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大量混合火山灰材料的应变硬化胶凝复合材料的力学性能和自修复性能评估
摘要：研究了掺入大量混合磨细高炉渣和粉煤灰的应变硬化胶凝复合材料（GGBS-FA SHCC）的自修复性能和力学行为。制备的SHCC试样通过在180天龄时施加0.5％或1％的拉伸应变进行预裂化，然后暴露于实验室控制的干燥、水浸或自然风化条件90天。采用多种性能评估方法，包括压缩测试，拉伸测试，共振频率测量，扫描电子显微镜和能量色散X射线分析。与未添加GGBS的SHCC相比，掺入GGBS和粉煤灰的SHCC在7天，28天和90天时表现出拉伸强度和抗压强度的提高，而SHCC的应变能力和多裂隙开裂模式则减弱。此外，与仅包含粉煤灰的SHCC相比，具有混合的GGBS和粉煤灰的SHCC具有增强的自修复性能。
关键词：纤维、显微、机械性能、非破坏性测试
- 介绍
由于多种因素，混凝土在使用寿命期间容易开裂。对于龄期较小的混凝土，裂缝的存在通常是塑性沉降，塑性和干燥收缩和/或早期热收缩的结果。在以后的使用寿命中，裂缝的形成可能由例如季节性温度变化，冻融循环，外部约束，蠕变和意外超载引起。裂缝的发展对机械性能产生了不利影响，降低了混凝土结构的使用寿命，这需要劳动力和资本密集型修理工作才能恢复。尽管可以采用各种方法来控制裂缝，例如采用适当的混合料设计，充分利用钢筋，充分放置裂缝控制接缝和伸缩缝等，尽管采取了任何预防措施，但某些类型的裂缝是不可避免的。因此，通过防止水、氯离子、二氧化碳和其他破坏性物质渗透结构，使得具有固有密封或自愈属性的混凝土在裂缝长大成为较大裂缝之前可以修复裂缝，使结构可以极大地受益，并因此延长其使用寿命。水泥材料中的愈合可归因于各种可能的机制，例如未反应的胶结材料的进一步水合，C-S-H凝胶的溶胀，碳酸钙或氢氧化钙晶体的形成以及水中或松散混凝土颗粒内的杂质的裂缝闭合。 研究人员试图通过不同的方法，如利用细菌，封装修复剂，中空玻璃管或纤维，矿物外加剂，土工材料和形状记忆材料来提高胶凝材料的愈合性能。
应变硬化水泥基复合材料（SHCC）的特征在于拉伸应变硬化行为，其最终应变通常报道在0.5％和2％之间的范围内。它们的裂缝宽度控制能力使它们能够展现多重狭窄的开裂模式，直至张力消失。这些能力激发了工程师们使用SHCC和其他类似的应变硬化水泥基材料来替代与修复、加固、耐久性和保护相关的常规混凝土材料。此外，一些研究小组发现，龄期小的SHCC具有很好的裂缝自愈能力。粉煤灰（FA SHCCs）作为水泥代用品的SHCC的材料性能已经被广泛研究。 Hung和Su研究了不同FA量对SHCC自愈性能的影响。结果表明，粉煤灰代用水泥的高替代比例可以增强SHCC的中期自愈能力。近年来，磨细的粒化高炉矿渣（GGBS）已被用作于SHCC中作为水泥的替代品（GGBS SHCC）。发现GGBS SHCCs也具有高拉伸延展性和多裂纹模式，与FA SHCCs相比，它们具有增强的流动性。S ahmaran报道，GGBS SHCC样本在进行劈裂试验后的平均裂缝宽度约为100 mm，远高于FA SHCCs的平均裂缝宽度，约30 mm的S ahmaran也表明，通过快速氯离子渗透性试验 （RBCT），GGBS SHCC比FA SHCC具有更好的自愈能力。 朱等人表明包含混合的GGBS和FA（GGBS-FA SHCC）的SHCC，重量比为0.75的GGBS / FA，与FA-SHCC相比，其极限拉伸应变超过2.5％并且收缩率较低。
值得注意的是，大多数对SHCCs的自我修复研究都集中在年龄小于28天的年轻样本上，因此需要更多的研究努力来了解SHCC的中期自愈能力。此外，关于使用高体积的混合FA和GGBS作为水泥替代物对所得SHCC性质的影响的研究很少。因此，本文的研究旨在通过研究大量混合GGBS和FA的SHCC的中期自愈能力和机械性能来填补文献中的这些空白。 为此，制备并测试了以各种置换水平掺入了GGBS和FA的SHCC混合物。 在固化7天，28天和90天后评估所制备的GGBS-FA SHCC的机械性能。 GGBS-FA混合SHCC的中期自愈性能在三种暴露条件下进行评估，即实验室控制的50％RH，浸水和自然风化。 采用多种方法评估GGBS-FA SHCC的机械和自修复性能，包括压缩试验，拉伸试验，共振频率测量，扫描电子显微镜（SEM）成像和能量色散X射线（EDX）分析。
- 实验计划
2.1原材料
