譚 燕,趙 ,肖 衡 林,龍 雄,萬 祥 淼

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068)

0 引 言

水泥混凝土是近現(xiàn)代最大宗的人造材料,被廣泛應(yīng)用于水利建筑工程。作為一種典型的無機(jī)復(fù)合材料,水泥混凝土存在質(zhì)脆易裂的缺點(diǎn),在拉伸或彎曲載荷作用下,混凝土容易出現(xiàn)裂紋,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性能急速降低[1]。

高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)是一種綠色、高性能的建筑材料,通過高強(qiáng)度和高彈性模量的聚合物纖維增強(qiáng),ECC擁有優(yōu)良的拉伸性能和應(yīng)變硬化的特性[2-3],其拉伸應(yīng)變通常大于3%[4-5],是普通混凝土的300多倍,被稱為“可拉伸和可彎曲的混凝土”[6-7]。ECC的拉伸和彎曲變形能力源于材料在載荷作用下持續(xù)出現(xiàn)的細(xì)密、飽和裂縫。裂縫寬度一般介于0.05～0.1 mm之間,明顯小于規(guī)范GB/T 50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]的規(guī)定。雖然微裂縫對(duì)工程結(jié)構(gòu)的承重、防滲危害很小,但是當(dāng)受到溫差和滲流等因素作用后,微裂縫可能會(huì)不斷擴(kuò)展,最終形成有損結(jié)構(gòu)承載力的宏觀裂縫[9]。因此,促進(jìn)ECC裂縫處的自愈合有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全及耐久性能。

近年來,水泥基復(fù)合材料裂縫自愈合技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn),目前自愈合技術(shù)主要分為自然自愈合、滲透結(jié)晶自愈合、微膠囊自愈合、仿生技術(shù)自愈合、形狀記憶合金自愈合等[10-12]。自然自愈合能力有限,效果較差,微膠囊、仿生技術(shù)和形狀記憶合金等自愈合不僅昂貴,而且對(duì)環(huán)境要求較高,在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)[13]。而滲透結(jié)晶自愈合具有綠色環(huán)保、愈合環(huán)境要求簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn),滲透結(jié)晶自愈合通過摻入水泥基滲透結(jié)晶型防水材料(CCCW)實(shí)現(xiàn),當(dāng)基體出現(xiàn)裂縫時(shí),CCCW中的活性物質(zhì)能與水反應(yīng)生成不溶于水的結(jié)晶體,修補(bǔ)裂縫和填充孔隙,從而提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)性[14]。CCCW的修復(fù)效果受多種因素影響,包括使用方法、材料成分和養(yǎng)護(hù)環(huán)境等,一般認(rèn)為CCCW作為外加劑比作為涂料能更好地提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,而水浸是最有利的養(yǎng)護(hù)環(huán)境。CCCW對(duì)材料的和易性影響很小,加入CCCW可以提高材料的應(yīng)變能力[15]。CCCW對(duì)寬度小于0.3mm的裂縫有著較好的修復(fù)效果,當(dāng)CCCW材料用量合適時(shí),可以大大提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)及耐久性能[16]。

但是,目前對(duì)CCCW的研究主要集中于普通混凝土[17-19],而關(guān)于它對(duì)ECC性能的影響研究較少,特別是對(duì)拉伸性能和自愈合性能方面的研究還不夠深入。近年來,聚乙烯(PE)纖維由于具有良好的疏水性和纖維橋接能力,被作為ECC的首選纖維增強(qiáng)材料[20]。因此,本文以摻入超高分子量聚乙烯短切纖維的ECC(PE-ECC)為基準(zhǔn)組,研究摻入國(guó)內(nèi)外不同類型及摻量的CCCW對(duì)PE-ECC力學(xué)性能和自愈合性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料和配合比設(shè)計(jì)

原材料使用PII 52.5級(jí)硅酸鹽水泥、一級(jí)粉煤灰、超細(xì)砂和多元羧酸高效減水劑,水泥和粉煤灰的化學(xué)組成見表1。所用超高分子量聚乙烯短切纖維如圖1所示,纖維長(zhǎng)度12 mm,纖維直徑25 μm,密度0.97 g/cm3,彈性模量116 GPa,分子量100萬～500萬,以1.5%體積摻量摻入[21]。

