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        自愈合行為對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能恢復(fù)的影響

        2017-07-26 21:39:08鄧涵文錢吮智
        關(guān)鍵詞:共振頻率單軸力學(xué)性能

        鄧涵文 錢吮智,2

        (1東南大學(xué)交通學(xué)院,南京210096)(2南洋理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,新加坡639798)

        自愈合行為對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能恢復(fù)的影響

        鄧涵文1錢吮智1,2

        (1東南大學(xué)交通學(xué)院,南京210096)(2南洋理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,新加坡639798)

        為了研究自愈合行為對高摻量粉煤灰工程水泥基復(fù)合材料(ECC)力學(xué)性能恢復(fù)的影響,提出了一種利用共振頻率表征混凝土材料內(nèi)部健康/損壞狀況的測量方法.通過共振頻率測試、單軸拉伸實驗和光學(xué)顯微鏡獲取了ECC的共振頻率、剛度、初始開裂強度、最大拉伸應(yīng)變和裂縫形態(tài).實驗結(jié)果表明:經(jīng)過15個干濕循環(huán)養(yǎng)護后,共振頻率可恢復(fù)程度都可達到82%以上;預(yù)裂ECC的二次拉伸性能有著明顯的恢復(fù),重新出現(xiàn)了初始開裂階段;剛度的恢復(fù)程度可達到58%以上,最大拉伸應(yīng)變恢復(fù)程度在90%以上;自愈合作用可以使得一部分自愈合裂縫的開裂強度大于基質(zhì)開裂強度.研究表明,利用高摻量粉煤灰材料制備高延性、高自愈合的ECC是可行的.

        工程水泥基復(fù)合材料;力學(xué)性能;自愈合;共振頻率

        混凝土材料的裂縫自愈合行為是近幾十年來國際水泥材料研究的熱點[1-11].自愈合行為是指隨著時間的增長,裂縫寬度逐漸變小.實驗研究與實際工程經(jīng)驗表明隨著時間的增長,混凝土材料的裂縫自愈合行為可使得材料的水滲透性降低,在一些情況下裂縫甚至可以完全自我愈合.對于延長交通基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命,自愈合行為非常重要,它可以使得裂縫慢慢關(guān)閉,從而提高混凝土材料的耐久性、滲透性與力學(xué)特性.研究表明[1,12-13],當(dāng)裂縫寬度控制在200 μm以內(nèi)時,帶裂縫的混凝土材料的水滲透性與普通未開裂的混凝土基本保持在一個滲透等級.此外,有研究已經(jīng)證實裂縫寬度對于自愈合行為有著重要的影響,裂縫寬度越小越有利于自愈合行為的發(fā)生[4].

        基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)設(shè)計理論,發(fā)明于1990年左右的高延性工程用水泥基復(fù)合材料[14-15](ECC)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了可能性.ECC的單軸拉伸變形能力達到3%,約為普通水泥混凝土或纖維混凝土的300倍.在直接拉伸作用下,ECC出現(xiàn)初始微裂紋后不像普通混凝土及纖維混凝土那樣出現(xiàn)變形局部化及承載力降低,而是連續(xù)不斷地出現(xiàn)新的微裂紋(裂縫寬度小于60 μm)并且承載能力繼續(xù)增加(類似金屬的應(yīng)變硬化現(xiàn)象),直至最后破壞,其中一條微裂縫變成宏觀裂縫.這也是ECC具有超高延性的原因所在,而這種延性通常遠大于結(jié)構(gòu)物正常荷載下所能達到的應(yīng)變值.

        對于現(xiàn)有的水泥混凝土路面材料,在其服務(wù)周期內(nèi),在行車荷載與周圍環(huán)境荷載作用下開裂是不可避免的.混凝土開裂不僅影響水泥的路用性能,破壞路面結(jié)構(gòu)的完整性,造成裂縫處混凝土力學(xué)性能的損傷,而且對水泥面板的受力情況也相當(dāng)不利.基于此,ECC材料可以應(yīng)用在水泥路面上,而且由于它極好的裂縫控制能力、裂縫處纖維橋接性能與裂縫的自愈合行為,不僅可以使得裂縫關(guān)閉,恢復(fù)其未開裂時的抗?jié)B性,還能使ECC材料的力學(xué)性能得到一定的恢復(fù),保證了路面結(jié)構(gòu)的完整性,從而延長了水泥的使用壽命,減少使用周期內(nèi)的維修次數(shù).