如表1中所详述的，使用三种不同的SHCC混合物来研究使用GGBS部分替代SHCC中的FA的效果。成分包括台湾水泥公司生产的I型普通波特兰水泥，台湾电力公司提供的F级飞灰（即低钙粉煤灰，详细化学成分见表2），GGBS获自CHC Resources Corp. （比表面积6000cm2 / g，详细的化学组成如表3所示），硅砂（最大粒径0.2mm，粒度分布见图1），聚羧酸系高效减水剂外加剂和聚乙烯醇（PVA）纤维。所使用的PVA纤维的量占体积比2％，PVA纤维的长度和直径分别为12mm和39mm。它们的密度为1300 kg / m3，弹性模量为41 GPa，抗拉强度为1600 MPa，最大延伸率为6％。混合物采用普通自来水。为了获得明确的研究结论，三种混合物设计具有相同的水泥替代率，其中火山灰为67％，w / b（水/粘合剂）重量比为0.32。基于由作者进行的用于检查基质的可接受的新鲜状态性能的初步测试，将三种混合物设计（分别表示为F10S00，F08S02，F06S04）的GGBS /（GGBS FA）的重量比确定为为0％，20％和40％。值得注意的是，当GGBS颗粒被添加到SHCC时，由于它们的球形和较小的尺寸，它们在混合物中起显微镜球轴承的作用，从而使砂浆更流畅地流动并且以较少的水流动。基于由作者进行的用于检查基质的可接受的新鲜状态性能的初步测试，将三种混合物设计（分别表示为F10S00，F08S02，F06S04）的GGBS /（GGBS FA）的重量比确定为 为0％，20％和40％。 值得注意的是，当GGBS颗粒被添加到SHCC中时，由于它们的球形和较小的尺寸，它们在混合物中起显微镜滚珠轴承的作用，从而使砂浆更流畅地流动并且以较少的水流动。
Hobart混合器用于混合SHCC材料。所有粉末充分干混，然后加入总流体的一半（含水和超增塑剂）并混合8分钟。将剩余的流体与PVA纤维一起加入到混合物中，然后再混合3分钟。用于测试的压缩和拉伸试样通过将新鲜混合物倒入模具中然后用塑料片覆盖而制成。
2.2机械和自愈性能评估程序
实验程序可分为（1）原始SHCC样品的力学性能评估和（2）预裂化SHCC样品的自修复性能的评估。使用更多样品进行评估通常可以提高测试的质量结果。 考虑到所用混凝土搅拌机的容量限制，每个环境案例准备三个样本，并将三个样本的平均结果作为本研究报告的代表值。
2.2.1新搅拌SHCC在7,28和90天龄时的力学性能
在7,28和90天的时间评估三种SHCC混合物的拉伸和压缩反应。这些样品在铸造后24小时脱模，然后在室温（23plusmn;2℃）下在饱和石灰水中固化，直到试验前一天在实验室中在23plusmn;2℃下空气固化。
根据ASTM C39制造并测试直径为100mm和高度为200mm的标准圆柱体试样以测量SHCC材料的抗压强度。将规定尺寸为240mmtimes;60mmtimes;15mm，分别为长度、宽度和厚度。 它们通过图2所示的实验装置在单轴拉伸载荷下进行测试。铝板两端附着在拉伸试样的两侧，以允许加载框架有效地夹住试样。通过安装在样品两侧的两个线性可变位移传感器（LVDT）监测样品在65 mm标距长度内的拉伸变形。使用LVDT的测量值的平均值作为代表结果。使用排量控制以0.5mm / min的恒定加载速率进行拉伸测试。
2.2.2预裂化SHCC的中期自愈性能
评估SHCC样品中期自愈性能的程序如图3所示。原始SHCC样品在成型后24小时脱模，然后在室温下饱和石灰水中固化28天（23plusmn;2 ℃）。然后在23plusmn;2℃的实验室中空气自愈，直到180天。为了评估中期自愈，原始SHCC标本通过180天的单轴拉伸载荷进行预加载。通过单轴拉伸载荷在试样中引起两个预应变水平，即0.5％和1％。然后将预裂痕试样置于三种不同的环境中持续90天以评估它们的自愈性能。第一种环境是恒定干燥条件，其中样品放置在数字除湿柜中，温度控制在23plusmn;2℃，湿度为50plusmn;5％RH。第二个环境是水环境，它被用来评估水下结构中SHCC的中期自愈性能。通过将SHCC样品浸入温度控制在23plusmn;2℃的自来水中来模拟这种情况。最后的环境是天然的高湿度环境。SHCC标本放置在户外，可以直接暴露在天气变化中。测试期间室外环境的平均温度和湿度分别为21.4℃和77.4％RH。将预应变SHCC样品置于规定的环境条件下90天后，通过谐振频率测试、单轴拉伸测试、扫描电子显微镜和能量色散X射线分析评估其自愈能力。
