鮑文博，王懷成，王東旭

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

水泥基復(fù)合材料是應(yīng)用最為廣泛、用量最大的建筑材料之一.但水泥基復(fù)合材料也有其自身的缺點(diǎn)，其脆性較大、韌性較差，收縮變形大及抗裂能力低，導(dǎo)致水泥基結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中，即使受到不大的拉應(yīng)力作用，也會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象，這就會(huì)影響到材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性.因此，如何及時(shí)有效地解決水泥基材料抗裂及裂縫修復(fù)問(wèn)題，已成為工程界和學(xué)術(shù)界十分關(guān)注的研究熱點(diǎn).關(guān)于裂縫的修復(fù)，主要分為人工修復(fù)和自修復(fù).裂縫產(chǎn)生后，人工修復(fù)無(wú)法修復(fù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫，只能修復(fù)表面，無(wú)法長(zhǎng)期保證對(duì)材料的修復(fù)效果.自修復(fù)是指靠材料自身的性質(zhì)來(lái)使裂縫減小乃至完全愈合，與人工修復(fù)相比，其可以使修復(fù)作用滲透到材料的內(nèi)部，從而保護(hù)材料的力學(xué)性能和耐久性，并且自修復(fù)具有費(fèi)用低，不需要人為預(yù)先干預(yù)等特點(diǎn)，但也有受到裂縫寬度和環(huán)境等因素的限制等缺陷.水泥基材料自修復(fù)即自愈合現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為解決水泥基復(fù)合材料的抗裂問(wèn)題提供了新觀點(diǎn)、新思路，對(duì)水泥基復(fù)合材料自愈合性能的研究有助于解決實(shí)際工程中的水泥基抗裂問(wèn)題.

早在1836年便有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了混凝土微小裂縫的愈和現(xiàn)象[1].1925年，學(xué)者Abram首先發(fā)現(xiàn)混凝土的自愈合現(xiàn)象，放置在戶外的抗拉開(kāi)裂試件8年后愈合了，并且強(qiáng)度較之前提高約2倍多.自此學(xué)者們對(duì)水泥基復(fù)合材料的研究才逐漸開(kāi)展起來(lái).自沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)新型建材研究團(tuán)隊(duì)成立以來(lái)，從高性能、節(jié)約資源的角度出發(fā)，致力于高性能、綠色環(huán)保的水泥基復(fù)合材料的研究，用工業(yè)廢料尾礦砂大比例替代水泥基復(fù)合材料中的細(xì)骨料，并使用大比例的粉煤灰來(lái)替代水泥，研制出了綠色韌性水泥基復(fù)合材料GTCC.到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)普通混凝土的自愈合研究較多[2-4]，但對(duì)具有綠色環(huán)保意義的水泥基復(fù)合材料[5]自愈合性能的研究還不夠充分，本文試驗(yàn)是在該綠色韌性水泥基復(fù)合材料已完成的力學(xué)性能研究基礎(chǔ)上[6]，對(duì)材料的兩種組份，即不同尾礦砂和PVA纖維摻量對(duì)自愈合性能的影響進(jìn)行研究分析，為其在今后實(shí)際工程中對(duì)抗裂及裂縫修復(fù)等問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)且具有重要意義.

1 試驗(yàn)方案

在保證不影響材料基本力學(xué)性能，并在對(duì)尾礦砂替代率有一定研究的前提下[7]，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9組配比，其中PVA纖維的體積摻量分別為0、1.5%和2%三種，尾礦砂替代天然砂的比率分別為0、25%和50%，參考《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13：2009)[8]設(shè)計(jì)配合比.表1為試驗(yàn)方案配合比.

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

1.1 材料

試驗(yàn)采用PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用粒徑范圍在0.150～0.315 mm的尾礦砂及天然砂，PVA纖維長(zhǎng)度為12 mm，粉煤灰采用電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰.添加1%摻量的減水劑及0.13%增稠劑，以保證PVA纖維在攪拌過(guò)程中具有良好的分散性.

1.2 試件制備及試驗(yàn)方法

參考國(guó)內(nèi)外纖維混凝土相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為使試驗(yàn)結(jié)果能夠與已有自愈合研究的成果做對(duì)比，本文試驗(yàn)試件采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊.按照表1配合比制備水泥基試件，成型出模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，測(cè)其抗壓強(qiáng)度.