        本文首先通過測量ECC試件的共振頻率在自愈合過程中的變化情況,發(fā)現(xiàn)共振頻率可以表征混凝土材料內(nèi)部的健康/損壞狀況,也可以反映ECC材料的自愈合程度;然后通過單軸拉伸實驗研究了自愈合后ECC材料的力學(xué)恢復(fù)程度;最后通過光學(xué)顯微鏡觀測了自愈合后ECC在再次拉伸狀態(tài)下裂縫的開裂形態(tài),同時還觀測了裂縫內(nèi)自愈合產(chǎn)物的生長過程.

        1 實驗原材料與方法

        1.1 原材料及試件制備

        制備ECC的主要原材料包括水泥、粉煤灰、橡膠粉、石英砂、PVA纖維、高效減水劑和水.本文所采用水泥為安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥;粉煤灰為南京熱電廠的一級粉煤灰.水泥和粉煤灰的化學(xué)組成見表1.石英砂為南京寧六石英濾料公司所提供,粒度大小為70~140目;聚乙烯醇(PVA)纖維為國際上制備ECC材料所通用的日本可樂麗纖維.聚乙烯醇纖維的物理性能見表2.高效減水劑為南京蘇博特有限公司提供的聚羧酸系減水劑.

        表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組成 %

        表2 PVA纖維的物理性能

        本文通過單軸拉伸實驗獲取的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變評價ECC材料的力學(xué)性能.具體配合比如表3所示,石英砂的含量與粉煤灰和水泥組成的膠凝材料的比值固定為0.36,水膠比固定為0.25,減水劑用量與水泥質(zhì)量比為0.03,PVA纖維占ECC材料總體積的2%.試件制作過程中,采用的攪拌機為容積20 L的立式行星式砂漿攪拌機.在ECC漿體成型過程中,首先將粉煤灰、水泥、石英砂、橡膠粉稱好后,倒入砂漿攪拌機中低速攪拌1 min,使原料充分攪拌均勻,然后加水和減水劑.在低速攪拌1 min后再高速攪拌2 min,然后加入PVA纖維,攪拌8 min,攪拌時間的終止以纖維漿體不結(jié)團為判斷依據(jù),保證纖維分散均勻,這是ECC制備的關(guān)鍵.此外,攪拌的時間要適中,時間太短則纖維不分散,時間太長則ECC工作性不好.將攪拌均勻的拌和物裝入試模成型,并置于室溫條件下養(yǎng)護24 h,拆模后再放在標(biāo)準養(yǎng)護箱內(nèi)(相對濕度為95%,恒溫20 ℃)養(yǎng)護至28 d.

        表3 ECC配合比 kg/m3

        在實驗過程中,首先利用單軸拉伸實驗將ECC試件預(yù)裂至一定的變形程度,然后將所有預(yù)裂試件放置水中養(yǎng)護,自愈合的養(yǎng)護條件為常溫下的干濕循環(huán),即一個養(yǎng)護循環(huán)為試件放入水中養(yǎng)護24 h,然后放置空氣中晾干24 h,如此反復(fù).對于進行共振頻率測試的試件組,每一個循環(huán)后即測量并記錄其共振頻率值,同時將試件放在光學(xué)顯微鏡下觀測裂縫內(nèi)自愈合產(chǎn)物的生長情況;對于進行力學(xué)恢復(fù)程度研究的試件組,經(jīng)幾個養(yǎng)護循環(huán)后,待裂縫已明顯被自愈合產(chǎn)物完全填充后即再次加載直至破壞,同時觀測裂縫的開裂形態(tài).

