按n(尿素):n(甲醛)=1.0:1.5加入到三口烧瓶中,搅拌溶解后,调节pH值至8～9,升温至70 ℃,搅拌回流下反应1 h,得到黏稠透明的聚脲树脂预聚体; 按一定的囊芯和囊壁比例加入环氧树脂E-51,搅拌乳化20～30 min后,调节体系pH值至1.0～4.0,待微胶囊完全形成后,60 ℃下反应固化2 h,经过滤、洗涤和干燥后得到微胶囊产品^[12].

将玄武岩纤维与水泥、微胶囊、MC120D固化剂粉末混合,在水泥净浆搅拌机上慢速搅拌,均匀混合后,加入水和四乙烯五胺固化剂,继续搅拌至浆体混合均匀,将复合材料浆体装入40 mm×40 mm×160 mm的三联模,插入厚度为0.5 mm、高度为20 mm的钢片,在标准养护箱养护1 d后抽掉钢片,形成一条20 mm×40 mm的预制裂缝,水中养护28 d后取出进行断裂能测试.

1)纤维掺量影响试验.试样中玄武岩纤维长度为20 mm,纤维掺量分别为0、2、4、6、8和10 kg/m³,水灰质量比为0.3.

2)纤维长度影响试验.试样中玄武岩纤维长度分别为10、20和30 mm,纤维掺量4 kg/m³,水灰质量比为0.3.

3)微胶囊质量分数影响试验.试样中微胶囊质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%和5%,水灰质量比为0.3.

4)水灰质量比影响试验.试样中玄武岩纤维长度为20 mm,纤维掺量为4 kg/m³,水灰质量比分别为0.25、0.30、0.35和0.40.

5)计算试验中带缺口的水泥复合材料试样的抗折强度,并对折断后的试样进行抗压强度测试.

6)自修复性能表征.制备纯水泥(A₁)、纤维-水泥复合材料(A₂)、微胶囊-水泥复合材料(A₃)和微胶囊纤维-水泥复合材料(A₄)4种水泥试样进行测试,样品配比见表2.

表2 自修复水泥复合材料组分配比
Table 2 Mix ratios of the self-healing specimen

纤维掺量对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图3,随着纤维掺量的增加,复合材料的断裂能呈增长趋势,当纤维掺量为10 kg/m³时,复合材料的断裂能达到107.89 N/m. 为更好体现纤维对水泥基体断裂能的影响,通过复合材料的断裂能与同配比的纯水泥断裂能的比值^[15](增益比)来体现纤维的作用.

图3 纤维掺量对水泥断裂能的影响
Fig.3 Influence of mass contents of fibers on the fracture energy of cement

纤维掺量对复合材料断裂能增益比影响的试验结果如图4所示,随着纤维掺量的增加,复合材料的断裂能增益比呈逐渐增大的趋势,当纤维掺量为10 kg/m³时,断裂能增益比达到2.64,与纯水泥相比,断裂能增加了约1.6倍. 这是因为纤维可以在水泥基体中均匀分散,在初始裂缝前端形成比较密集的纤维网络,在裂缝扩展区域形成纤维密集的阻裂带,裂缝在扩展时需要不断绕过纤维阻挡或者直接穿过纤维,扩展路径比较曲折,因此复合材料断裂过程中所需要能量增大. 随着纤维掺量的增加,这种阻碍作用更加明显^[16-17].

图4 纤维掺量对水泥断裂能增益比的影响
Fig.4 Influence of mass contents of fibers on the gain ratios of the fracture energy of cement

图5(a)为纤维-水泥复合材料断面形貌,电镜照片显示纤维在水泥基体中均匀分散,水泥基体承受荷载产生裂缝,纤维搭接在裂缝两端阻止裂缝扩展,裂缝继续扩展,纤维被拉断,图5(b)为纤维被拉断的断面特征,呈现微观韧性破坏. 这种阻碍作用提高了水泥复合材料的断裂能和延性^[18].

图5 纤维水泥复合材料断面形貌
Fig.5 Fracture morphology of the fiber-cement composite

纤维长度对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图6和图7所示,当纤维长度分别为10和20 mm时,纤维长度对水泥断裂能的影响不明显,断裂能均在70 N/m左右; 当纤维长度达到30 mm时,水泥材料断裂能下降幅度较大,约下降了21%,增益比下降了约0.4. 纤维长度较长影响了纤维在水泥基体的分散,使纤维产生团聚或者集束现象,裂缝可以沿着纤维密度较小的地方快速扩展,复合材料断裂过程中所需要的能量减少.

图6 纤维长度对水泥断裂能影响
Fig.6 Influence of lengths of fibers on the fracture energy of cement

图7 纤维长度对对水泥断裂能增益比的影响
Fig.7 Influence of lengths of fibers on the gain ratios of fracture energy of cement

微胶囊质量分数对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图8,随着微胶囊质量分数的增加,复合材料的断裂能呈先增后降趋势,较小的微胶囊质量分数能提高水泥断裂能,当掺量达到2%,断裂能达到最大值,随后随着微胶囊质量分数的增加而降低.

图8 微胶囊质量分数对水泥断裂能的影响
Fig.8 Influence of microcapsules mass fractions on the fracture energy of cement

微胶囊质量分数对复合材料断裂能增益比影响的试验结果如图9,当质量分数为1%和2%时,复合材料断裂能增益比大于1; 其他质量分数条件下,断裂能增益比均小于1,当质量分数达到5%时,断裂能增益比仅为0.83. 少量微胶囊可以填充水泥材料的孔隙,改善水泥浆体成型时的流动性,使试样成型后的密实度提高. 当裂缝产生时,孔隙中的微胶囊在应力作用下发生变形或破裂,起到了延缓裂缝扩展的作用,增加了水泥基体的韧性和能量的消耗,如图 10所示. 由于微胶囊的模量和强度比水泥基体低很多,如果在水泥基体中加入大量微胶囊,相当于在材料中形成“空洞”缺陷,裂缝会沿着受力比较薄弱的界面过渡区扩展或者直接穿过微胶囊,复合材料断裂过程中消耗的能量会降低^[19].