根據(jù)每組試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)其余試件進(jìn)行預(yù)制裂紋處理.預(yù)制裂縫是指將試件放到壓力機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，平穩(wěn)緩慢地加載(速率為0.5～1 kN/s)，當(dāng)壓力機(jī)讀數(shù)為該組試件極限抗壓強(qiáng)度的85%時(shí)停止加載，持荷3～5 min，此時(shí)試件表面有肉眼可見(jiàn)的微小裂縫，說(shuō)明試件出現(xiàn)了損傷，并且試件仍然可以保持完整，取其一組放置12 h后，測(cè)其破損后剩余強(qiáng)度.將上述經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫處理的試件和對(duì)比組(未經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫處理)繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別養(yǎng)護(hù)至60、120 d(以預(yù)制裂縫完成后的時(shí)間開(kāi)始計(jì)算)，再次測(cè)其抗壓強(qiáng)度，計(jì)算其強(qiáng)度恢復(fù)率和強(qiáng)度增長(zhǎng)率，該計(jì)算強(qiáng)度恢復(fù)率和強(qiáng)度增長(zhǎng)率的方法稱之為強(qiáng)度恢復(fù)法.每組配比自愈合強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)方法如表2所示.

表2 試驗(yàn)方法Tab.2 Experimental methods

表2中，每種配比保證至少有6組有效試件，每組3個(gè)；預(yù)制裂縫時(shí)的齡期為28 d；預(yù)制裂縫(PPC)是指加載到極限抗壓強(qiáng)度的80%時(shí)停止加載，完成制備，最大荷載=0.8×極限抗壓強(qiáng)度；破損后剩余強(qiáng)度(fr)是指預(yù)制裂縫后放置12 h，以相同加載方向加載，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度；自愈合養(yǎng)護(hù)齡期為60、120 d(從部分破損后養(yǎng)護(hù)起計(jì)算)；fpr60、fpr120為自愈合養(yǎng)護(hù)后恢復(fù)強(qiáng)度(分別對(duì)應(yīng)經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫養(yǎng)護(hù)處理，再經(jīng)過(guò)自愈合養(yǎng)護(hù)至60、120 d的強(qiáng)度)；f28、f88、f148為材料強(qiáng)度(分別對(duì)應(yīng)28、88、148 d齡期的試件立方體抗壓強(qiáng)度)；KⅠ、KⅡ分別為自愈合養(yǎng)護(hù)齡期到60、120 d時(shí)的強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)齡期未破損試件的強(qiáng)度比值，即強(qiáng)度恢復(fù)率；SⅠ、SⅡ分別為以自愈合養(yǎng)護(hù)齡期60 d為一個(gè)階段，前后兩個(gè)階段的強(qiáng)度增長(zhǎng)程度，即強(qiáng)度增長(zhǎng)率.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 尾礦砂替代率對(duì)GTCC自愈合性能影響

圖1為尾礦砂替代率對(duì)GTCC自愈合性能的影響.圖1中橫坐標(biāo)表示在纖維摻量一定的情況下(纖維體積摻量分別為0、1.5%、2%)，尾礦砂的替代比率，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度恢復(fù)率.

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著尾礦砂替代率的提高，GTCC的強(qiáng)度恢復(fù)率也隨之提高.三種不同尾礦砂配比試件中，摻加了尾礦砂的試件強(qiáng)度均能夠恢復(fù)至未經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫處理試件的極限抗壓強(qiáng)度，甚至更高.其中，替代率為1/2的試件強(qiáng)度恢復(fù)率最高，能夠恢復(fù)至對(duì)比組試件抗壓強(qiáng)度的1.0～1.08倍.在合理配合比以保證尾礦砂替代天然砂后材料力學(xué)性能穩(wěn)定的情況下，用部分尾礦砂替代天然砂可以提高GTCC的自愈合能力.當(dāng)替代率為1/2時(shí)，材料的強(qiáng)度恢復(fù)率最好.對(duì)比圖1的曲線趨勢(shì)可知，尾礦砂替代率的提高在自愈合養(yǎng)護(hù)后期，對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)率的影響較小.

圖1 強(qiáng)度恢復(fù)率尾礦砂摻量曲線Fig.1 Relationship between strength recovery rate and tailings sand content

使用尾礦砂能夠提高GTCC自愈合性能的主要原因是：在機(jī)械破碎形成的尾礦砂內(nèi)部存在大量微裂縫，在制備材料時(shí)，能夠吸收部分水分，在自愈合養(yǎng)護(hù)期間，裂縫內(nèi)部水分起到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)的同時(shí)也可參與到自愈合過(guò)程中，并且由于尾礦砂本身顆粒粗糙、形狀多棱角、其內(nèi)部摩擦力大，在合理配合比前提下，材料強(qiáng)度可有所提高[9]，該性質(zhì)也可使得愈合后的材料強(qiáng)度得以提高.因此，尾礦砂在GTCC中部分替代天然砂可以提高水泥基材料的自愈合性能.