表1 原材料的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of raw materials %

本次研究選用加拿大XYPEX和武漢理工大學(xué)余劍英團(tuán)隊(duì)研發(fā)的SY1000兩種類型CCCW,采用布魯克D8 advance X射線衍射儀(XRD)和BT-9300S型激光粒度分布儀對(duì)其物相組成和粒徑進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖2～3所示,CCCW摻量設(shè)置為膠凝材料的0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,配合比如表2所列。

圖2 CCCW物相組成Fig.2 Phase composition of CCCW

圖3 CCCW粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of CCCW

表2 試件配合比Tab.2 Mixing ratio of different samples kg/m3

經(jīng)激光粒度分布儀檢測(cè)分析可得:XYPEX型和SY1000型CCCW體積平均徑分別為19.46 μm和41.33 μm;面積平均徑分別為4.20 μm和13.48 μm;峰值粒徑分別為22.48 μm和46.42 μm;粒徑分布寬度分別為2.90和1.42。

1.2 試件制作與試驗(yàn)方法

1.2.1試件制作

攪拌使用LJ-XLG50E型ECC專用攪拌機(jī),首先加入80%的水,然后加入水泥、砂、粉煤灰和減水劑,在攪拌過程中加入剩下20%的水,3～5 min后逐漸加入PE纖維,然后攪拌5 min左右使纖維分散均勻,最后裝入模具,覆膜1 d后拆模將試件在恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2.2力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試

使用DYE-300S型微機(jī)伺服水泥抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試,試件尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和40 mm×40 mm×160 mm,抗拉試驗(yàn)使用WDW-100C型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),試件類型采用狗骨型平板試件。

1.2.3自愈合試驗(yàn)測(cè)試

自愈合試驗(yàn)在溫度20 ℃、濕度95%的環(huán)境下進(jìn)行,試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,澆筑試件前用100 mm×120 mm鋼片放置模具中央,裂縫深度均為100 mm,隨后澆筑,在終凝(約6 h)前輕輕拔出鋼片。使用共振頻率測(cè)定儀每隔7 d測(cè)量其共振頻率,使用KS-105型無線裂縫測(cè)寬儀每隔14 d在裂縫中間測(cè)量縫寬,初始縫寬如圖4所示。

圖4 裂縫寬度Fig.4 Crack width

1.2.4壓汞法(MIP)測(cè)試

采用麥克AutoPore Iv 9520型壓汞儀(MIP)測(cè)量PE-ECC和CCCW-PE-ECC孔隙分布,可分析孔徑范圍5～340 000 nm。

1.2.5X射線衍射儀(XRD)測(cè)試

采用布魯克D8 advance X射線衍射儀(XRD)對(duì)PE-ECC及CCCW-PE-ECC自愈合產(chǎn)物進(jìn)行物相成分測(cè)試。

1.2.6掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試

采用捷克TESCAN MIRA LMS掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PE-ECC和CCCW-PE-ECC基體表面和自愈合產(chǎn)物微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

CCCW-PE-ECC(X)與CCCW-PE-ECC(S)試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度如圖5所示。當(dāng)CCCW摻量為0.5%,1%,1.5%,2.0%時(shí),CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)的強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組,這是因?yàn)镃CCW中含有大量Ca2+、SiO32-離子,能夠生成更多的CaCO3和水化硅酸鈣(C-S-H)等凝膠產(chǎn)物,提高了基體的密實(shí)程度。隨著CCCW摻量的增加,CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈先增強(qiáng)后減弱趨勢(shì),CCCW-PE-ECC(X1.0%)與CCCW-PE-ECC(S1.0%)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,抗壓強(qiáng)度分別為53.8 MPa和51.3 MPa,相較于PE-ECC分別提高了37.95%和31.54%;抗折強(qiáng)度分別為11.8 MPa和9.5 MPa,相較于PE-ECC分別提高了53.25%和23.38%。摻XYPEX型CCCW對(duì)PE-ECC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升效果更為明顯,這是因?yàn)閄YPEX型CCCW粒度更細(xì),水泥水化反應(yīng)更為充分,水化產(chǎn)物增多,能夠填補(bǔ)更多孔隙和裂縫,與PE-ECC基體材料和纖維結(jié)構(gòu)結(jié)合更為緊密,對(duì)強(qiáng)度的提升效果更為明顯。

