（重慶工程學(xué)院，重慶市，400056） 孫 鳳

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶市，400044） 張志剛

（重慶高新城市建設(shè)集團有限公司，重慶市，400039） 向秋實

近年來興起的高延性水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite,簡稱ECC），因其獨特的多裂縫、微裂縫的開裂特性，使得水泥基材料裂縫的“自我修復(fù)”成為可能，大大提高了基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性。但是目前針對ECC 材料自修復(fù)的研究大都是在卸載后進行的，且研究內(nèi)容主要集中在宏觀層面，如環(huán)境變量對自修復(fù)的影響以及力學(xué)性能的恢復(fù)等方面。本文基于ECC 材料在交通基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)用中總是處于持載作用下的實際情況，提出研究在持載下ECC材料的自修復(fù)行為的研究路徑，基于微觀力學(xué)理論，從多尺度層面探究ECC自修復(fù)對其力學(xué)性能的影響機理。

1 持載下高延性水泥基復(fù)合材料的自修復(fù)分析的關(guān)鍵點

ECC在持載狀態(tài)下，其裂寬約為在卸載狀態(tài)下的兩倍，裂寬的不同將會影響自修復(fù)產(chǎn)物的形成過程，且纖維自身在持載/卸載下所處的拉伸狀態(tài)也不同，因此，持載/卸載兩種狀態(tài)必然會影響到自修復(fù)后ECC的材料行為，需要揭示持載狀態(tài)下ECC的自修復(fù)行為及自修復(fù)產(chǎn)物在裂縫內(nèi)的形態(tài)與分布狀況。

ECC 的自修復(fù)現(xiàn)象使其力學(xué)性能（宏觀尺度）有著大幅度的恢復(fù)，ECC的力學(xué)行為與單條裂縫間的纖維橋接作用（中觀尺度）有關(guān)，而單根纖維在基體里的拔出行為（微觀尺度）對纖維橋接作用又有著決定性作用。因此，需要基于微觀力學(xué)理論，從三個尺度層面厘清自修復(fù)現(xiàn)象對ECC 力學(xué)行為恢復(fù)的作用機理，并建立理論模型將各個尺度聯(lián)系起來。

2 持載下高延性水泥基復(fù)合材料的自修復(fù)分析的研究方法與技術(shù)路線

主要研究方法及技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 項目研究方法與技術(shù)路線圖

2.1 基于自修復(fù)功能的ECC材料的研究開發(fā)

基于重慶本地/國材料，考慮提高ECC 自修復(fù)功能的需求，對材料進行初選和配合比試驗；除傳統(tǒng)ECC的原材料組成組分外，擬輔以摻加一定量的高吸水性樹脂材料（SAP）?？紤]到材料纖維分布必須均勻及降低基體斷裂韌性的要求，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標(biāo)準(zhǔn)硅砂[1]。

利用單纖維拔出試驗（如圖2 所示）得到纖維/基體界面參數(shù)（化學(xué)粘結(jié)能Gd、界面摩擦力τ0和纖維滑移硬化系數(shù)β），然后通過對纖維傾角、埋深等積分得到單條裂縫的纖維橋接應(yīng)力與裂縫張開位移之間的關(guān)系（即σ(δ)曲線），并測試不含纖維的ECC材料基體的斷裂韌性，基于ECC設(shè)計的強度與能量準(zhǔn)則，進行材料設(shè)計，確定ECC配比。

圖2 單纖維拔出試驗裝置

2.2 持載狀態(tài)下ECC的自修復(fù)行為研究

基于上述發(fā)展的ECC材料，澆筑后養(yǎng)護至28天齡期，通過單軸拉伸試驗將ECC試件預(yù)拉伸至不同的應(yīng)變水平，參照密歇根大學(xué)Victor C.Li教授課題組自制的拉伸持載裝置[J of Cem.Concr.Compos.2016,72:104-113]使得預(yù)裂的ECC試件一直處于持荷載狀態(tài)，并將其進行干濕循環(huán)養(yǎng)護（模擬現(xiàn)實環(huán)境中雨天/晴天交替）。利用光學(xué)顯微鏡觀測自修復(fù)產(chǎn)物的生長過程，同時利用滲透試驗觀測隨著自修復(fù)過程的發(fā)展，預(yù)裂ECC試件滲透系數(shù)的變化[2]。

