微胶囊-纤维水泥基复合材料的动态压缩性能

王险峰，盛敏，覃达威，周晓青，邢锋

1）深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060；2）深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳518060

混凝土类材料是一种常见的建筑材料，随着现代技术的发展，人们对其性能的要求越来越高.微胶囊自修复混凝土无需人工干预就能够自动修复小裂缝.张鸣等[1]采用脲醛树脂作为囊壁材料制备了微胶囊，并验证了该材料具有良好的自修复效果.王险峰等[2]采用环氧树脂微胶囊制备自修复水泥砂浆，利用微观分析探究损伤发生时及修复后的结果，发现在微胶囊掺量为胶凝材料质量的3%～6%时，修复率随着微胶囊内掺量增加而逐渐提高.DONG等[3]发现脲醛/环氧树脂微胶囊显着增强了胶凝材料的抗渗性，基于微胶囊的自愈系统被认为是一种有前途的自修复途径.

现代混凝土结构除承受正常设计荷载，还可能承受诸如撞击、地震和爆破等动荷载.研究自修复混凝土的动态力学性能是研究混凝土结构动态响应的基础，由于混凝土具有高度不均匀性，一方面表现为脆性（断裂应变很小，仅千分之几），另一方面又表现为率相关性（应变率相关），使研究增加了复杂性.在冲击荷载作用下，由于加载速率高，振幅和周期变化幅度大，混凝土材料的动态力学性能和静态力学性能相比具有一定差异，表现在压缩强度、断裂韧性和能量吸收能量等方面.王国盛等[4]分析了不同应变率下混凝土动态压缩试验结果，发现随着应变率增大，混凝土的压缩强度有明显提高.

为了降低混凝土材料脆性，通常加入纤维增强材料.从混凝土压缩强度的角度看，不同纤维掺量的混凝土在不同应变率下动态压缩强度有所差异.在准静态性能方面，邢锋等[5]通过对微胶囊-玄武岩纤维/水泥复合材料的力学性能研究，发现随着纤维掺量的增加，水泥基材料的压缩强度降低.OTHMAN 等[6-8]基于霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）装置研究了纤维增强混凝土（ultra high performance fiber reinforced concrete，UHP-FRC）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）纤维增强水泥基材料（engineering cementitious composites，ECC）及玄武岩-聚丙烯纤维增强混杂混凝土（basalt-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete，HBPRC）的动态压缩性能，可知材料的压缩强度、峰值应变及极限应变均随应变率的增加有明显增大，并改善了断裂韧性.

AL-TABBAA 等[9]提出了基于微胶囊的自愈系统生产所面临的挑战和改进方向.GIANNAROS[10]开展了硅酸钠微胶囊混凝土自愈效果的现场试验，得到了良好的自修复效果.作者团队在位于中国深圳市前海开发区的一个实际隧道项目中使用了微胶囊自愈合混凝土[11-12]，通过现场和实验室测试研究了其机械及渗透性能，结果表明，微胶囊自修复技术可行，有望提高沿海环境混凝土结构的耐久性.

迄今为止，由于这种材料的新颖性，很少有研究关注其承受动态载荷时的力学性能.目前对微胶囊自修复水泥基材料的研究通常采用静态试验，而关于纤维类型对微胶囊自修复水泥基材料压缩性能影响的研究也少有发表.为此，本研究从材料压缩性能的角度出发，探究应变率和纤维类型对材料动态压缩性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

试验用水泥为中国联合水泥集团产的PⅡ42.5R硅酸盐水泥，粉煤灰与矿渣均为湖北省武汉华神智能科技有限公司生产；细集料为标准石英砂，是河源市万川石英发展公司生产；纤维有两种，一种是PVA 纤维，另一种是聚乙烯聚酰胺（polyamide，PA）纤维，分别为日本KURARY 公司和浙江全米特新材料科技有限公司生产，两种纤维的基本参数见表1；水为普通自来水；环氧树脂微胶囊为自制[1]；MC120D 固化剂为广州川井公司生产.

表1 纤维参数Table 1 Parameters of fibers

1.2 试样制备

微胶囊-纤维水泥基复合材料由胶凝材料、水、细集料、纤维、微胶囊和固化剂组成.本研究制备了4组试样（F1、F2、F3和F4），4组试样中，水胶比（质量比）均为0.3，胶砂比等均为0.35，水泥、粉煤灰、矿质、微胶囊和固化剂的含量均分别为426.8、469.5、469.5、109.26 和54.63 kg/m3，纤维组成见表2.为了提高纤维的均匀分散程度，在制备试样时将纤维分散加入，为了减小微胶囊的破损率，将微胶囊材料在低速搅拌下加入，具体流程如下[13].

