混雜纖維ECC-混凝土復合路面板彎曲疲勞特性研究

高英力，卜濤，冷政，龍國鑫，孟浩

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙，410114；2.中建西部建設湖南有限公司，湖南長沙，410004)

為改善結構的工作性、延長結構使用壽命，剛性加鋪層在道路中的應用越來越廣泛。ECC 具有優異的低開裂潛能和高變形能力，在單軸極限拉伸狀態下的應變可達3%～8%，為普通混凝土的300～800 倍[1]。其裂縫寬度可以控制在100 μm 以內，裂縫間距為3～10 mm[2-3]，即多條密集微裂縫，能有效提高結構的抗裂、抗滲及抗鹽類侵蝕能力，從而提高結構耐久性[4-5]，是一種較為理想的加鋪層材料[6]。ZHANG 等[7-8]和MA 等[9]通過有限元分析，研究了ECC 材料的性能以及將其用于大跨度鋼橋面鋪裝的可行性。結果表明：ECC 材料能夠克服普通混凝土的脆性，與瀝青、普通混凝土材料相比，在拉伸、彎曲荷載作用下具有較高的變形能力、彎曲強度和疲勞壽命。此外，ECC 的自愈能力可以幾乎完全恢復其抗氯離子滲透能力。故ECC 的應用有望大大降低鋪裝層厚度，延長鋼橋面的使用壽命。YUCEL 等[10]以微硅灰混凝土(MSC)作為控制組，研究了不同厚度ECC 加鋪層在彎曲和疲勞荷載作用下的力學性能。試驗結果表明，在相同幾何形狀和加載條件下，與MSC 組合梁相比，ECC 組合梁的承載能力、變形能力和疲勞壽命均有顯著提高，裂縫寬度控制效果更好。ECC 材料還能在修復系統中有效地消除反射裂縫和分層現象。MA等[11]的研究表明，在準靜態及循環彎曲荷載作用下，ECC 加鋪層與PCC 加鋪層相比，可使機場路面系統的承載力提高100%，變形能力提高7倍，疲勞壽命提高3個數量級。并提出ECC 是通過一種獨特的“扭曲和捕獲”模式形成裂縫，在這種模式中，裂紋沿著黏結界面傳播，隨后進入ECC 加鋪層，并立即被ECC 的高韌性阻止。這種過程重復進行，直到ECC完全破壞為止。ZHANG等[12]對ECC加鋪層的疲勞性能進行了試驗研究和理論分析。結果表明：ECC 作為加鋪層材料時，組合梁在受彎時的承載能力和以峰值撓度為代表的變形能力均比素混凝土顯著提高，其彎曲疲勞壽命不受黏結面的影響。但大部分學者都是利用ECC 加鋪層修復既有路面，很少有將其作為新建路面加鋪層的研究。

另一方面，常規ECC所使用的聚乙烯醇(PVA)纖維價格昂貴，且水泥用量大，這導致其經濟性和環保性較差，進而限制了ECC的實際工程應用?；诰G色環保的趨勢，很多學者嘗試采用細度較小的工業廢渣類材料如粉煤灰[13]、磨細高爐礦渣[14]、硅灰[15]以及惰性石灰石粉[16]等部分替代水泥，發現這不僅可以改善顆粒堆積密度，提高ECC 的力學性能，還能減少水泥用量、實現工業廢渣類材料再利用[17]。為了進一步控制成本、提高水泥路面ECC 的性能，部分學者開始使用混雜纖維來增強ECC 材料的延性和強度，期望通過復合改性得到價格便宜、性能優越的ECC材料[18-21]。此外，還有學者向其中加入聚合物[22-24]和納米顆粒[25]。夏超凡等[26]發現在質量分數為1.5%PVA+0.25%鋼纖維(HyFRHDCC)中摻入2%碳酸鈣晶須時優化效果最佳，碳酸鈣晶須通過裂紋偏轉、晶須拔出和裂縫橋聯等微觀作用機制實現了對HyFRHDCC 壓縮性能和拉伸性能的改善。SILVA等[27-28]通過XRD和紅外光譜分析了乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)對水泥膠砂水化過程的影響，發現羧基與鈣離子的反應產物形成了新的多孔緊密的物相。但尚鮮有人綜合以上多種方式對ECC 進行多維度綜合改性。