圖5 CCCW-PE-ECC(X)與CCCW-PE-ECC(S)試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength and flexural strength of CCCW-PE-ECC(X) and CCCW-PE-ECC (S) specimen

CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)試件的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示,在拉伸試驗(yàn)中,PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)均展現(xiàn)出優(yōu)異的裂縫控制能力,拉伸后呈現(xiàn)的是應(yīng)變強(qiáng)化行為,破壞方式并不像普通混凝土表現(xiàn)為脆性破壞,而是由一條裂縫延伸為多條細(xì)密裂縫的延性破壞,這表明在單軸拉伸的作用下,隨著應(yīng)變的不斷增加,材料仍可持續(xù)承受更高的荷載,由初裂點(diǎn)的開裂逐漸發(fā)展為整體范圍內(nèi)的多縫開裂。

圖6 CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)試件受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile stress-strain curves of CCCW-PE-ECC(X) and CCCW-PE-ECC (S) specimen

CCCW-PE-ECC(X)與CCCW-PE-ECC(S)試件的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。隨著CCCW摻量的增加,CCCW-PE-ECC(X)與CCCW-PE-ECC(S)試件的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變均呈先增后減趨勢(shì),CCCW-PE-ECC(X1.0%)與CCCW-PE-ECC(S1.0%)極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變達(dá)到最大值,極限拉應(yīng)力分別為5.56 N/mm2和5.28 N/mm2,相較于基準(zhǔn)組分別提升了14.17%和8.42%;極限拉應(yīng)變分別為7.53%和7.11%,相較于基準(zhǔn)組分別提升了21.65%和14.86%。CCCW-PE-ECC(X2.0%)與CCCW-PE-ECC(S2.0%)極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變?yōu)樽钚≈?極限拉應(yīng)力分別為4.15 N/mm2和4.27 N/mm2,相較于基準(zhǔn)組分別降低了14.78%和12.32%;極限拉應(yīng)變分別為5.43%和5.33%,相較于基準(zhǔn)組分別降低了12.28%和13.89%。由此表明,摻入適量的CCCW對(duì)PE-ECC拉伸性能有一定程度的提升,而摻入過量CCCW會(huì)降低PE-ECC的拉伸性能。當(dāng)摻入適量的CCCW時(shí),生成的凝膠產(chǎn)物能夠有效填補(bǔ)基體內(nèi)部孔隙和裂縫,增強(qiáng)其密實(shí)程度,促進(jìn)基體與纖維之間的橋聯(lián)性能,進(jìn)而增強(qiáng)其拉伸性能;而過量的CCCW會(huì)導(dǎo)致生成過量的水化產(chǎn)物,產(chǎn)生不利影響,CCCW-PE-ECC(X2.0%)和CCCW-PE-ECC(S2.0%)試件微觀形貌如圖8所示,基體表面存在裂縫,可能是因?yàn)樗a(chǎn)物增多,基體內(nèi)部體積出現(xiàn)一定程度的膨脹而導(dǎo)致的。除此之外,基體表面還存在著大量水化產(chǎn)物,破壞了PE-ECC中纖維、基體和復(fù)合材料界面三者間力學(xué)相互作用的平衡,導(dǎo)致其拉伸性能變?nèi)酢?/p>

圖7 CCCW-PE-ECC(X)與CCCW-PE-ECC(S)試件極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變Fig.7 Ultimate tensile stress and ultimate tensile strain of CCCW-PE-ECC(X) and CCCW-PE-ECC (S) specimen

圖8 CCCW-PE-ECC(X2.0%)和CCCW-PE-ECC(S2.0%)試件微觀形貌Fig.8 Microstructures of CCCW-PE-ECC(X2.0%) and CCCW-PE-ECC (S2.0%) specimen

2.2 自愈合性能

根據(jù)抗壓、抗折、抗拉試驗(yàn)可知,當(dāng)CCCW摻量為1.0%時(shí),PE-ECC力學(xué)性能最佳,因此自愈合試驗(yàn)選用PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)與CCCW-PE-ECC(S1.0%)3組,分別預(yù)制0.1,0.3,0.5,0.7 mm裂縫。