待自修復(fù)過程完成后，挑選一部分試件，卸載后通過切割制作出小尺寸試件，以便于進一步觀測分析自修復(fù)產(chǎn)物：利用環(huán)境電子掃描電鏡（ESEM）、透射電鏡（TEM）等對裂縫表面的自修復(fù)產(chǎn)物進行成像表征；對裂縫內(nèi)的自修復(fù)產(chǎn)物進行精確取樣，結(jié)合著X 射線能譜分析（X-EDS）、紅外光譜儀（FTIR）、X 射線衍射（XRD）等對自修復(fù)產(chǎn)物的具體化學(xué)成分進行分析；利用背閃射電子成像（BSE）、高精度的X 射線計算機斷層成像系統(tǒng)（X-CT）結(jié)合著后期圖像處理技術(shù)研究自修復(fù)產(chǎn)物在裂縫空間內(nèi)的三維立體分布狀態(tài)。

對自修復(fù)后的ECC 試件進行二次力學(xué)拉伸試驗，在拉伸過程中，使用高像素照相機對試件進行拍攝，之后利用數(shù)字圖像分析技術(shù)（DIC）對照片進行分析，得到自修復(fù)前后ECC試件上裂縫的開裂狀態(tài)：自修復(fù)的裂縫是否重新開裂、是否有新的裂縫產(chǎn)生、再次開裂后的裂縫寬度分布情況；根據(jù)二次拉伸試驗數(shù)據(jù)分析ECC的拉伸應(yīng)變能力、彈性模量等的恢復(fù)水平與ECC 在卸載下的力學(xué)行為恢復(fù)水平進行對照，得到持載/卸載狀態(tài)對其自修復(fù)行為的影響。

2.3 多尺度下ECC的力學(xué)行為自修復(fù)機理研究

2.3.1 宏觀尺度

通過單軸拉伸實驗將ECC 試件預(yù)拉至不同的拉伸應(yīng)變水平，同時在持載狀態(tài)下觀測記錄在不同應(yīng)變水平下，ECC試件的裂縫條數(shù)以及每條裂縫寬度；利用統(tǒng)計學(xué)原理進行擬合分析，得到在不同應(yīng)變水平下裂縫寬度分布的概率密度函數(shù)P(?,δ)。對預(yù)裂的試件卸載后進行自修復(fù)環(huán)境養(yǎng)護，然后對其再進行拉伸至破壞，得到ECC 的拉伸應(yīng)變能力、彈性模量等的恢復(fù)水平[3]。

2.3.2 中觀尺度

將帶切口試件（保證ECC 試件單縫開裂）進行預(yù)裂至不同的裂縫寬度水平（圖3），自修復(fù)養(yǎng)護后對試件進行再次拉伸試驗直至破壞。通過比較前后兩次拉伸后ECC 的彈性模量與纖維橋接應(yīng)力水平，以此評價ECC在中觀尺度下單裂縫的自修復(fù)行為。且通過擬合分析得到自修復(fù)后ECC 彈性模量的恢復(fù)水平與裂縫寬度的關(guān)系SE(δ)。

圖3 切口試件的單縫開裂試驗

2.3.3 建立多尺度數(shù)學(xué)模型

利用數(shù)理統(tǒng)計與微觀力學(xué)理論建立多尺度數(shù)學(xué)模型，以a)中的P(?,δ)和b)中的SE(δ)作為輸入?yún)?shù)，在理論上預(yù)估自修復(fù)后宏觀尺度下ECC的彈性模量恢復(fù)水平RE(δ)。同時通過a)中獲得的其彈性模量恢復(fù)的實驗值與理論值比較，并對理論模型進行驗證。

2.3.4 微觀尺度

利用單纖維拔出實驗，研究微觀尺度下自修復(fù)行為對纖維/基體界面性能的影響，典型的單纖維拔出曲線示意圖（如圖4）。在試驗過程中，當(dāng)曲線到達Pb 點時（即界面脫粘（debonding）階段結(jié)束），即停止試驗并將試件取下放入水中養(yǎng)護，待自修復(fù)過程結(jié)束后，再對試件進行試驗，得出自修復(fù)后纖維/基體界面參數(shù)；然后同上述1a)中得到的界面參數(shù)進行對比分析得出自修復(fù)行為對纖維/基體界面行為的影響。最后基于自修復(fù)后得到的纖維/基體界面參數(shù)，依據(jù)微觀力學(xué)理論推算出中觀尺度下單裂縫的纖維橋接應(yīng)力，并與b)中的試驗值進行對照。

圖4 典型單纖維拔出曲線示意圖

3 結(jié)語

通過該路徑的ECC 材料持載下自修復(fù)行為研究，將進一步豐富ECC 自修復(fù)研究領(lǐng)域的成果，深化對ECC自修復(fù)特性的認識，完善該領(lǐng)域的知識體系，提高ECC 材料在實際基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)用中（如高速公路橋梁伸縮縫、橋面連接板、隧道襯砌、鋼橋面鋪裝等）的耐久性，延長基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命，減少全壽命周期內(nèi)的維修養(yǎng)護成本，具有較高的社會經(jīng)濟效益和廣闊的市場應(yīng)用前景。