能的主要原因。