图9 微胶囊质量分数对断裂能增益比的影响
Fig.9 Influence of microcapsules mass fractions on the gain ratios of fracture energy of cement

图 10 微胶囊在压力作用下的变形和破裂
Fig.10 Deformation and breakage of microcapsules under the compressive stress

水灰质量比对纤维-水泥复合材料断裂能影响的试验结果如图 11所示,随着水灰质量比的增大,复合材料的断裂能呈降低的趋势,当水灰质量比由0.25增至0.30时,断裂能降幅最大,随后下降幅度较小且大致均匀. 水灰质量比增大会引起水泥硬化时的孔隙数增加,水泥基体界面性能变差,因此复合材料在受荷载作用时,裂缝容易扩展,消耗能量降低,断裂能呈下降趋势; 不同水灰质量比的荷载-位移曲线如图 12,水灰质量比较低时,混凝土的脆性较大,峰值荷载后曲线下降段陡峭,水灰质量比越小,三点弯曲试验试件破坏的极限荷载越小,但是与坐标轴围成的面积比仍较大,因此断裂能依然较高. 当水灰质量比为0.40时,峰值荷载后曲线下降段较为平缓,这说明水灰质量比的增加可以在一定程度上延缓水泥被破坏的过程,增加复合材料的韧性.

图 11 水灰质量比对水泥断裂能的影响
Fig.11 Influence of mass ratios of water to cement on the fracture energy

图 12 不同水灰质量比的荷载-位移曲线
Fig.12 Load-displacement curves of materials with different mass ratios of water to cement

水泥复合材料断裂能与强度分析试验配比与结果如表3. 图 13(a)显示,水泥复合材料断裂能随着复合材料的抗折强度的增大而增大,线性拟合系数R²=0.86. 图 13(b)显示,断裂能与抗压强度之间没有明显的规律,随着抗压强度增加,断裂能呈散乱分布. 抗压强度是表征水泥材料力学性能的指标,代表材料所能承受的极限荷载强度,而断裂能是断裂过程消耗能量值,当材料达到极限荷载后,材料破坏仍需要能量,因此材料的抗压强度不能反映材料的韧性的变化^[20-21].

根据式(1)至式(3)分别计算纯水泥(A₁)、纤维-水泥复合材料(A₂)、微胶囊水泥复合材料(A₃)和微胶囊纤维-水泥复合材料(A₄)4种水泥试样的断裂能、修复率和恢复率,结果如表4. 其中,纯水泥和纤维-水泥复合材料在经预压后断裂能下降较大,修复损伤后的材料,断裂能并未升高,说明不含微胶囊的试样不具备对微裂缝自修复的能力;

表3 材料的强度、断裂能测试结果
Table 3 Test results of strength and fracture energy of materials

图 13 材料强度与断裂能的关系
Fig.13 Relations between the strenth and the fracture energy of materials

修复损伤后的微胶囊水泥复合材料,断裂能有所升高,说明微胶囊具有修复水泥基体微裂缝的能力,修复率为67.72%,恢复率为88.69%; 修复损伤后的微胶囊纤维-水泥复合材料,断裂能进一步升高,说明微胶囊纤维-水泥复合材料具有更好的修复效果,其修复率为80.15%,恢复率为95.52%. 水泥试样经预压后,基体会产生微裂纹,裂纹扩展至微胶囊将使之破裂流出修复剂,修复剂与固化剂反应黏结裂缝. 当裂缝被黏结时,水泥试样再次断裂时断裂能必然升高,因此断裂能可以很好的反映裂缝的修复情况. 纤维的加入可以提高微胶囊对水泥基复合材料的修复率,因为纤维可以横跨在裂缝两端起桥接作用,延缓水泥的破坏过程,为微胶囊的修复剂黏结裂缝创造条件,所以微胶囊纤维/水泥复合材料比微胶囊水泥复合材料具有更高的修复率及恢复率.

微胶囊纤维-水泥自修复复合材料修复前后的荷载-位移曲线如图 14所示.其中,1号试样为直接采用三点弯曲法测试试样断裂能; 2号试样为采用极限荷载的50%的力进行预压损伤并在室内放置5 min后进行断裂能测试; 3号试样为预压损伤后,在自然状态下修复7天后再进行断裂能测试. 由式(1)可知,荷载-位移曲线下的面积越大,断裂能越大. 1号试样曲线下面积大于2号试样曲线下的面积,表明水泥试样经损伤后断裂能有所下降; 3号试样曲线下的面积大于2号试样,表明水泥试样经修复后断裂能有所提高. 虽然微胶囊的加入会降低水泥的峰值荷载,但同时对水泥材料有一定的增韧作用,使曲线下降段平缓; 纤维的加入可以极大的改善水泥的延性,对水泥的峰值荷载影响较小,荷载-位移曲线下降段非常平缓,曲线下面积变大,消耗的断裂能增大,表明微胶囊实现了对纤维-水泥复合材料的自修复作用,纤维与微胶囊的协同作用也在一定程度上提高了自修复效率.

表4 水泥复合材料自修复性能
Table 4 Self-healing performance of the cement composites

图 14 微胶囊纤维-水泥复合材料修复前后荷载-位移曲线
Fig.14 Load-displacement curves of microcapsule fiber-cement composites before and after healed