        1.2 共振頻率測試

        共振頻率測試實驗需要保證試件的截面積沒有明顯變化,因為截面積的突變(如“狗骨”狀試件)會降低共振頻率測試的準確度,因此在本文中使用橫截面積相同的薄板試件,試件尺寸為200 mm×70 mm×13 mm,如圖1所示.

        圖1 薄板試件尺寸(單位:mm)

        對薄板試件進行預(yù)裂時采用的儀器為MTS 810液壓伺服萬能材料力學(xué)實驗機,其量程為100 kN.在預(yù)裂過程中,將試件直接置于MTS 810配置的液壓夾頭,此夾頭可以保證在實驗過程中試件被夾得越來越緊,不會滑移.用外接位移傳感器(LVDT)采集試件的拉伸變形位移,具體實驗裝置如圖2所示.

        圖2 預(yù)拉伸實驗裝置

        在預(yù)裂加載之前,應(yīng)對試件前后調(diào)平對中,防止試件承受前后的剪切破壞影響實驗結(jié)果.在預(yù)裂過程中,儀器采用位移控制,加載速率為0.5 mm/min,使得試件處于準靜態(tài)加載狀態(tài).在本研究中,首先將試件拉伸至破壞,得到ECC試件的最大拉伸應(yīng)變能力,然后選取試件進行預(yù)裂,將試件分別預(yù)裂至4種拉伸應(yīng)變水平(1%,2%,3%和4%),研究不同預(yù)裂程度ECC材料的自愈合行為.預(yù)裂完成后測量試件的共振頻率,之后將所有試件均放入20 ℃常溫水中進行自愈合養(yǎng)護,每完成一個自愈合養(yǎng)護循環(huán),再測量所有試件的共振頻率.為了消除ECC試件在水中繼續(xù)水化對其共振頻率的影響,作為對照組,未開裂的同樣尺寸的ECC試件也放入20 ℃常溫水中養(yǎng)護,并記錄每次實驗的共振頻率結(jié)果.

        通過測量ECC的共振頻率可以觀測預(yù)裂試件的自愈合速率與自愈合程度.經(jīng)過預(yù)裂后,ECC共振頻率會降低,經(jīng)過自愈合之后,隨著自愈合產(chǎn)物填充在已開裂裂縫內(nèi)部空間內(nèi),將會使其共振頻率得到恢復(fù).因此,本文利用ECC預(yù)裂試件共振頻率的恢復(fù)程度來表征其自愈合程度.

        ECC試件共振頻率測試的具體測試步驟參照規(guī)范ASTM C215[16].本研究采用敲擊式共振頻率測試方法,具體實驗裝置如圖3所示.在測試過程中,選取高頻率測試模式,將ECC試件放置在硬質(zhì)橡膠墊上,將輕質(zhì)的傳感計貼在試件一側(cè),然后用一個針狀小錘子敲擊試件另一側(cè),試件的共振頻率通過傳感計導(dǎo)出記錄,具體數(shù)值顯示在數(shù)據(jù)采集器屏幕上.記錄每一次測試ECC試件的共振頻率值,以得到隨著自愈合過程的進行,ECC試件共振頻率的變化趨勢.

        圖3 共振頻率測試裝置

        1.3 單軸拉伸實驗

        采用美國英斯特朗電子萬能材料力學(xué)實驗機進行單軸拉伸實驗,其最大實驗量程為20 kN.由于材料在拉伸過程中位移變化較小,為保證位移數(shù)據(jù)的準確性,在拉伸過程中,位移采用外接的2個LVDT位移傳感器測量,最后結(jié)果取2個測量值的平均值.在拉伸實驗過程中采取位移控制加載方式,材料處于準靜態(tài)加載狀態(tài),位移加載速率為0.5 mm/min.