2.2 PVA纖維摻量對(duì)GTCC自愈合性能影響

圖2為PVA纖維摻量對(duì)GTCC自愈合性能的影響.圖2中橫坐標(biāo)表示在尾礦砂替代比率一定的情況下(尾礦砂替代率分別為0、1/4、1/2)，PVA纖維的體積摻量，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度恢復(fù)率.

試驗(yàn)結(jié)果表明，使用纖維可以很大程度地提高GTCC的自愈合性能，但纖維的摻量也不宜過(guò)高.在3個(gè)不同纖維體積摻量配比中，纖維體積摻量為1.5%的強(qiáng)度恢復(fù)率最高，系數(shù)大小在1.03～1.08之間.當(dāng)尾礦砂替代率為1/2、纖維體積摻量為1.5%時(shí)，試件的強(qiáng)度恢復(fù)率達(dá)到了約1.08，即在預(yù)制裂縫并養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，其立方體抗壓強(qiáng)度比未經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫處理試件的強(qiáng)度有所提高.但纖維體積摻量繼續(xù)增加后，其強(qiáng)度恢復(fù)率有所降低，且抗壓強(qiáng)度較1.5%纖維摻量試件的強(qiáng)度低.在GTCC中使用纖維能顯著提高水泥基抗裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展能力，這與已有自愈合研究的相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果一致[10].

圖2 強(qiáng)度恢復(fù)率-PVA纖維體積摻量曲線Fig.2 Relationship between strength recovery rate and volume fraction of PVA fiber

使用纖維能夠提高GTCC自愈合性能的主要原因是：當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)，未斷裂且連接兩裂縫面的纖維可以起到抗拉和阻裂的作用，并能夠消除裂縫尖端的應(yīng)力集中，纖維拉力及水化產(chǎn)物填補(bǔ)裂縫的共同作用使得在接下來(lái)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間里，材料的裂縫得以愈合，強(qiáng)度得以提高甚至恢復(fù)至比未損傷的試件強(qiáng)度還高.

2.3 齡期對(duì)GTCC自愈合性能影響

圖3為齡期對(duì)GTCC自愈合性能的影響.圖3中橫坐標(biāo)表示不同配比的試件編號(hào)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度增長(zhǎng)率.

圖3 強(qiáng)度增長(zhǎng)率Fig.3 Strength increasing rates

對(duì)比自愈合養(yǎng)護(hù)齡期前60 d與后60 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率可以發(fā)現(xiàn)，前60 d養(yǎng)護(hù)階段的強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯高于后60 d養(yǎng)護(hù)階段時(shí)的強(qiáng)度增長(zhǎng)率.這主要是因?yàn)樵谧杂橡B(yǎng)護(hù)初期，水化產(chǎn)物生成快并逐漸在裂縫斷面堆積，阻礙進(jìn)一步的水化反應(yīng)，并且養(yǎng)護(hù)后期能夠發(fā)生水化反應(yīng)的物質(zhì)也較初期少，從而導(dǎo)致自愈合系數(shù)隨著齡期的增長(zhǎng)而減緩.

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)不同尾礦砂替代率及纖維體積摻量的GTCC應(yīng)用強(qiáng)度恢復(fù)法進(jìn)行分析，對(duì)得出的強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1) 在合理配比情況下，用尾礦砂部分替代天然砂可以增加GTCC的自愈合性能.替代率為天然砂1/2時(shí)，可以在保證各項(xiàng)力學(xué)性能的同時(shí)，提升GTCC的自愈合能力.

2) GTCC中纖維的使用可以顯著提高材料的自愈合性能，但其體積摻量不宜超過(guò)2%，當(dāng)纖維摻量約為1.5%時(shí)，經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后的損傷試件立方體抗壓強(qiáng)度可以恢復(fù)至原強(qiáng)度，甚至高于原強(qiáng)度，自愈合性能表現(xiàn)最好.

3) 在裂縫產(chǎn)生并進(jìn)行自愈合養(yǎng)護(hù)的前期，材料的自愈合能力較強(qiáng)，能夠很快地恢復(fù)甚至超過(guò)其極限抗壓強(qiáng)度.材料自愈合強(qiáng)度恢復(fù)能力會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減緩.