本文作者在現有研究基礎上，以粉煤灰、硅灰、水泥作為膠凝材料，旨在通過增強水化效應與顆粒物理擠密效應，實現工業廢渣類材料的再利用的同時優化其性能。選用PVA 纖維、表面壓痕改性處理的聚丙烯(MPP)纖維和碳酸鈣晶須(CW)的混雜纖維增強體系，期望它們在各自尺寸上亂向分布，為水化產物提供更多的成核位點，加速沉淀，形成更加致密的結構。引入EVA 聚合物改善纖維基體界面過渡區，最后將纖維、基體、纖維-基體界面過渡區三者有機地聯系起來，以期得到較好的延性。為顯著降低成本，還選用一種本地PVA 纖維取代日本可樂麗公司PVA 纖維。通過結合不同尺寸混雜纖維和聚合物的優點制備出綠色環保、延性更高、經濟效益更好的基于大摻量粉煤灰-硅灰-水泥三元膠凝體系的混雜纖維協同增延ECC材料，將其加鋪于PC基層上形成復合路面板，以CE 及PC 加鋪層作為對照組，重點探究各復合路面板的抗彎曲疲勞特性。

1 試驗設計

1.1 材料

采用P·O 42.5級水泥(cement，C)，細度43 μm左右的一級粉煤灰(fly ash，FA)，細度為8.3 μm左右的硅灰(silica fume，SF)等作為膠凝材料，其化學組成見表1。采用乳白色高純石英砂(quartz sand,S)，粒徑為0.075～0.150 mm，莫氏硬度為7。采用聚羧酸高效減水劑(HRWR)，減水率為40%。采用日本可樂麗公司生產(PVA-1)和本地生產(PVA-2)的2種PVA纖維以及MPP纖維，各纖維性能參數見表2。碳酸鈣晶須CW 來源廣泛，價格低廉，性能參數見表3。選用EVA改善界面過渡區，相關指標見表4。為增加基體密實性，還需加入消泡劑。

表1 膠凝材料化學組成(質量分數)Table 1 Chemical composition of cementitious materials %

表2 各纖維力學及幾何性能Table 2 Mechanical and geometric properties of fibers

表3 CW力學及幾何性能Table 3 Mechanical and geometric properties of CW

表4 EVA性能參數Table 4 Performance indicators of EVA

1.2 配比與試件制備

各組試件配合比如表5所示。PC 采用C40 混凝土配合比，CE 選取日本可樂麗公司推薦的配合比?；谇捌诖罅吭囼?，HE 的制備工藝如圖1所示。所有試件拆模后在(20±2)℃，相對濕度為95%的標準養護室中養護至指定齡期取出進行試驗。60 d后進行彎曲疲勞試驗。

表5 各組試件配合比Table 5 Mixture proportions of each group kg/m3

圖1 HE制備流程圖Fig.1 Flow chart of HE preparation

1.3 試驗設置

復合路面板板厚設置為100 mm，HE 與CE 各設置3 種不同加鋪厚度(h)，分別為板厚的15%，20%和25%，加上PC 組共7 組試件，試件編號如HE-15表示h=15 mm的HE復合路面板。PC作為底基層(厚度h′)澆筑入模，3 h后完成ECC層的加鋪，以期獲得較好的界面黏結力。采用四點彎曲試驗表征荷載作用下ECC 加鋪層的抗彎曲性能，利用MTS 萬能試驗機進行試驗，試驗裝置如圖2所示，上下支撐點跨度分別為100 mm 和300 mm。試件長×寬×高為400 mm×100 mm×100 mm。首先測得各試件極限抗彎強度后計算各試件疲勞加載參數，采用力控制加載模式施加正弦波形荷載，頻率取10 Hz，應力水平S取0.7，0.8 和0.9。初始加載速率為0.05 kN/s，最大與最小循環荷載比取0.1。

圖2 四點彎曲疲勞試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of four-point flexural fatigue test

參照JC/T 2461—2018“高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法”，抗壓強度試件長×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm。拆模后放入標準養護室養護至7 d與28 d時移出，用壓力試驗機進行抗壓試驗，加載速度為0.5 MPa/s。采用劈裂強度表征層間黏結性，首先制備PC，HE 和CE 共3 組試件探究各自抗拉特性，然后制備HE-50 和CE-50 這2 組試件，探究層間黏結性[29-31]。試件長×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm，試驗示意圖如圖3所示。使用壓力機完成試驗，加載速度為0.05 MPa/s。

圖3 劈裂試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of split test

2 結果與討論

2.1 抗壓試驗

設置6組加鋪層試驗組以及1組普通混凝土對照組共7組試件，每組試驗均制備3個試件，并根據規范處理數據，結果如圖4所示：HE的7 d抗壓強度分別為PC 和CE 的86.9%和88.1%，28 d 抗壓強度分別為PC 和CE 的96.4%和91.3%，說明HE的早期強度較低，后期強度發展較快。各加鋪層試件的28 d抗壓強度較PC有增有減，最大增幅與最大降幅分別為PC 的4.02%與-2.12%，這都在允許試驗誤差范圍之內，因此，認為加鋪層對于復合路面板的抗壓強度影較小，可以忽略不計。