表2 试样的纤维组成Table 2 Fiber composition of specimens

首先，将胶凝材料混合物和细砂总质量的50%放入搅拌机中低速（94 r/min）干拌30 s，加入减水剂和水总质量50%的混合物，在高速（317 r/min）下湿拌2 min，再将剩下的胶凝材料混合物、细砂、以及减水剂和水放入搅拌机中继续高速搅拌2 min；然后，调节搅拌机至低速档，加入1/3总量的纤维，搅拌4 min，继续加入1/3 总量的纤维，搅拌4 min后，加入余下的1/3 纤维总量，待纤维完全加入后调节搅拌机至高速搅拌4 min，使纤维在水泥基材料中均匀分散；最后，缓慢加入微胶囊和固化剂，以防止微胶囊破碎，检查拌合物是否结团，若无结团成块，则拌合物可以使用，否则继续搅拌30 s后重新检测，直至符合要求.全程纯机器搅拌时间大约18 min.

根据上述流程完成后，将混凝土试样分别放入尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）立方体模具和Φ100 mm ×50 mm 的PVC圆柱体模具中浇铸，立方体试样及圆柱体试件分别用于准静态及动态SHPB 试验[14].这些试样在24 h 后脱模，然后在标准养护室中以（20 ±2）℃的温度和95%的相对湿度进行养护.

1.3 试验方法

1.3.1 准静态试验

试验采用微机控制液压伺服试验机对边长为70.7 mm 的立方体试样进行准静态压缩试验.试验装置采用2 000 kN 力传感器和50 mm 位移传感器，测量试样在垂直方向上的垂直力和垂直变形，施加两种加载速率，分别为0.058 mm/min 及0.652 mm/min，相应的应变率为1×10-5s-1和1×10-4s-1，每种应变率分4 组（表3），每组3 个试样，合计24个试样.

1.3.2 动态试验

采用天津阿基米德技术有限公司生产的Φ120 mm SHPB 装置对24 个Φ100 mm×50 mm 圆柱体试样进行动态压缩试验，冲击气压分别设置为0.10 MPa 和0.20 MPa.SHPB 装置由冲击系统和信号采集系统两部分组成.

冲击系统分为充能装置和杆件装置.其中，充能装置包括操作台、空压机及储气室；杆件装置包括子弹、入射杆、透射杆和吸收杆.杆件装置的规格与物理参数可扫描论文末页右下角二维码见表S1.

信号采集系统包括动态应变仪和应变片.其中，动态应变仪型号为DH8303N 动态信号测试分析系统，由江苏省东华测试技术股份有限公司生产，应变片型号为120-3 AA 免焊接应变片，由湖南省益阳广测电子有限公司生产.

SHPB 试验原理及设置图可扫描论文末页右下角二维码见图S1，基本原理为一维弹性应力波传播理论，得到入射杆上采集的t时刻入射应变信号εi(t)、反射应变信号εr(t)及透射杆上采集的透射应变信号εt(t)，可以计算出试样的应力σs，应变εs及应变率分别为

其中，E、A和ρ分别为压杆的弹性模量、横截面积和密度；为压杆中一维弹性应力波波速；ls和As分别为试件的长度和横截面积.

2 结果与分析

为了分析应变率和纤维类型对微胶囊自修复水泥基材料的影响，表3 汇总了4 组试样在压缩荷载下的力学性能参数.其中，DIFc动态压缩强度增长因子.

表3 试样的力学性能参数Table 3 Static and dynamic of samples

2.1 压缩强度

图1 给出了4 组试样在不同应变率下的压缩强度.由图1可知，随着应变率增加，压缩强度的变大，说明材料具有明显的应变率敏感性.

图1 不同试样的压缩强度Fig.1 (Color online)Compressive strength of different samples.

相比于普通微胶囊自修复水泥基材料，掺入纤维会降低试样的压缩强度，且降幅从大至小依次为PVA纤维、PVA-PA混杂纤维和PA纤维.此外，随着纤维的掺入，混凝土基体的压缩强度先升后降，这是由于纤维掺量对基体强度的提高作用存在一个最佳值.当纤维掺量适当时，纤维能够均匀地分布在混凝土内部，它对基体有桥接和增强的作用，纤维与基体之间的黏结力足以把裂纹尖端的应力传递到裂纹的上下混凝土表面，从而缓解了混凝土表面应力集中的程度，混凝土内部的应力变得更加均匀，所以基体的压缩强度有所提高.而当纤维掺量超过最大值时，基体的压缩强度反而会有所降低.这是因为基体中大部分纤维趋于聚集，分散性差，使基体内部产生弱项，导致纤维增强材料在混凝土上产生损失.