預(yù)制裂縫后的PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)共振頻率隨時(shí)間的變化如圖9(a)～(c)所示,PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)共振頻率隨著裂縫寬度的增加逐漸下降,隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸升高,在0～7 d共振頻率增幅最大,在14 d后增幅較為緩慢。當(dāng)PE-ECC裂縫寬度為0,0.3,0.5 mm和0.7 mm時(shí),共振頻率在0～56 d逐漸升高,在56 d后基本沒有變化,此時(shí)共振頻率分別為1 981,1 942,1 912 Hz和1 903 Hz。而當(dāng)裂縫寬度為0.1 mm時(shí),共振頻率直到70 d后才趨于平穩(wěn),此時(shí)共振頻率為1 978 Hz,與無裂縫狀態(tài)下的PE-ECC共振頻率(1 981 Hz)較為接近,表明當(dāng)PE-ECC裂縫寬度為0.1 mm時(shí)存在著自愈合現(xiàn)象的發(fā)生,而當(dāng)裂縫寬度為0.3,0.5 mm和0.7 mm時(shí),基本上無自愈合現(xiàn)象的發(fā)生。

圖9 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)與CCCW-PE-ECC(S1.0%)試件共振頻率和裂縫寬度隨時(shí)間變化Fig.9 Variation of resonance frequency and crack width with time for PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%) and CCCW-PE-ECC (S1.0%) specimen

當(dāng)CCCW-PE-ECC(X1.0%)裂縫寬度為0和0.7 mm時(shí),共振頻率在42 d后基本無變化,此時(shí)共振頻率分別為2 004 Hz和1 940 Hz;當(dāng)裂縫為0.1 mm和0.3 mm時(shí),共振頻率分別在49 d和70 d后基本無變化,此時(shí)共振頻率分別為2 001 Hz和1 999 Hz,與無裂縫下的2 004 Hz較為接近。當(dāng)裂縫寬度為0.5 mm時(shí),共振頻率直到84 d仍然有所變化,且有繼續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),此時(shí)共振頻率為1 991 Hz。當(dāng)CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂縫寬度為0和0.7 mm時(shí),共振頻率在49 d后基本無變化,此時(shí)共振頻率分別為1 999 Hz和1 941 Hz;當(dāng)裂縫為0.1 mm和0.3 mm時(shí),共振頻率分別在56 d和70 d后基本無變化,此時(shí)共振頻率分別為1 996 Hz和1 994 Hz,與無裂縫狀態(tài)下的1 999 Hz較為接近;當(dāng)裂縫寬度為0.5 mm時(shí),共振頻率直到84 d仍然有所變化,且有繼續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),此時(shí)共振頻率為1 989 Hz。由此表明當(dāng)CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂縫寬度為0.1,0.3 mm和0.5 mm時(shí),存在自愈合現(xiàn)象的發(fā)生,并且裂縫寬度越小,自愈合的速度越快,而當(dāng)裂縫寬度為0.7 mm時(shí)基本上無自愈合現(xiàn)象的發(fā)生。

預(yù)制裂縫后的PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂縫寬度隨時(shí)間的變化如圖9(d)～(f)所示,84 d后各組裂縫寬度如圖10～12所示。當(dāng)PE-ECC裂縫寬度為0.1 mm時(shí),28 d時(shí)愈合了30%,56 d時(shí)愈合了60%,84 d時(shí)幾乎完全愈合;當(dāng)裂縫寬度為0.3,0.5 mm和0.7 mm時(shí),裂縫寬度在84 d內(nèi)基本上無變化,表明PE-ECC能有效愈合0.1 mm內(nèi)的裂縫。當(dāng)CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂縫寬度為0.1 mm時(shí),在28 d時(shí)分別愈合了50%和40%,56 d時(shí)幾乎完全愈合;當(dāng)裂縫寬度為0.3 mm時(shí),裂縫分別在70 d時(shí)基本完全愈合;當(dāng)裂縫寬度為0.5 mm時(shí),在84 d時(shí)分別愈合了90%和88%;當(dāng)裂縫寬度為0.7 mm時(shí),在84 d內(nèi)裂縫寬度基本沒有變化。

圖10 不同初始裂縫寬度下PE-ECC試件84 d時(shí)的裂縫寬度Fig.10 Crack width of PE-ECC specimen with different initial crack widths at 84 days