        單軸拉伸實驗的試件尺寸與實驗裝置參照日本混凝土協(xié)會推薦的測試多縫開裂纖維增加水泥基復(fù)合材料(HPFRCC)的測試方法[17],試件采用狗骨形狀,其具體形狀尺寸與實驗裝置如圖4(a)、(b)所示.傳統(tǒng)的利用液壓夾頭控制系統(tǒng)夾住薄板試件進行測量的方法易使得靠近夾頭的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,使試件提前出現(xiàn)破壞性開裂,不能準確地評價材料的拉伸行為.而本實驗將狗骨狀試件掛在拉伸裝置上,而且試件在寬度方向有一個平緩過渡區(qū),很好地避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn),保證裂縫出現(xiàn)在受拉測量區(qū),可以比較準確地得到材料的拉伸性能.

        (a) 單軸拉伸實驗裝置

        (b) 狗骨狀試件尺寸(單位:mm)

        為研究不同預(yù)裂程度ECC材料的自愈合行為,將試件分別預(yù)裂至4種拉伸應(yīng)變水平(1%,2%,3%和4%),研究不同預(yù)裂程度下ECC材料的拉伸力學(xué)自愈合行為.預(yù)裂后,將所有預(yù)裂試件放置于20 ℃常溫水中進行干濕循環(huán)養(yǎng)護,待15個養(yǎng)護循環(huán)之后,對自愈合后的ECC試件再次進行單軸拉伸實驗,直至試件出現(xiàn)斷裂破壞.在預(yù)裂實驗的同時,對未預(yù)裂ECC試件進行單軸拉伸實驗,直至破壞,得到ECC材料的拉伸性能(最大拉伸應(yīng)變能力、最大拉伸強度、ECC材料的拉伸彈性模量).在對自愈合后ECC試件進行再次拉伸實驗后,得到自愈合之后ECC材料拉伸力學(xué)性能的恢復(fù)程度.作為對比實驗,另外選取預(yù)裂至2%拉伸應(yīng)變的試件,將其放在空氣中養(yǎng)護(即不進行自愈合養(yǎng)護),然后與自愈合后的ECC試件一起再次進行單軸拉伸實驗.通過數(shù)據(jù)分析可得到未自愈合的預(yù)裂ECC試件再次拉伸后的材料拉伸力學(xué)性能,通過對比即可得出自愈合對ECC材料拉伸力學(xué)性能恢復(fù)的影響.

        2 實驗結(jié)果與討論

        2.1 自愈合行為對ECC共振頻率的影響

        圖5為ECC試件的共振頻率隨著自愈合進程的變化情況.通過測試共振頻率來檢測混凝土內(nèi)部損傷情況是一種無損檢測方式.混凝土材料內(nèi)部的損傷會導(dǎo)致ECC試件共振頻率的降低.在每一次共振頻率測試時,對每一個ECC試件均至少反復(fù)操作并讀數(shù)3次,然后取平均值.如圖5所示,經(jīng)過預(yù)裂之后,ECC試件的共振頻率有較大幅度的下降,其共振頻率由19 152 Hz下降至6 916 Hz,且試件預(yù)裂程度越大,其共振頻率下降幅度越大.預(yù)裂至1%, 2%, 3%和4%拉伸應(yīng)變水平的ECC試件的共振頻率分別為10 526,9 994,7 638, 6 916 Hz.經(jīng)過自愈合養(yǎng)護,不同預(yù)裂程度ECC試件的共振頻率逐漸上升.在經(jīng)過第1次自愈合干濕養(yǎng)護循環(huán)后,試件的共振頻率有很大幅度的提高,預(yù)裂至1%,2%,3%和4%拉伸應(yīng)變水平的ECC試件的共振頻率分別增大到15 048,14 022,12 514和12 198 Hz.之后共振頻率增加緩慢,即達到一個穩(wěn)定階段.這個現(xiàn)象表明,在經(jīng)過一個干濕循環(huán)養(yǎng)護后,預(yù)裂ECC試件的裂縫能夠基本愈合.經(jīng)過15個干濕養(yǎng)護循環(huán)后,不同預(yù)裂程度ECC試件的共振頻率基本相同,說明不管預(yù)裂拉伸程度大小,預(yù)裂的ECC試件都可達到較高的自愈合恢復(fù)程度.