共振频率的变化被认为是评估胶凝材料拉伸损伤程度的合理指标。具体而言，研究表明双线性模型能够充分解决由于SHCC中拉伸损伤增加而引起的衰减谐振频率。在本研究中，SHCC样品的纵向共振频率的变化在两个不同的时间点进行监测，即在预加载前（RFvirgin）180天的时间以及在被置于指定的自愈之后环境在270天内90天（RFself-healed）。测量SHCC试样共振频率的程序符合ASTM C215（混凝土试样基本横向、纵向和扭转共振频率的标准试验方法）。图4显示了谐振频率测试的实验装置，测试过程首先通过钢球敲击试样的一侧，所产生的应力波由粘在样品另一侧的加速度计测量。检测到的信号在传输到数字荧光示波器之前被放大，然后可以使用快速傅立叶变换获得样本的第一模式纵向谐振频率。对于每次测量，该过程重复三次，并且使用平均结果。
通过对经过90天自愈过程的标本进行单轴拉伸再加载来研究由于中期自愈而引起的预裂纹SHCC样品可能的机械恢复。计算在自我修复调节之前和之后的拉伸强度和刚度的变化。除了共振频率测试和单轴拉伸测试之外，还使用低真空扫描电子显微镜（LV-SEM）目视评估裂纹中新生长的中期沉淀。此外，使用能量色散X射线光谱仪（EDX）分析裂纹内中期愈合产物的化学组成。
- 结果与讨论
3.1原生SHCC样品的机械性能
表7中列出了处于7天，28天和90天的原始SHCC样品的拉伸和压缩行为的实验数据。下面讨论细节。
3.1.1抗压强度
图5显示了SHCC样品的龄期和抗压强度之间的关系。可以看出，随着龄期从7天增加到90天，GGBS-FA SHCC始终具有比仅用FA制备的SHCC更高的强度。当F10S00中的40％FA被GGBS代替时，90天的强度从49MPa（F10S00）增加到75MPa（F06S04），提高了约50％。虽然F06S04的7天强度仅略大于F08S02，但28天和90天的抗压强度随着SHCCs中的GGBS量的增加而显著增加。特别是，F06S04的28天和90天的抗压强度比F08S02的大约高25％。可以相信的是，与波特兰水泥和FA相比，强度的增加部分归因于GGBS的更细颗粒，其有效地填充基质中的空隙，因此增加了颗粒填充密度。另外，与仅用FA制备的SHCC相比，GGBS具有比FA更多的氧化钙含量以及胶凝和火山灰性质，可能导致水泥浆体和集料之间的结合改善，并且降低界面过渡区的孔隙率。吴等人的研究证明了使用混合FA和GGBS在混凝土中的界面区微结构的有益效果。 Wu等人发现高粉煤灰掺量混凝土中存在大量未水化的FA颗粒。如SEM图像所示，当使用GGBS部分代替混凝土中的粉煤灰时，未水化的FA颗粒消失并且显微结构大大增强。 Li等人表明FA的玻璃结构在更高的碱度条件下更易受损。 GGBS（高CaO MgO含量）的水化产生OH-离子和碱进入孔隙流体。这些产物与SiO2发生反应并分解FA的玻璃相，从而加速水合过程并改善界面过渡区的微观结构。
3.1.2拉伸回应
拉伸强度与SHCC试件的龄期之间的关系如图6所示。类似于抗压强度的结果，GGBS-FA SHCC的抗拉强度高于仅用FA制成的SHCC的抗拉强度，无论是7天、28天或90天。特别是，F06S04和F08S02的90天抗拉强度分别比仅用FA制造的SHCC高约10％和25％。这可能是由于以下事实：与仅由FA制成的SHCC相比，GGBS-FA SHCC具有较高比例的强度增强水化硅酸钙（C-S-H）和较低的不利于混凝土强度发展的游离石灰含量。 SHCC材料在90天时的拉伸应力-应变响应绘制在图7中。可以看出，所有试样均表现出应变硬化行为，其中F10S00显示最大应变能力，达到7％。 F08S02和F06S04的应变能力分别为1.5％和3％。此外，还观察到代表多次裂纹发生的曲线波动。
图8显示了90天龄期时样品的拉伸裂纹模式。这表明尽管裂纹的数量差别很大，但所有试样都有多个窄裂纹破坏模式。裂纹尖端附近也出现了广泛的损伤，特别是在F10S00中。结果表明，由于纤维的桥接作用，SHCC中的载荷传递机制导致了主裂纹平面的微裂纹。结果就是试样的拉伸响应在宏观尺度上表现出韧性断裂模式。实验结果如图9所示，表明裂纹的数量与SHCC试样的应变能力成正比。从图9中可以看出，当F10S00中的FA被GGBS部分替代时，拉伸应变能力和裂纹数量大幅下降。 F10S00具有最大的应变能力和窄裂纹的原因可能是由于其含有大量未反应的FA颗粒和含有高体积FA的SHCC的细颗粒之间的较低的结合强度。在GGBS-FA SHCC中观察到的裂纹数量减少也可能是由于存在GGBS而引发裂纹所需的较高断裂能量的结果，所述裂化能量水化形成硅酸钙水合物并且与过量的氢氧化钙反应生成硅酸盐水泥的水合以形成填充孔的精细分散的凝胶。当F10S00中的FA总量的20％被GGBS替代时，应变能力从7％显著降低至1.5％。随着GGBS用量从20％增加到40％时，应变能力略有增强，
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