2.2 动态增长因子

DIFc能够反映混凝土类材料的应变率的敏感性.DIFc根据动态压缩强度得出，该动态压缩强度由表3中列出的同一类型试样的静态压缩强度归一化得到，可由下式计算[3]：

其中，σc为动态压缩强度；σcs为静态压缩强度.

3 类纤维材料中，对微胶囊自修复水泥基材料的应变率敏感性贡献度最大的是PA 纤维，其次是PVA-PA 混杂纤维，PVA 纤维反而降低了微胶囊混凝土应变率敏感性，如图2.这在侧面上也反映了PVA 纤维的增强效果比较差，其原因一是PVA 纤维的掺量过多会引起基体孔洞，二是PVA 纤维表面涂油量少，与基体黏结能力差.在低应变率范围内，这类试样的裂纹容易扩展并且压缩强度低，在高应变率范围内，动态压缩强度仍然较低，水泥基材料的应变率敏感性较微胶囊混凝土有所下降.另外两组掺有PA 纤维和PVA-PA 混杂纤维的试样，由于纤维的桥接作用，PVA 纤维和PA 纤维协同抗裂发挥较大作用，试样动态压缩强度的增长幅度上升，所以这两类试样的应变率敏感性有所提高.

图2 不同试样的DIFcFig.2 (Color online)DIFcof different samples.

大量试验数据表明，混凝土的DIFc-应变率曲线[15-18]都存在一个阈值，当应变率超过这个阈值时，混凝土材料的DIFc有一个较大的提升，表现出明显的应变率效应.然而，对于微胶囊-纤维水泥基复合材料，目前还没有相关的经验公式或数值模型可以得到这个阈值.根据试验数据，基于4组试样的DIFc随对数应变率线性变化的规律，分析DIFc与应变率的半经验函数关系，得到拟合曲线（图3）.从图3可知，拟合曲线的阈值为42.5 s-1，在应变率小于42.5 s-1时，曲线斜率为0.036 1，在应变率大于42.5 s-1时，曲线斜率明显增大，其值为0.127 3.说明在阈值前后，微胶囊-纤维水泥基复合材料的应变率敏感性有所差异，而且在应变率达到阈值后，材料的应变率敏感性明显增大，函数表达式为

图3 DIFc-应变率线性关系Fig.3 (Color online)Linear relationship between DIFc and strain rate.

2.3 能量吸收能力

材料的能量吸收能力[19]体现在耗散能和能量耗散因子两个方面.根据SHPB 试验采集到的应力波，计算压杆上的入射能Ei(t)、反射能Er(t)和透射能Et(t).基于试样在冲击荷载下的一维弹性应力波理论和应力-应变均匀性假定[20]，子弹撞击入射杆产生入射波，入射波将携带的能量沿着入射杆扩散到试样和透射杆，根据能量守恒便可求得试样部分的耗散能Ed(t).能量耗散因子α，表征材料在不同应变率下的能量吸收能力，数值上为耗散能与入射能的比值.Ei(t)、Er(t)、Et(t)、Ed(t)及α由下式计算[20]：

其中，E、A和C分别为压杆的弹性模量、横截面积和一维应力波波速.

不同试样的入射能在两种透射应变下随时间变化的关系如图4.从曲线的走势来看，基于杆件的弹性，杆的入射能从子弹撞击开始线性增加，当入射杆撞击到试样后一部分传递给透射杆，另一部分被试样耗散.当试样破坏时，由于裂缝扩展，耗散能迅速增加，入射能的增长趋势逐渐变小；当试样被完全破坏后，入射能逐渐趋于稳定.应变率相同时，4组试样入射能的变化没有明显的规律，说明纤维对入射能的影响较复杂，试验数据的离散性会出现这种情况.除此之外，随着气压的增大，4组试样入射能均有明显增大，基本符合能量守恒原理，子弹的撞击速度随着气压增大而增大，传递到杆件的入射能因而增大.

图4 不同试样的入射能曲线（a）s=45.59 s-1，（b）s=73.37 s-1Fig.4 (Color online)Incident energy curves of different samples.(a)s=45.59 s-1,(b)s=73.37 s-1.