        圖5 ECC試件的共振頻率隨自愈合進程的變化

        ECC試件在20 ℃常溫水中養(yǎng)護,ECC材料內(nèi)的膠凝材料仍然會繼續(xù)水化生成新的水化產(chǎn)物,這種現(xiàn)象有可能會引起ECC試件的共振頻率的變化,因此在自愈合進展過程中,預(yù)裂ECC試件共振頻率的變化有一部分可能是由于膠凝材料的繼續(xù)水化引起的.為了去除膠凝材料的繼續(xù)水化對預(yù)裂ECC共振頻率的影響,未預(yù)裂的ECC試件同樣被放置于20 ℃常溫水中養(yǎng)護,并觀測其隨著養(yǎng)護時間的變化對共振頻率的影響.如圖5所示,在20 ℃常溫水中養(yǎng)護的未預(yù)裂ECC試件的共振頻率隨著養(yǎng)護時間有輕微上升,但變化很不明顯.此外,同時用預(yù)裂ECC試件的共振頻率除以未開裂ECC試件的共振頻率可以得到標(biāo)準化預(yù)裂ECC試件在每一個自愈合養(yǎng)護周期內(nèi)的共振頻率,它可反映隨著自愈合的進展預(yù)裂ECC試件的恢復(fù)程度.標(biāo)準化后的共振頻率(FSTD)可表示為

        (1)

        式中,Fpre為預(yù)裂ECC試件在每一個自愈合養(yǎng)護干濕循環(huán)后的共振頻率;Funpre為未預(yù)裂ECC試件在相同干濕循環(huán)養(yǎng)護條件下的共振頻率.

        圖6為不同預(yù)裂程度的ECC試件在自愈合過程中其標(biāo)準化共振頻率的變形情況.在預(yù)裂之后,預(yù)裂至1%,2%,3%和4%拉伸應(yīng)變水平的ECC試件的共振頻率分別降低到未開裂時的54.8%,52.0%,39.8%和36.0%.經(jīng)過一次干濕循環(huán)養(yǎng)護后,由于ECC材料的自愈合行為,使得標(biāo)準化共振頻率分別迅速上升到78.3%,73.0%,65.1%和63.5%.隨后標(biāo)準化共振頻率增長較為緩慢,經(jīng)過15個干濕循環(huán)后,標(biāo)準化共振頻率分別達到87.9%,88.4%,87.9%和82.7%,所有ECC試件的自愈合恢復(fù)程度均達到82%以上.

        圖6 標(biāo)準化后ECC的共振頻率

        在測量預(yù)裂ECC試件共振頻率后,將試件放入光學(xué)顯微鏡下觀測裂縫內(nèi)自愈合產(chǎn)物生長的過程,如圖7所示,選取觀測的裂縫寬度為50 μm.由圖可見,自愈合產(chǎn)物(碳酸鈣晶體)是由裂縫兩側(cè)開始生長逐漸向中間靠攏最終關(guān)閉裂縫,經(jīng)過1個干濕循環(huán)后,裂縫有些地方就已合攏,15個干濕循環(huán)后,裂縫已被白色的自愈合產(chǎn)物完全填充.

        2.2 自愈合行為對ECC拉伸力學(xué)性能的影響

        表4和圖8列出了ECC材料的拉伸力學(xué)性能.由于ECC材料的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.42%,為了研究ECC材料在不同拉伸預(yù)裂程度下的力學(xué)自愈合行為,使得最大拉伸預(yù)裂程度覆蓋材料的拉伸應(yīng)變能力范圍之內(nèi)的所有拉伸應(yīng)變階段,在預(yù)裂時將試件的最大拉伸應(yīng)變程度定為4%.彈性階段的斜率被定義為ECC材料的拉伸彈性模量,表征了ECC材料彈性階段的剛度;線彈性階段結(jié)束時拐點對應(yīng)的拉伸應(yīng)力為ECC材料的初始開裂強度,表征了ECC基質(zhì)的開裂強度.

