渗透结晶型防水剂对PE-ECC力学和自愈合性能影响

谭 燕,赵 ,肖 衡 林,龙 雄,万 祥 淼

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068)

0 引 言

水泥混凝土是近现代最大宗的人造材料,被广泛应用于水利建筑工程。作为一种典型的无机复合材料,水泥混凝土存在质脆易裂的缺点,在拉伸或弯曲载荷作用下,混凝土容易出现裂纹,从而导致结构耐久性能急速降低[1]。

高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)是一种绿色、高性能的建筑材料,通过高强度和高弹性模量的聚合物纤维增强,ECC拥有优良的拉伸性能和应变硬化的特性[2-3],其拉伸应变通常大于3%[4-5],是普通混凝土的300多倍,被称为“可拉伸和可弯曲的混凝土”[6-7]。ECC的拉伸和弯曲变形能力源于材料在载荷作用下持续出现的细密、饱和裂缝。裂缝宽度一般介于0.05～0.1 mm之间,明显小于规范GB/T 50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》[8]的规定。虽然微裂缝对工程结构的承重、防渗危害很小,但是当受到温差和渗流等因素作用后,微裂缝可能会不断扩展,最终形成有损结构承载力的宏观裂缝[9]。因此,促进ECC裂缝处的自愈合有利于提高建筑结构的安全及耐久性能。

近年来,水泥基复合材料裂缝自愈合技术逐渐成为研究热点,目前自愈合技术主要分为自然自愈合、渗透结晶自愈合、微胶囊自愈合、仿生技术自愈合、形状记忆合金自愈合等[10-12]。自然自愈合能力有限,效果较差,微胶囊、仿生技术和形状记忆合金等自愈合不仅昂贵,而且对环境要求较高,在实际工程中难以实现[13]。而渗透结晶自愈合具有绿色环保、愈合环境要求简单、施工方便等优点,渗透结晶自愈合通过掺入水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)实现,当基体出现裂缝时,CCCW中的活性物质能与水反应生成不溶于水的结晶体,修补裂缝和填充孔隙,从而提高结构的密实性[14]。CCCW的修复效果受多种因素影响,包括使用方法、材料成分和养护环境等,一般认为CCCW作为外加剂比作为涂料能更好地提高结构强度,而水浸是最有利的养护环境。CCCW对材料的和易性影响很小,加入CCCW可以提高材料的应变能力[15]。CCCW对宽度小于0.3mm的裂缝有着较好的修复效果,当CCCW材料用量合适时,可以大大提高水泥基复合材料的力学及耐久性能[16]。

但是,目前对CCCW的研究主要集中于普通混凝土[17-19],而关于它对ECC性能的影响研究较少,特别是对拉伸性能和自愈合性能方面的研究还不够深入。近年来,聚乙烯(PE)纤维由于具有良好的疏水性和纤维桥接能力,被作为ECC的首选纤维增强材料[20]。因此,本文以掺入超高分子量聚乙烯短切纤维的ECC(PE-ECC)为基准组,研究掺入国内外不同类型及掺量的CCCW对PE-ECC力学性能和自愈合性能的影响。

1 试验设计

1.1 原材料和配合比设计

原材料使用PII 52.5级硅酸盐水泥、一级粉煤灰、超细砂和多元羧酸高效减水剂,水泥和粉煤灰的化学组成见表1。所用超高分子量聚乙烯短切纤维如图1所示,纤维长度12 mm,纤维直径25 μm,密度0.97 g/cm3,弹性模量116 GPa,分子量100万～500万,以1.5%体积掺量掺入[21]。

表1 原材料的化学组成Tab.1 Chemical composition of raw materials %

本次研究选用加拿大XYPEX和武汉理工大学余剑英团队研发的SY1000两种类型CCCW,采用布鲁克D8 advance X射线衍射仪(XRD)和BT-9300S型激光粒度分布仪对其物相组成和粒径进行检测,结果如图2～3所示,CCCW掺量设置为胶凝材料的0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,配合比如表2所列。