圖4 抗壓強度對比圖Fig.4 Comparison of compressive strength

2.2 彎曲疲勞試驗

彎曲疲勞試驗結果如表6所示。水泥混凝土疲勞壽命離散性較大，通常采用兩參數Weibull 分布[32-33]對數據進行處理，分布方程如下：

式中：p為存活率；i為疲勞壽命由小到大排列的序數；n為每組試驗的試件數；c為形狀參數，是ln[ln(1/p)]-lnN曲線的斜率；Np為存活率為p時的疲勞壽命；Na為特征壽命。

根據表6中疲勞試驗結果，擬合各組試件ln[ln(1/p)]-lnN曲線，各組試件ln[ln(1/p)]-lnN曲線及c的變化趨勢如圖5所示。而各擬合線縱軸截距為clnNa，進而求出特征壽命Na，得到相應的Weibull分布參數見表7。

圖5 各組試件ln[ln(1/p)]-lnN曲線及c的變化趨勢Fig.5 ln[ln(1/p)]-lnN curve of each group and trend of c

表6 疲勞試驗結果Table 6 Results of fatigue life test

從圖5(a)～(g)可知：PC 在應力水平S 為0.8 與0.9 之間的擬合線間距遠大于S 為0.7 與0.8 之間的擬合線間距，而這種趨勢隨加鋪層厚的增加而減弱，加鋪層厚度相同時，HE 的這種趨勢比CE 的弱，表明S由0.8 增至0.9 時，疲勞壽命降幅更大，隨加鋪層厚度的增加，這一現象明顯得以改善，且HE 改善能力更強。從表7及圖5(h)可知：各組試件的c均隨S增大而增大，說明S增大會降低疲勞壽命的離散性，其中HE-25在各應力水平下的c均為最大，但S=0.7 時，CE-15 的c反而比PC 的略小，這可能是由于試驗誤差所致，除此之外，PC在各應力水平下的c均為最小，故可以認為，隨加鋪層厚的增大，各試驗組在各應力水平下的離散性越小、結構越可靠，相同層厚下，HE 比CE 的離散性更小，結構可靠性更高。觀察Na的變化，發現2 種ECC 加鋪層均增加復合路面板的疲勞特征壽命，層厚越大，復合路面板的特征壽命越大，且相同層厚下HE 的疲勞特征壽命均比CE 的疲勞特征壽命大。

表7 Weibull分布參數Table 7 Weibull distribution coefficient

根據各組試件的Weibull分布參數與式(3)，求出在一般情況(p=50%)及極限狀態(p=95%)下的預估疲勞壽命N1和N2[33]，結果如表8所示，然后擬合S-p-N曲線，結果如圖6所示，最終得到式(4)所示雙對數形式的疲勞方程，各組試件相關參數見表9。表9中：a和b均為與材料性質相關的參數，a越大，試件抗彎曲疲勞性能越好；b越小，試件疲勞壽命對于S的變化越敏感；R2為擬合相關系數；強度折減系數指各組試件達到200萬次應力循環而不破壞的預估最大應力水平，強度折減系數越大，試件抗彎曲疲勞性能越好；θ為各組試件相對于PC的強度折減系數增長率。

表8 不同存活率下各試件預估疲勞壽命Table 8 Estimated fatigue life of each specimen under different survival rates

從表9可知：各擬合線R2均大于0.95，說明擬合相關性較好。在2種存活率下，CE與HE的a，b和θ均隨加鋪層厚度增加而增加，且都比PC的大，而加鋪層厚度相同時，HE 的a，b和θ均比CE 的大。說明2 種ECC 加鋪層復合路面板的抗彎曲疲勞性能均優于PC路面板的抗彎曲疲勞性能，且層厚越厚，抗彎曲疲勞性能越好，疲勞壽命隨應力變化的敏感性越低，相同層厚下HE加鋪層的抗彎曲疲勞性能比CE加鋪層的優，疲勞壽命隨應力變化敏感性更低。

表9 疲勞方程參數Table 9 Fatigue equation coefficient

此外，同組試件的N1遠大于N2，說明存活率越小，試件預估疲勞壽命越大。p=95%時的θ增幅更大，從圖6可以發現：p=95%時的S-p-N曲線間距更大，表明存活率會影響加鋪層對復合路面板抗彎曲疲勞性能的改善效果，p=95%時的改善效果更加明顯。

圖6 2種存活率下各組試件S-p-N曲線Fig.6 S-p-N curves of each group under two survival rates

通過粗略的經濟效益分析，發現HE的單價大約僅為CE 的1/4.65。此外，HE 采用大摻量FA 和SF，減少水泥用量，既節省成本，又符合綠色環保理念。面對高沖擊強度和高彎曲荷載的道路工程，其優越的變形能力大大增加混凝土路面的服役壽命。當裂縫寬度低于100 μm 時，還能減少碳化，降低路面水和氯離子的滲透，保證鋼筋不被銹蝕，顯著增強配筋混凝土路面的耐久性，大大減少養護維修周期與成本。