        (a) 1個干濕循環(huán)后

        (b) 10個干濕循環(huán)后

        (c) 15個干濕循環(huán)后

        表4 ECC材料的拉伸力學(xué)性能

        圖8 ECC材料的拉伸力學(xué)行為

        2.2.1 自愈合行為對ECC拉伸力學(xué)恢復(fù)的影響

        為研究自愈合對ECC拉伸力學(xué)恢復(fù)的影響,將試件通過單軸拉伸實驗預(yù)拉伸至1%,2%,3%和4%的應(yīng)變水平,圖9為ECC試件預(yù)裂過程中的拉伸應(yīng)力曲線,通過該預(yù)裂曲線可得到ECC試件的彈性拉伸模量與初始開裂強度.在經(jīng)過自愈合養(yǎng)護之后,通過對二次拉伸的曲線和預(yù)裂的曲線分別得到的該ECC試件的彈性拉伸模量、初始開裂強度進行對比研究,便可直觀地看出自愈合對ECC彈性模量與初始開裂強度恢復(fù)的影響.

        圖9 ECC的預(yù)裂曲線

        水泥基混凝土的自愈合與其材料內(nèi)膠凝材料的組成和裂縫寬度有關(guān),ECC材料的開裂模式為多縫開裂,裂縫寬度與裂縫條數(shù)均會對力學(xué)行為自愈合產(chǎn)生影響.經(jīng)過拉伸預(yù)裂之后,ECC試件的裂縫數(shù)量與平均裂縫寬度如表5所示.隨著預(yù)裂拉伸應(yīng)變從1%增大到4%,裂縫數(shù)量由15條增加到41條,但平均裂縫寬度沒有變化,保持在30 μm.

        表5 ECC試件單軸拉伸之后的裂縫信息

        圖10為預(yù)裂至2%拉伸應(yīng)變試件未經(jīng)過自愈合在二次拉伸時的拉伸行為.從圖中可看出經(jīng)過二次拉伸實驗后,與預(yù)裂時曲線相比,未自愈合的試件曲線中沒有出現(xiàn)初始開裂階段,且剛度大幅度降低,僅為預(yù)裂曲線的8.8%.最大拉伸應(yīng)變與拉伸強度分別為3.2%與5.9 MPa.與圖8所展示的ECC材料力學(xué)行為相比,試件剛度降低了91%,最大拉伸應(yīng)變降低了28%,而拉伸強度并沒有變化,這是由于ECC材料的最大拉伸強度是由纖維橋接應(yīng)力所決定的,預(yù)裂試件達到2%拉伸應(yīng)變時纖維的橋接應(yīng)力并沒有達到其最大值,因此在二次拉伸實驗時,殘余的纖維橋接應(yīng)力繼續(xù)發(fā)揮作用,直到試件出現(xiàn)集中裂縫斷裂.

        圖10 未自愈合預(yù)裂試件的二次拉伸行為

        圖11為經(jīng)過15個干濕循環(huán)養(yǎng)護后各不同預(yù)裂程度ECC試件的二次拉伸力學(xué)行為.由圖可看出,自愈合后的二次拉伸曲線出現(xiàn)了線彈性階段,試件的剛度與初始開裂強度有所恢復(fù),預(yù)裂至1%,2%,3%和4%拉伸應(yīng)變水平的ECC試件的初始開裂強度分別恢復(fù)到了1.82,1.42,1.80和1.50 MPa.對于各個拉伸預(yù)裂程度的ECC試件,其最大拉伸應(yīng)變都恢復(fù)到4%左右,幾乎與ECC材料自身的最大拉伸應(yīng)變一樣;最大拉伸強度都在5.9 MPa左右,與ECC材料自身的最大拉伸強度相比并沒有變化.預(yù)裂試件的纖維橋接應(yīng)力在預(yù)裂過程中并沒有達到其最大值,因此不論是否經(jīng)過自愈合,二次拉伸時ECC試件的最大拉伸強度均與材料自身的強度一致.通過與圖8對比表明,自愈合使得ECC的初始開裂強度、試件剛度與最大拉伸應(yīng)變都有所恢復(fù)(對拉伸強度的影響不在本研究考慮范圍之內(nèi)).