图2 CCCW物相组成Fig.2 Phase composition of CCCW

图3 CCCW粒径分布Fig.3 Particle size distribution of CCCW

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

经激光粒度分布仪检测分析可得:XYPEX型和SY1000型CCCW体积平均径分别为19.46 μm和41.33 μm;面积平均径分别为4.20 μm和13.48 μm;峰值粒径分别为22.48 μm和46.42 μm;粒径分布宽度分别为2.90和1.42。

1.2 试件制作与试验方法

1.2.1试件制作

搅拌使用LJ-XLG50E型ECC专用搅拌机,首先加入80%的水,然后加入水泥、砂、粉煤灰和减水剂,在搅拌过程中加入剩下20%的水,3～5 min后逐渐加入PE纤维,然后搅拌5 min左右使纤维分散均匀,最后装入模具,覆膜1 d后拆模将试件在恒温恒湿环境下养护28 d。

1.2.2力学试验测试

使用DYE-300S型微机伺服水泥抗压抗折试验机进行抗压强度和抗折强度测试,试件尺寸分别为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和40 mm×40 mm×160 mm,抗拉试验使用WDW-100C型微机控制电子万能试验机,试件类型采用狗骨型平板试件。

1.2.3自愈合试验测试

自愈合试验在温度20 ℃、湿度95%的环境下进行,试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,浇筑试件前用100 mm×120 mm钢片放置模具中央,裂缝深度均为100 mm,随后浇筑,在终凝(约6 h)前轻轻拔出钢片。使用共振频率测定仪每隔7 d测量其共振频率,使用KS-105型无线裂缝测宽仪每隔14 d在裂缝中间测量缝宽,初始缝宽如图4所示。

图4 裂缝宽度Fig.4 Crack width

1.2.4压汞法(MIP)测试

采用麦克AutoPore Iv 9520型压汞仪(MIP)测量PE-ECC和CCCW-PE-ECC孔隙分布,可分析孔径范围5～340 000 nm。

1.2.5X射线衍射仪(XRD)测试

采用布鲁克D8 advance X射线衍射仪(XRD)对PE-ECC及CCCW-PE-ECC自愈合产物进行物相成分测试。

1.2.6扫描电子显微镜(SEM)测试

采用捷克TESCAN MIRA LMS扫描电子显微镜(SEM)观察PE-ECC和CCCW-PE-ECC基体表面和自愈合产物微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

CCCW-PE-ECC(X)与CCCW-PE-ECC(S)试件的抗压强度和抗折强度如图5所示。当CCCW掺量为0.5%,1%,1.5%,2.0%时,CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)的强度均高于基准组,这是因为CCCW中含有大量Ca2+、SiO32-离子,能够生成更多的CaCO3和水化硅酸钙(C-S-H)等凝胶产物,提高了基体的密实程度。随着CCCW掺量的增加,CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)的抗压强度和抗折强度均呈先增强后减弱趋势,CCCW-PE-ECC(X1.0%)与CCCW-PE-ECC(S1.0%)的抗压强度和抗折强度均达到最大值,抗压强度分别为53.8 MPa和51.3 MPa,相较于PE-ECC分别提高了37.95%和31.54%;抗折强度分别为11.8 MPa和9.5 MPa,相较于PE-ECC分别提高了53.25%和23.38%。掺XYPEX型CCCW对PE-ECC抗压强度和抗折强度的提升效果更为明显,这是因为XYPEX型CCCW粒度更细,水泥水化反应更为充分,水化产物增多,能够填补更多孔隙和裂缝,与PE-ECC基体材料和纤维结构结合更为紧密,对强度的提升效果更为明显。

图5 CCCW-PE-ECC(X)与CCCW-PE-ECC(S)试件的抗压强度和抗折强度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)试件的拉伸应力应变曲线如图6所示,在拉伸试验中,PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)均展现出优异的裂缝控制能力,拉伸后呈现的是应变强化行为,破坏方式并不像普通混凝土表现为脆性破坏,而是由一条裂缝延伸为多条细密裂缝的延性破坏,这表明在单轴拉伸的作用下,随着应变的不断增加,材料仍可持续承受更高的荷载,由初裂点的开裂逐渐发展为整体范围内的多缝开裂。