圖11 不同初始裂縫寬度下CCCW-PE-ECC(X1.0%)試件84 d時(shí)的裂縫寬度Fig.11 Crack width of CCCW-PE-ECC(X1.0%) specimen with different initial crack widths at 84 days

圖12 不同初始裂縫寬度下CCCW-PE-ECC(S1.0%)試件84 d時(shí)的裂縫寬度Fig.12 Crack width of CCCW-PE-ECC(S1.0%) specimen with different initial crack widths at 84 days

結(jié)合共振頻率和裂縫寬度的變化分析可知:摻入CCCW能加快PE-ECC水化反應(yīng)和自愈合速度,有效增強(qiáng)PE-ECC自愈合能力,對(duì)小于0.5 mm的裂縫有較好的修復(fù)效果,但是無法愈合寬0.7 mm的裂縫,XYPEX和SY1000兩種材料的CCCW自愈合性能相當(dāng)。其愈合原理是當(dāng)PE-ECC出現(xiàn)裂縫后,CCCW中的活性物質(zhì)會(huì)隨著水的流動(dòng)向其內(nèi)部滲透,與毛細(xì)孔中游離的Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成不溶于水的結(jié)晶體封堵毛細(xì)孔道;另一方面,活性物質(zhì)還具有催化作用,能夠進(jìn)一步促進(jìn)水泥的水化反應(yīng),當(dāng)Ca2+絡(luò)合物遇到活性較高的未水化的水泥時(shí),更穩(wěn)定的SiO32-會(huì)將活性物質(zhì)置換生成C-S-H凝膠,進(jìn)而填充毛細(xì)孔隙及修補(bǔ)裂縫,提高其密實(shí)性,促進(jìn)自愈合的發(fā)生。

2.3 綜合性能

為了更全面直觀地分析PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)試件的綜合性能,選取PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%),對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變、自愈合裂縫寬度繪制雷達(dá)圖,如圖13所示。摻入CCCW后PE-ECC力學(xué)性能和自愈合能力得到了顯著的提升,摻XYPEX型CCCW對(duì)PE-ECC力學(xué)性能提升更為明顯,一方面是因?yàn)閄YPEX型CCCW體積平均徑、面積平均徑以及峰值粒徑均小于SY1000型CCCW,粒度更細(xì),而且SY1000型CCCW粒徑分布寬度較小,峰值粒徑附近占比較多,導(dǎo)致平均粒徑偏大,與水泥基復(fù)合材料混合攪拌時(shí)水化反應(yīng)程度較XYPEX型CCCW低,水化產(chǎn)物填充孔隙能力不夠,密實(shí)程度較低,對(duì)PE-ECC力學(xué)性能提升程度較XYPEX型CCCW稍弱一些。另一方面XYPEX型CCCW中含有Ca3SiO5、Ca(OH)2和CaSO4,不僅能提供更多Ca2+,生成更多的C-S-H凝膠、CaCO3晶體和鈣礬石(AFt)填補(bǔ)孔隙,同時(shí)也能作為Ca2+絡(luò)合劑與CCCW中的活性物質(zhì)生成不溶于水的沉淀進(jìn)一步填補(bǔ)空隙,使基體結(jié)構(gòu)更為密實(shí),力學(xué)性能更佳。XYPEX型和SY1000型CCCW對(duì)PE-ECC自愈合性能影響程度較為接近,對(duì)小于0.5 mm的裂縫都有較好的修復(fù)效果。

圖13 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和 CCCW-PE-ECC(S1.0%)試件綜合性能Fig.13 Comprehensive performance of PE-ECC,CCCW-PE- ECC(X1.0%) and CCCW-PE-ECC(S1.0%) specimen

3 微觀分析

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)

PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)試件的孔隙分布如圖14所示,樣品齡期為28 d。根據(jù)孔徑d的大小可將材料內(nèi)部的孔分為:氣孔(d>1 μm)、毛細(xì)孔(10 nm～1 μm)和凝膠孔(d<10 nm)[22-23]。總孔容隨孔徑變化趨勢(shì)如圖14(a)所示,在氣孔范圍內(nèi)的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢,而在毛細(xì)孔和凝膠孔范圍內(nèi)增長(zhǎng)迅速,表明其孔隙結(jié)構(gòu)主要以毛細(xì)孔和凝膠孔為主。CCCW-PE-ECC(X1.0%)的氣孔、毛細(xì)孔和凝膠孔均最少,總孔容為0.14 mL/g,CCCW-PE-ECC(S1.0%)總孔容為0.16 mL/g,PE-ECC毛細(xì)孔和凝膠孔最多,總孔容為0.21 mL/g,CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)總孔容較PE-ECC分別降低了33.33%,23.81%?？偪酌娣e隨孔徑變化趨勢(shì)如圖14(b)所示,在氣孔范圍內(nèi),PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)的孔面積幾乎沒有,在毛細(xì)孔范圍逐漸增長(zhǎng),凝膠孔范圍內(nèi)增長(zhǎng)最為迅速,表明其大孔占比較少,孔隙結(jié)構(gòu)主要由毛細(xì)孔和凝膠孔構(gòu)成。PE-ECC總孔面積為11.90 m2/g,CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)總孔面積分別為9.43 m2/g和9.98 m2/g,相比于PE-ECC分別降低了20.76%和16.13%。

圖14 總孔容和總孔面積隨孔徑分布的變化趨勢(shì)Fig.14 Variation trend of total pore volume and total pore area with pore size

通過PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)試件的總孔容和總孔面積變化綜合分析可得:摻入適量的CCCW后,PE-ECC總孔容和總孔面積出現(xiàn)了下降,基體孔隙結(jié)構(gòu)得到了改善,整體結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。這是因?yàn)橐环矫鍯CCW能夠促進(jìn)水泥水化反應(yīng),生成的CaCO3、C-S-H凝膠和鈣礬石(AFt)有利于填充孔隙和裂縫;另一方面CCCW中的活性物質(zhì)能夠置換水泥中未水化的Ca(OH)2中的Ca2+,生成更多的穩(wěn)定的C-S-H凝膠和CaCO3晶體填充毛細(xì)孔和凝膠孔,改善了孔隙結(jié)構(gòu)。

3.2 物相組成

PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)在裂縫寬度為0.1 mm時(shí)的自愈合產(chǎn)物XRD譜圖如圖15所示,測(cè)試樣品齡期為28 d。自愈合產(chǎn)物主要含有CaCO3、C-S-H和鈣礬石(AFt),相對(duì)于PE-ECC,CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)的自愈合產(chǎn)物種類并未有所增加,但是它們的CaCO3和C-S-H強(qiáng)度衍射峰值均高于PE-ECC,而且除了Ca2SiO4和CaSO4以外,還存在多鈣鉀石膏(Gorgeyite)作為Ca2+絡(luò)合劑,Ca2+絡(luò)合劑可以降低與鈣離子反應(yīng)水化產(chǎn)物的活化能[24],當(dāng)?shù)竭_(dá)水泥凝膠富集的區(qū)域時(shí),由于產(chǎn)物的溶解度和穩(wěn)定性不同,絡(luò)合劑中的陰離子將被硅酸鹽和鋁酸鹽離子取代,在水環(huán)境下能夠生成大量穩(wěn)定不溶于水的Ca2+絡(luò)合物,促進(jìn)基體材料裂縫愈合,有利于提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[25-26]。

圖15 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和 CCCW-PE-ECC(S1.0%)試件裂縫的自愈合產(chǎn)物XRD譜圖Fig.15 XRD patterns of self-healing products in cacks of PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%) and CCCW-PE-ECC(S1.0%) specimen

由于濃度和壓力的差異,CCCW中的活性物質(zhì)會(huì)通過微裂縫隨水滲透到基體內(nèi)部,然后與孔隙中的游離石灰和氧化物反應(yīng),生成不溶性結(jié)晶物質(zhì)[27]。當(dāng)處于干燥環(huán)境中時(shí),活性化學(xué)物質(zhì)以固體形式沉淀出來,并保持休眠狀態(tài),當(dāng)基體中出現(xiàn)微裂縫時(shí),水會(huì)再次激發(fā)活性化學(xué)物質(zhì)的活性,使其繼續(xù)擴(kuò)散并發(fā)生反應(yīng),直到裂縫被填充和壓實(shí)[28]。