        (a) 預(yù)裂至1%和2%時的二次拉伸

        (b) 預(yù)裂至3%和4%時的二次拉伸

        為了較為直觀地評價自愈合后ECC材料的拉伸力學(xué)恢復(fù)程度,將自愈合后ECC的拉伸力學(xué)性能指標(biāo)除以ECC自身的性能指標(biāo)(見表4)即可得到各性能指標(biāo)的恢復(fù)程度.如圖12所示,自愈合后ECC的力學(xué)性能均有較大程度的恢復(fù).預(yù)裂至1%的ECC試件的剛度可以恢復(fù)到90%以上,隨著預(yù)裂程度的增大,剛度的恢復(fù)程度逐漸減小,預(yù)裂至4%的ECC試件剛度的恢復(fù)程度降低至58%,依然遠遠大于未自愈合試件的殘余剛度(見圖10),這是由于預(yù)裂程度大預(yù)示著試件上裂縫條數(shù)多,試件破損程度大.如圖10所示,未自愈合試件二次拉伸時沒有出現(xiàn)初始開裂階段,經(jīng)過自愈合后,ECC的初始開裂強度恢復(fù)到39%以上,預(yù)裂至1%的ECC試件的初始開裂強度可達到50%,其恢復(fù)程度并沒有隨著預(yù)裂程度的變化有明顯的變化趨勢,由于初始開裂強度是由ECC基質(zhì)性能所決定的,因此初始開裂強度的恢復(fù)表明自愈合使得ECC的基質(zhì)性能有所恢復(fù).由圖10可知,預(yù)裂至2%的ECC試件未經(jīng)自愈合,其二次拉伸應(yīng)變?yōu)?.2%,為ECC材料最大拉伸應(yīng)變能力的72%.而自愈合后預(yù)裂試件的最大拉伸應(yīng)變能力可恢復(fù)到90%以上(見圖12).自愈合對最大拉伸應(yīng)變能力恢復(fù)作用的機理可能是在預(yù)裂過程中,ECC試件上產(chǎn)生很多微裂縫,在裂縫開裂過程中,一方面穿過裂縫的橋接纖維一部分已經(jīng)與周圍基質(zhì)脫離,經(jīng)歷了滑移過程,一部分在拔出過程中也受到損傷,而自愈合過程可能使得纖維/基質(zhì)界面得到修復(fù),改善了纖維橋接行為,從而改善了ECC的應(yīng)變硬化行為,導(dǎo)致最大拉伸應(yīng)變能力的恢復(fù);另一方面,起橋接裂縫作用的纖維有的已經(jīng)被拔斷,經(jīng)過自愈合后,自愈合產(chǎn)物附著在拉斷的纖維中間,使得拔斷的纖維重新連接在一起.

        圖12 自愈合后ECC拉伸力學(xué)性能的恢復(fù)程度

        2.2.2 自愈合ECC試件二次拉伸后的裂縫形態(tài)

        如表5所示,經(jīng)過二次拉伸后,試件表面的裂縫數(shù)量較預(yù)裂過程中產(chǎn)生的裂縫數(shù)量有所增多.自愈合后ECC試件經(jīng)過二次單軸拉伸之后的裂縫形態(tài)主要有3種:自愈合的裂縫重新開裂、產(chǎn)生新的裂縫、自愈合后的裂縫未重新開裂,如圖13所示.經(jīng)過自愈合后,初始開裂強度最多恢復(fù)到50%(見圖12),小于基質(zhì)本身的開裂強度,在二次拉伸過程中,有些自愈合后的裂縫會首先開裂.