图6 CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)试件受拉应力应变曲线Fig.6 Tensile stress-strain curves of CCCW-PE-ECC(X) and CCCW-PE-ECC (S) specimen

CCCW-PE-ECC(X)与CCCW-PE-ECC(S)试件的极限拉应力和极限拉应变如图7所示。随着CCCW掺量的增加,CCCW-PE-ECC(X)与CCCW-PE-ECC(S)试件的极限拉应力和极限拉应变均呈先增后减趋势,CCCW-PE-ECC(X1.0%)与CCCW-PE-ECC(S1.0%)极限拉应力和极限拉应变达到最大值,极限拉应力分别为5.56 N/mm2和5.28 N/mm2,相较于基准组分别提升了14.17%和8.42%;极限拉应变分别为7.53%和7.11%,相较于基准组分别提升了21.65%和14.86%。CCCW-PE-ECC(X2.0%)与CCCW-PE-ECC(S2.0%)极限拉应力和极限拉应变为最小值,极限拉应力分别为4.15 N/mm2和4.27 N/mm2,相较于基准组分别降低了14.78%和12.32%;极限拉应变分别为5.43%和5.33%,相较于基准组分别降低了12.28%和13.89%。由此表明,掺入适量的CCCW对PE-ECC拉伸性能有一定程度的提升,而掺入过量CCCW会降低PE-ECC的拉伸性能。当掺入适量的CCCW时,生成的凝胶产物能够有效填补基体内部孔隙和裂缝,增强其密实程度,促进基体与纤维之间的桥联性能,进而增强其拉伸性能;而过量的CCCW会导致生成过量的水化产物,产生不利影响,CCCW-PE-ECC(X2.0%)和CCCW-PE-ECC(S2.0%)试件微观形貌如图8所示,基体表面存在裂缝,可能是因为水化产物增多,基体内部体积出现一定程度的膨胀而导致的。除此之外,基体表面还存在着大量水化产物,破坏了PE-ECC中纤维、基体和复合材料界面三者间力学相互作用的平衡,导致其拉伸性能变弱。

图7 CCCW-PE-ECC(X)与CCCW-PE-ECC(S)试件极限拉应力和极限拉应变Fig.7 Ultimate tensile stress and ultimate tensile strain of CCCW-PE-ECC(X) and CCCW-PE-ECC (S) specimen

图8 CCCW-PE-ECC(X2.0%)和CCCW-PE-ECC(S2.0%)试件微观形貌Fig.8 Microstructures of CCCW-PE-ECC(X2.0%) and CCCW-PE-ECC (S2.0%) specimen

2.2 自愈合性能

根据抗压、抗折、抗拉试验可知,当CCCW掺量为1.0%时,PE-ECC力学性能最佳,因此自愈合试验选用PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)与CCCW-PE-ECC(S1.0%)3组,分别预制0.1,0.3,0.5,0.7 mm裂缝。

预制裂缝后的PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)共振频率随时间的变化如图9(a)～(c)所示,PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)共振频率随着裂缝宽度的增加逐渐下降,随时间的增长逐渐升高,在0～7 d共振频率增幅最大,在14 d后增幅较为缓慢。当PE-ECC裂缝宽度为0,0.3,0.5 mm和0.7 mm时,共振频率在0～56 d逐渐升高,在56 d后基本没有变化,此时共振频率分别为1 981,1 942,1 912 Hz和1 903 Hz。而当裂缝宽度为0.1 mm时,共振频率直到70 d后才趋于平稳,此时共振频率为1 978 Hz,与无裂缝状态下的PE-ECC共振频率(1 981 Hz)较为接近,表明当PE-ECC裂缝宽度为0.1 mm时存在着自愈合现象的发生,而当裂缝宽度为0.3,0.5 mm和0.7 mm时,基本上无自愈合现象的发生。

图9 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)与CCCW-PE-ECC(S1.0%)试件共振频率和裂缝宽度随时间变化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