2.3 劈裂試驗

各組試件劈裂強度如圖7所示。從圖7可知：HE 的28 d 劈裂抗拉強度分別為PC 和CE 的154%和127%，即其劈裂抗拉性能最好，CE-50 的劈裂強度比HE-50 的大，且二者均比PC 的大。圖8所示為CE-50和HE-50劈裂破壞面。從圖8可知：HE斷面上有明顯露出的MPP 纖維，顯然破裂面上既有ECC又有PC，各試件并未明顯沿層間黏結面破裂，此外還有學者提出ECC 組合梁在受彎時的疲勞壽命不受黏結面的影響[11-12]。因此可以認為：復合路面板的層間黏結性較為理想。

圖7 各組試件的劈裂強度Fig.7 Splitting strength of each group

圖8 2組ECC加鋪層的劈裂破壞面Fig.8 Splitting failure surface of two kinds of ECC overlay

3 微觀分析與增延機理

疲勞破壞后，在CE 和HE 的疲勞破壞斷面處取樣，進行微觀形貌觀測。

圖9(a)～(c)所示為CE 的SEM 圖。從圖9(a)可以看到表面光滑的PVA纖維與FA顆粒獨立存在于基體之中，只有少量水化產物黏附于二者表面。從圖9(b)可以發現CE 的水化程度很高，六角板狀Ca(OH)2和花瓣狀的AFm互相交織成網，形成了致密結構，還有較多細纖維狀的C-S-H凝膠存在，同時出現較多的微孔。從圖9(c)可以看出：大量水化產物堆積形成致密結構，但微孔的孔徑及深度較大?？傮w而言，基體水化程度很高，但微孔較多，基體與纖維黏結性較差，這正是其強度高但基體韌性較低的原因。

圖9(d)～(f)所示為HE 微觀形貌。從圖9(d)可知：PVA 纖維周圍水化產物富集，且大量黏附于纖維表面，這與CE顯著不同，大大增加了基體與纖維黏結性，推測認為這可能是FA，SF及EVA的摻入優化纖維與基體界面過渡區，使纖維可以更好積聚水化產物，分散更加均勻，并通過成膜加強水泥基體自身的延性，進而改善基體疲勞性能[27-28,34-35]。從圖9(e)可知：SF 顆粒被水化產物覆蓋，不再孤立在水泥界面里，而且和FA 一起優化微級配，針狀AFt晶體和C-S-H凝膠等水化產物聚集，但未出現六角板狀的Ca(OH)2晶體。從圖9(f)可知：碳酸鈣晶須和AFt晶體相互交織成網，為更多水化產物提供成核位點，進一步提升基體的密實度?？傮w而言，基體水化程度較好，密實度高，幾乎沒有較大微孔出現，基體與纖維黏結性好，因此其韌性得以明顯提升，顯著提高復合路面板的疲勞壽命。

圖9 2種ECC的SEM圖Fig.9 SEM images of two kinds of ECC

根據微觀形貌及設計理念，這里給出了增延機理示意圖，如圖10所示。從圖10(a)可知：PVA纖維、MPP 纖維和CW 亂向分布，促進水化產物向纖維處富集，不同的纖維尺寸給水化產物提供更多的成核位點，加速沉淀，EVA 反應物與水化產物多層堆積在纖維周圍，加強了纖維和基體的黏結，細集料進一步填充其中，形成更加密實的結構。從圖10(b)可知：受力狀態下，碳酸鈣晶須控制微裂縫在微米尺度的延伸，PVA 纖維控制小裂縫穩態開裂，改性PP 纖維控制大裂縫生成，3種纖維在各自尺寸上發揮作用，并互相協助，最終達到協同增延的效果。

圖10 增延機理示意圖Fig.10 Mechanism of extended ductility

4 結論

1)加鋪層對于復合路面板的抗壓強度影響較小，可以忽略不計。

2)加鋪層厚度越大，HE復合路面板的抗彎曲疲勞性能較PC路面板的提升越顯著，且相同層厚下其改善效果均比CE的優。

3)HE的28 d劈裂抗拉強度分別為PC和CE的175%和128%。HE-50 的劈裂強度略比CE-50 的大，各試件并未明顯沿層間黏結面破裂，加鋪層復合路面板層間黏結性較為理想。

4)HE成本僅為CE的1/4.65，同時減少了水泥用量，既節約成本又符合綠色環保理念。

5)FA，SF以及EVA的摻入改善了纖維基體界面過渡區；各纖維亂向搭接橋聯為水化產物提供更多的成核位點，進而形成更加致密、黏結力更強的結構。