        (a) 自愈合后裂縫重新開裂和形成的新裂縫

        (b) 自愈合后裂縫未重新開裂和形成的新裂縫

        由于裂縫間的纖維橋接面承受外部荷載,使得試件受到的拉伸應(yīng)力繼續(xù)上升.在預(yù)裂時ECC試件并未達到其最大拉伸應(yīng)變能力,仍然存在繼續(xù)被拉伸的潛能,即試件仍然有繼續(xù)開裂的潛能,因此在二次拉伸過程中,當(dāng)外加荷載大于基質(zhì)的開裂強度時,仍會有新的裂縫開裂.如圖13(b)所示,當(dāng)ECC試件發(fā)生集中裂縫斷裂破壞時,有一部分自愈合后的裂縫沒有開裂,這種現(xiàn)象表明自愈合作用可以使得一部分自愈合裂縫的開裂強度大于基質(zhì)開裂強度.

        3 結(jié)論

        1) ECC試件在預(yù)裂之后,其共振頻率有著明顯的下降,且隨著預(yù)裂程度的增大,共振頻率也隨之降低;隨著自愈合干濕循環(huán)養(yǎng)護次數(shù)的增加,自愈合產(chǎn)物逐漸從裂縫兩側(cè)向中間生長,15個循環(huán)后將裂縫填充滿.經(jīng)過自愈合之后,共振頻率可恢復(fù)程度都可達到82%以上,說明自愈合行為對預(yù)裂ECC有著很高的恢復(fù)程度.

        2) 未自愈合預(yù)裂ECC試件的二次拉伸應(yīng)變、試件剛度有著明顯的下降,分別下降了28%與91%,且沒有出現(xiàn)初始開裂階段.經(jīng)過自愈合后,預(yù)裂ECC的二次拉伸性能有著明顯的恢復(fù),重新出現(xiàn)了初始開裂階段;最大拉伸應(yīng)變恢復(fù)程度在90%以上.以上現(xiàn)象說明自愈合行為可以使得預(yù)裂ECC的拉伸力學(xué)性能有著很大程度的恢復(fù).

        3) 經(jīng)過自愈合后,預(yù)裂試件在經(jīng)過二次單軸拉伸之后,試件上的裂縫形態(tài)主要有3種:自愈合的裂縫重新開裂、產(chǎn)生新的裂縫、自愈合后的裂縫未重新開裂.未重新裂開的自愈合裂縫表明自愈合作用可以使得一部分自愈合裂縫的開裂強度大于基質(zhì)開裂強度.

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        Effect of self-healing behavior on recovery of mechanical properties of engineered cementitious composites

        Deng Hanwen1Qian Shunzhi1,2

        (1School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)
        (2School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore)

        In order to study the effect of self-healing behavior on recovery of mechanical properties of engineered cementitious composites (ECC) with high-volume fly ash, a new method for measuring the health/damage condition of concrete materials with resonance frequency is proposed. The resonance frequency test, uniaxial tensile test and optical microscope are employed to study the resonance frequency, stiffness, first cracking strength, tensile strain and crack pattern of ECC. The experimental results show that the resonance frequency can be recovered to more than 82% after 15 curing cycles. The second tensile properties of the pre-cracked ECC were obviously recovered, and the initial cracking stage reemerged. The degree of stiffness recovery can reach more than 58%, and the maximum tensile strain recovery degree is above 90%. Self-healing behavior can make the cracking strength of a part of self-healing crack more than that of the matrix. Therefore, it is feasible to produce ECC materials with high-volume fly ash, while maintaining higher material ductility and self-healing behavior simultaneously.

        engineered cementitious composite;mechanical property; self-healing; resonance frequency

        10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.024

        2016-11-15. 作者簡介: 鄧涵文(1986—),男,博士生;錢吮智(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,sqian@seu.edu.cn.

        國家自然科學(xué)基金資助項目(51278097)、江蘇省六大人才高峰計劃資助項目(2011-JZ-011).

        鄧涵文,錢吮智.自愈合行為對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能恢復(fù)的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(4):785-792.

        10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.024.

        U414

        A

        1001-0505(2017)04-0785-08

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