当CCCW-PE-ECC(X1.0%)裂缝宽度为0和0.7 mm时,共振频率在42 d后基本无变化,此时共振频率分别为2 004 Hz和1 940 Hz;当裂缝为0.1 mm和0.3 mm时,共振频率分别在49 d和70 d后基本无变化,此时共振频率分别为2 001 Hz和1 999 Hz,与无裂缝下的2 004 Hz较为接近。当裂缝宽度为0.5 mm时,共振频率直到84 d仍然有所变化,且有继续增长趋势,此时共振频率为1 991 Hz。当CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂缝宽度为0和0.7 mm时,共振频率在49 d后基本无变化,此时共振频率分别为1 999 Hz和1 941 Hz;当裂缝为0.1 mm和0.3 mm时,共振频率分别在56 d和70 d后基本无变化,此时共振频率分别为1 996 Hz和1 994 Hz,与无裂缝状态下的1 999 Hz较为接近;当裂缝宽度为0.5 mm时,共振频率直到84 d仍然有所变化,且有继续增长趋势,此时共振频率为1 989 Hz。由此表明当CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂缝宽度为0.1,0.3 mm和0.5 mm时,存在自愈合现象的发生,并且裂缝宽度越小,自愈合的速度越快,而当裂缝宽度为0.7 mm时基本上无自愈合现象的发生。

预制裂缝后的PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂缝宽度随时间的变化如图9(d)～(f)所示,84 d后各组裂缝宽度如图10～12所示。当PE-ECC裂缝宽度为0.1 mm时,28 d时愈合了30%,56 d时愈合了60%,84 d时几乎完全愈合;当裂缝宽度为0.3,0.5 mm和0.7 mm时,裂缝宽度在84 d内基本上无变化,表明PE-ECC能有效愈合0.1 mm内的裂缝。当CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)裂缝宽度为0.1 mm时,在28 d时分别愈合了50%和40%,56 d时几乎完全愈合;当裂缝宽度为0.3 mm时,裂缝分别在70 d时基本完全愈合;当裂缝宽度为0.5 mm时,在84 d时分别愈合了90%和88%;当裂缝宽度为0.7 mm时,在84 d内裂缝宽度基本没有变化。

图10 不同初始裂缝宽度下PE-ECC试件84 d时的裂缝宽度Fig.10 Crack width of PE-ECC specimen with different initial crack widths at 84 days

图11 不同初始裂缝宽度下CCCW-PE-ECC(X1.0%)试件84 d时的裂缝宽度Fig.11 Crack width of CCCW-PE-ECC(X1.0%) specimen with different initial crack widths at 84 days

图12 不同初始裂缝宽度下CCCW-PE-ECC(S1.0%)试件84 d时的裂缝宽度Fig.12 Crack width of CCCW-PE-ECC(S1.0%) specimen with different initial crack widths at 84 days

结合共振频率和裂缝宽度的变化分析可知:掺入CCCW能加快PE-ECC水化反应和自愈合速度,有效增强PE-ECC自愈合能力,对小于0.5 mm的裂缝有较好的修复效果,但是无法愈合宽0.7 mm的裂缝,XYPEX和SY1000两种材料的CCCW自愈合性能相当。其愈合原理是当PE-ECC出现裂缝后,CCCW中的活性物质会随着水的流动向其内部渗透,与毛细孔中游离的Ca2+发生络合反应生成不溶于水的结晶体封堵毛细孔道;另一方面,活性物质还具有催化作用,能够进一步促进水泥的水化反应,当Ca2+络合物遇到活性较高的未水化的水泥时,更稳定的SiO32-会将活性物质置换生成C-S-H凝胶,进而填充毛细孔隙及修补裂缝,提高其密实性,促进自愈合的发生。