在不同应变率范围内，纤维对材料耗散能的影响不同.当平均应变率为45.89 s-1时，试样的耗散能从0.20 kJ分别增至0.21、0.26和0.21 kJ，纤维可以改善材料的耗散能力，其中，PA 纤维的改善效果最好，PVA-PA 混杂纤维和PVA 纤维没有明显的改善效果.在平均应变率为75.37 s-1时，试样的耗散能从0.36 kJ 分别变为0.13、0.16 和0.50 kJ，PVA 纤维和PA 纤维反而会降低试样的耗散能力，混杂纤维对试样的耗散能力有提高作用.

为了分析纤维对材料能量耗散因子的影响，图5给出试样的能量耗散因子随纤维类型及应变率的变化.由图5 可见，当应变率为45.89 s-1时，试样的能量耗散因子从0.24 分别增大到0.34、0.40 和0.37，说明掺入纤维能有效改善试样的能量耗散率，且3 种纤维的改善效果从高到低分别为PA 纤维、PVA-PA 混杂纤维及PVA 纤维.这主要是由于微胶囊-纤维水泥基复合材料消耗能量主要是两个途径：①产生更多的新裂纹来消耗能量；②拉拔纤维来消耗纤维的能量，同时能够降低裂纹的萌生和扩展速度.在低应变率下，裂纹的扩展速度相对较慢，试样有足够的时间来消耗纤维的能量，纤维能够发挥其效果，因此能量耗散率有所增加.然而，当应变率增至75.37 s-1时，掺入PVA 纤维和PA纤维反而降低了材料的能量耗散率，只有PVAPA 混杂纤维能提高材料的能量耗散率.混杂纤维对劈拉强度的增强作用最明显，这可能是由于混杂纤维的交叉分布有效地抑制了水泥基体中横向裂纹的产生和发展，并且可以通过纤维和基体的紧密结合来保持界面过渡区的致密性和完整性.随着应变率的增加，裂纹的扩展速度大于纤维拉拔的速度，在相同时间内，试样主要是通过产生更多的新裂纹来消耗能量，而不是通过纤维的拉拔消耗能量.说明高应变率下，纤维不是影响材料能量耗散率的主要因素.综合以上，在低应变率范围内，纤维发挥主要作用，能量耗散因子的大小取决于纤维类型，而在高应变率范围，能量耗散因子的大小主要取决于水泥基体强度和应变率大小.

图5 纤维类型及应变率对试样的（a）耗散能和（b）能量耗散因子的影响Fig.5 (Color online)Influence of fiber type and strain rate on(a)dissipative energy and(b)energy dissipation factor of specimens.

图6汇总了4组试件在0.10 MPa的冲击气压下的动态压缩破坏状态.由图6可知，随着纤维类型的变化，试件的破坏程度逐渐增大，碎片的数量越来越多且尺寸越来越小.此外，所有试件内部的完整性都比边缘好，试件边缘的碎片近似呈粉末状，而内部为较大的块状.由此可知，纤维对试件破坏状态的改善效果从高到低为PVA-PA混杂纤维、PA纤维及PVA纤维.

图6 试样（a）F1、（b）F2、（c）F3和（d）F4的破坏状态Fig.6 (Color online)Failure morphologies of samples(a)F1、(b)F2、(c)F3 and(d)F4.

3 结论

1）对于相同组分的混凝土试样，随着应变率的增大，微胶囊自修复水泥基材料的压缩强度不断提高.试验发现，提高的纤维掺量会降低该材料的静动态压缩强度，降低程度从高至低依次为PVA纤维、PVA-PA混杂纤维和PA纤维.

2）材料的DIFc与应变率存在对数线性关系，且存在一个阈值，超过这个阈值时，DIFc迅速增加.其中，掺入PVA-PA 混杂纤维和PA 纤维都能增大微胶囊自修复水泥基材料的应变率敏感性，而PVA纤维反而会降低材料的应变率敏感性.

3）在动态压缩荷载下，试件的动态压缩强度、动态压缩强度增长因子、动态应变能力及能量吸收能力随着应变率的提高而增大，随着微胶囊掺量的增大而减小，试件表现出明显的应变率效应，微胶囊会降低试件的压缩性能.

4）在不同应变率范围内，纤维改善微胶囊自修复水泥基材料能量吸收能力的效果有所不同.在低应变率范围内，纤维发挥主要作用，耗散能和能量耗散因子的大小取决于纤维类型，且改善效果从高至低依次为PVA-PA 混杂纤维、PA 纤维和PVA纤维.在高应变率范围，纤维对材料的能量吸收能力没有明显改善效果，耗散能和能量耗散因子的大小主要取决于水泥基体强度和应变率值.