XYPEX型CCCW中含有Ca3SiO5、Ca(OH)2和CaSO4,能提供更多Ca2+,這些Ca2+起到了兩方面的作用:一方面能夠與水泥中SiO32-、CO32-和AlO2-生成更多的C-S-H凝膠、CaCO3晶體和鈣礬石(AFt);另一方面能夠與CCCW中的活性物質(zhì)生成不溶于水的沉淀物,填補(bǔ)了基體孔隙,使結(jié)構(gòu)更密實(shí)。而SY1000型CCCW中存在的CuSiO2(OH)2是一種硅酸鹽礦物,具有提升材料強(qiáng)度作用。C3H5NO(丙烯酰胺)可用作纖維改性劑,同時(shí)具有防腐、分散的作用。CaHPO4·2H2O(磷酸氫鈣)不僅能夠提供Ca2+,而且能夠增加溶液、膠體和混合物的穩(wěn)定性能,保持合成纖維的穩(wěn)定,防止其分解、老化。

3.3 微觀形貌

PE-ECC、CCCW-ECC(X1.0%)和CCCW-ECC(S1.0%)在裂縫寬度為0.1 mm處自愈合產(chǎn)物的微觀形貌如圖16所示,自愈合產(chǎn)物主要有絮狀C-S-H、顆粒狀的CaCO3和針柱狀鈣礬石,這些晶體可以填充裂縫和孔隙,使結(jié)構(gòu)更致密化。CCCW-ECC(X1.0%)和CCCW-ECC(S1.0%)的纖維表面自愈合產(chǎn)物更多且分布更為密集,表明裂縫愈合處結(jié)構(gòu)更為緊密,愈合程度更高。這是因?yàn)镃CCW 中的活性陰離子在反應(yīng)中起到催化劑的作用,可以提高 Ca2+和 SiO32-生成 CaSiO3·nH2O 的反應(yīng)速率,使反應(yīng)更徹底,結(jié)構(gòu)更致密,而且它在水中的高溶解度和滲透性增加了其滲透深度,并進(jìn)一步壓實(shí)了混凝土結(jié)構(gòu)[29]。CCCW有利于高性能纖維混凝土力學(xué)性能的恢復(fù),纖維和CCCW的協(xié)同作用賦予自愈合產(chǎn)物更好的與纖維結(jié)合的能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)因外部條件出現(xiàn)裂縫時(shí),內(nèi)部的纖維可以延緩裂縫進(jìn)一步發(fā)展,這有助于提高結(jié)構(gòu)的耐久性能[30]。

圖16 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和 CCCW-PE-ECC (S1.0%)試件裂縫寬度0.1 mm 處自愈合產(chǎn)物微觀形貌Fig.16 Microstructures of self-healing products in PE-ECC、CCCW-PE-ECC (X1.0%) and CCCW-PE-ECC (S1.0%) with a crack width of 0.1 mm

4 結(jié) 論

(1) 國(guó)外XYPEX和國(guó)內(nèi)SY1000兩種類型的CCCW均能有效提高PE-ECC的力學(xué)性能和自愈合能力,相對(duì)來說,XYPEX型CCCW對(duì)力學(xué)性能提升效果更為明顯。

(2) 隨著CCCW摻量的增加,PE-ECC力學(xué)性能呈先增后減趨勢(shì),當(dāng)摻量為1.0%時(shí)力學(xué)性能最佳,XYPEX型CCCW提升效果更為明顯,此時(shí)抗壓強(qiáng)度為53.8 MPa,提升了37.95%;抗折強(qiáng)度為11.8 MPa,提升了53.25%;極限拉應(yīng)力為5.56 N/mm2,提升了14.17%;極限拉應(yīng)變?yōu)?.53%,提升了21.65%。

(3) CCCW能加快PE-ECC裂縫愈合速度,提高自愈合能力,對(duì)于小于0.5 mm的裂縫,裂縫寬度隨時(shí)間的推移逐漸變窄,共振頻率逐漸增大,XYPEX和SY1000兩種類型的CCCW自愈合性能相當(dāng)。

(4) MIP顯示,CCCW能有效改善PE-ECC的孔隙結(jié)構(gòu),提高結(jié)構(gòu)密實(shí)程度。XRD和SEM表明,CCCW能增強(qiáng)PE-ECC提供Ca2+的能力,促進(jìn)生成更多不溶于水的Ca2+沉淀物;裂縫處自愈合產(chǎn)物分布更為密集,愈合程度更高。