2.3 综合性能

为了更全面直观地分析PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X)和CCCW-PE-ECC(S)试件的综合性能,选取PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%),对抗压强度、抗折强度、极限拉应力、极限拉应变、自愈合裂缝宽度绘制雷达图,如图13所示。掺入CCCW后PE-ECC力学性能和自愈合能力得到了显著的提升,掺XYPEX型CCCW对PE-ECC力学性能提升更为明显,一方面是因为XYPEX型CCCW体积平均径、面积平均径以及峰值粒径均小于SY1000型CCCW,粒度更细,而且SY1000型CCCW粒径分布宽度较小,峰值粒径附近占比较多,导致平均粒径偏大,与水泥基复合材料混合搅拌时水化反应程度较XYPEX型CCCW低,水化产物填充孔隙能力不够,密实程度较低,对PE-ECC力学性能提升程度较XYPEX型CCCW稍弱一些。另一方面XYPEX型CCCW中含有Ca3SiO5、Ca(OH)2和CaSO4,不仅能提供更多Ca2+,生成更多的C-S-H凝胶、CaCO3晶体和钙矾石(AFt)填补孔隙,同时也能作为Ca2+络合剂与CCCW中的活性物质生成不溶于水的沉淀进一步填补空隙,使基体结构更为密实,力学性能更佳。XYPEX型和SY1000型CCCW对PE-ECC自愈合性能影响程度较为接近,对小于0.5 mm的裂缝都有较好的修复效果。

图13 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和 CCCW-PE-ECC(S1.0%)试件综合性能Fig.13 Comprehensive performance of PE-ECC,CCCW-PE- ECC(X1.0%) and CCCW-PE-ECC(S1.0%) specimen

3 微观分析

3.1 孔隙结构

PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)试件的孔隙分布如图14所示,样品龄期为28 d。根据孔径d的大小可将材料内部的孔分为:气孔(d>1 μm)、毛细孔(10 nm～1 μm)和凝胶孔(d<10 nm)[22-23]。总孔容随孔径变化趋势如图14(a)所示,在气孔范围内的增长趋势较为缓慢,而在毛细孔和凝胶孔范围内增长迅速,表明其孔隙结构主要以毛细孔和凝胶孔为主。CCCW-PE-ECC(X1.0%)的气孔、毛细孔和凝胶孔均最少,总孔容为0.14 mL/g,CCCW-PE-ECC(S1.0%)总孔容为0.16 mL/g,PE-ECC毛细孔和凝胶孔最多,总孔容为0.21 mL/g,CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)总孔容较PE-ECC分别降低了33.33%,23.81%。总孔面积随孔径变化趋势如图14(b)所示,在气孔范围内,PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)的孔面积几乎没有,在毛细孔范围逐渐增长,凝胶孔范围内增长最为迅速,表明其大孔占比较少,孔隙结构主要由毛细孔和凝胶孔构成。PE-ECC总孔面积为11.90 m2/g,CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)总孔面积分别为9.43 m2/g和9.98 m2/g,相比于PE-ECC分别降低了20.76%和16.13%。

图14 总孔容和总孔面积随孔径分布的变化趋势Fig.14 Variation trend of total pore volume and total pore area with pore size

通过PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)试件的总孔容和总孔面积变化综合分析可得:掺入适量的CCCW后,PE-ECC总孔容和总孔面积出现了下降,基体孔隙结构得到了改善,整体结构更为密实。这是因为一方面CCCW能够促进水泥水化反应,生成的CaCO3、C-S-H凝胶和钙矾石(AFt)有利于填充孔隙和裂缝;另一方面CCCW中的活性物质能够置换水泥中未水化的Ca(OH)2中的Ca2+,生成更多的稳定的C-S-H凝胶和CaCO3晶体填充毛细孔和凝胶孔,改善了孔隙结构。

3.2 物相组成

PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)在裂缝宽度为0.1 mm时的自愈合产物XRD谱图如图15所示,测试样品龄期为28 d。自愈合产物主要含有CaCO3、C-S-H和钙矾石(AFt),相对于PE-ECC,CCCW-PE-ECC(X1.0%)和CCCW-PE-ECC(S1.0%)的自愈合产物种类并未有所增加,但是它们的CaCO3和C-S-H强度衍射峰值均高于PE-ECC,而且除了Ca2SiO4和CaSO4以外,还存在多钙钾石膏(Gorgeyite)作为Ca2+络合剂,Ca2+络合剂可以降低与钙离子反应水化产物的活化能[24],当到达水泥凝胶富集的区域时,由于产物的溶解度和稳定性不同,络合剂中的阴离子将被硅酸盐和铝酸盐离子取代,在水环境下能够生成大量稳定不溶于水的Ca2+络合物,促进基体材料裂缝愈合,有利于提高结构的力学性能[25-26]。

图15 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和 CCCW-PE-ECC(S1.0%)试件裂缝的自愈合产物XRD谱图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

由于浓度和压力的差异,CCCW中的活性物质会通过微裂缝随水渗透到基体内部,然后与孔隙中的游离石灰和氧化物反应,生成不溶性结晶物质[27]。当处于干燥环境中时,活性化学物质以固体形式沉淀出来,并保持休眠状态,当基体中出现微裂缝时,水会再次激发活性化学物质的活性,使其继续扩散并发生反应,直到裂缝被填充和压实[28]。

XYPEX型CCCW中含有Ca3SiO5、Ca(OH)2和CaSO4,能提供更多Ca2+,这些Ca2+起到了两方面的作用:一方面能够与水泥中SiO32-、CO32-和AlO2-生成更多的C-S-H凝胶、CaCO3晶体和钙矾石(AFt);另一方面能够与CCCW中的活性物质生成不溶于水的沉淀物,填补了基体孔隙,使结构更密实。而SY1000型CCCW中存在的CuSiO2(OH)2是一种硅酸盐矿物,具有提升材料强度作用。C3H5NO(丙烯酰胺)可用作纤维改性剂,同时具有防腐、分散的作用。CaHPO4·2H2O(磷酸氢钙)不仅能够提供Ca2+,而且能够增加溶液、胶体和混合物的稳定性能,保持合成纤维的稳定,防止其分解、老化。

3.3 微观形貌

PE-ECC、CCCW-ECC(X1.0%)和CCCW-ECC(S1.0%)在裂缝宽度为0.1 mm处自愈合产物的微观形貌如图16所示,自愈合产物主要有絮状C-S-H、颗粒状的CaCO3和针柱状钙矾石,这些晶体可以填充裂缝和孔隙,使结构更致密化。CCCW-ECC(X1.0%)和CCCW-ECC(S1.0%)的纤维表面自愈合产物更多且分布更为密集,表明裂缝愈合处结构更为紧密,愈合程度更高。这是因为CCCW 中的活性阴离子在反应中起到催化剂的作用,可以提高 Ca2+和 SiO32-生成 CaSiO3·nH2O 的反应速率,使反应更彻底,结构更致密,而且它在水中的高溶解度和渗透性增加了其渗透深度,并进一步压实了混凝土结构[29]。CCCW有利于高性能纤维混凝土力学性能的恢复,纤维和CCCW的协同作用赋予自愈合产物更好的与纤维结合的能力。当结构因外部条件出现裂缝时,内部的纤维可以延缓裂缝进一步发展,这有助于提高结构的耐久性能[30]。

图16 PE-ECC、CCCW-PE-ECC(X1.0%)和 CCCW-PE-ECC (S1.0%)试件裂缝宽度0.1 mm 处自愈合产物微观形貌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 结 论

(1) 国外XYPEX和国内SY1000两种类型的CCCW均能有效提高PE-ECC的力学性能和自愈合能力,相对来说,XYPEX型CCCW对力学性能提升效果更为明显。

(2) 随着CCCW掺量的增加,PE-ECC力学性能呈先增后减趋势,当掺量为1.0%时力学性能最佳,XYPEX型CCCW提升效果更为明显,此时抗压强度为53.8 MPa,提升了37.95%;抗折强度为11.8 MPa,提升了53.25%;极限拉应力为5.56 N/mm2,提升了14.17%;极限拉应变为7.53%,提升了21.65%。

(3) CCCW能加快PE-ECC裂缝愈合速度,提高自愈合能力,对于小于0.5 mm的裂缝,裂缝宽度随时间的推移逐渐变窄,共振频率逐渐增大,XYPEX和SY1000两种类型的CCCW自愈合性能相当。

(4) MIP显示,CCCW能有效改善PE-ECC的孔隙结构,提高结构密实程度。XRD和SEM表明,CCCW能增强PE-ECC提供Ca2+的能力,促进生成更多不溶于水的Ca2+沉淀物;裂缝处自愈合产物分布更为密集,愈合程度更高。