唐世標(biāo) 甘 偉 姚博宇 王 慶

(1 廣州立墻墻體材料有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

0 引言

為了克服傳統(tǒng)混凝土的脆性，近年來(lái)一種高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料被研發(fā)使用，稱為纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，簡(jiǎn)稱ECC）[1]，具有應(yīng)變硬化和多重開裂的性能。在纖維摻量不超過(guò)2%的情況下，ECC 具有0.5%～8.0%的拉伸變形能力，相較于傳統(tǒng)混凝土的0.01%極限拉伸變形，ECC具有高出十倍甚至百倍的延展性[4]。這些新型材料應(yīng)用廣泛，如結(jié)構(gòu)的減震[7]，橋梁的減震[8]和改造[9]等，隨著使用部位和應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，ECC 遭遇火災(zāi)和高溫作用的概率增大，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生火災(zāi)，材料的性能必將發(fā)生改變，其劣化機(jī)制值得深入研究。

隨著溫度的升高，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，混凝土的顏色也隨著變化，并伴隨有多條逐漸增多增大的裂縫，直到1200℃時(shí)形成剝落[11]。研究表明，水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣壓是混凝土在高溫下剝落的主要原因之一，而高性能混凝土具有致密的微觀結(jié)構(gòu)，其剝落的溫度閾值相對(duì)更低，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料與高性能混凝土有類似的微觀結(jié)構(gòu)，不同含濕量下材料的高溫耐受性同樣值得探索。本文研究了ECC 在1200℃高溫下的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)改變，旨在探討高溫下含濕量對(duì)ECC 的影響。

1 試驗(yàn)方案

采用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，制備了不同含濕量的ECC 試件，水膠比為0.45，砂膠比為0.80，所用細(xì)集料最大粒徑為2.5mm。水泥的化學(xué)組成見(jiàn)表1，聚乙烯醇（PVA）纖維的物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 水泥的化學(xué)組成

表2 PVA 纖維的物理性質(zhì)

1.1 配合比和試件

為了研究不同含濕量的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在高溫下的性能，ECC 配合比見(jiàn)表3，制備21 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，分別用于抗壓強(qiáng)度、殘余力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試。試件澆注24h 后拆模，除六個(gè)水養(yǎng)護(hù)的試件外，其余置于濕度95%和溫度25℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。實(shí)測(cè)C-0 組7 天抗壓強(qiáng)度為27.6MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為35.4MPa。

含濕量（wmc）為試件某時(shí)刻所含可蒸發(fā)水質(zhì)量與水養(yǎng)試件剛從水中取出時(shí)所含可蒸發(fā)水質(zhì)量的比值?？紤]到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，水分移動(dòng)緩慢，故可忽略試件內(nèi)部濕度的不均勻性，以試件的總含水量來(lái)判斷其含濕量的大小。例如，從水中取出并擦除其表面明水后的試樣被認(rèn)為具有100%的含水量，而當(dāng)烘干至恒重時(shí)，試樣則被認(rèn)為含濕量為0[12]。試驗(yàn)采用不同的預(yù)處理方式使得試件具有不同的含濕量，具體見(jiàn)表4。

表3 配合比(kg/m3)

表4 不同含濕量處理方式

1.2 殘余力學(xué)性能

本試驗(yàn)采用KF1400 箱式高溫爐加熱試樣，加熱速率設(shè)定為20℃/min，記錄溫度為爐溫。除對(duì)照組外，每組所有試件加熱至1200℃并保持恒溫加熱1h，溫度變化控制曲線如圖1 所示。所有試樣在加熱前和冷卻后進(jìn)行稱重并記錄，冷卻至室溫后，進(jìn)行殘余力學(xué)性能試驗(yàn)。

圖1 溫度控制曲線

1.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用熱重分析測(cè)定PVA 纖維在高強(qiáng)度ECC 中的比例，高倍率顯微鏡觀測(cè)材料高溫作用后的細(xì)觀形態(tài)，電子掃描顯微鏡研究分析微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)還采用X 射線衍射儀（40KV 和40mA Cu X 射線管）對(duì)粉末樣品進(jìn)行XRD分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，PVA 纖維開始熔化并產(chǎn)生刺激性氣味，圖2 為PVA 熱重分析測(cè)試結(jié)果。在加熱過(guò)程中，尤其是800℃以上，試樣在高溫下發(fā)出爆裂剝落的聲音。

圖2 PVA 熱重分析結(jié)果

圖3 為不同含濕量ECC 經(jīng)1200℃高溫處理后顏色變化，可以看出經(jīng)水中養(yǎng)護(hù)含濕量高的試件顏色偏深且未出現(xiàn)明顯裂縫，但含濕量低的C-1 和C-3 組顏色偏黃，且出現(xiàn)大量的表面裂縫，其中C-1 組裂縫寬度最大。同時(shí)地，在本研究中，未發(fā)生類似高性能混凝土試樣嚴(yán)重剝落的現(xiàn)象，原因在于PVA 纖維的熔化產(chǎn)生了大量的微孔，減少了內(nèi)部的熱應(yīng)力和水蒸氣壓。

圖3 高溫試驗(yàn)后試件的顏色及表觀形態(tài)變化

根據(jù)高倍率電子顯微鏡放大200 倍的結(jié)果（圖4），可以更加明顯地辨別試件顏色的變化和裂紋的產(chǎn)生。常溫狀態(tài)下可觀測(cè)到試件表面的短切纖維，而高溫處理后，不論含濕量如何，均未有纖維的存在，且正常養(yǎng)護(hù)試件的裂縫較少，水養(yǎng)護(hù)試件的裂縫數(shù)量明顯增加，而烘干試件的裂縫寬度則最大（C-2）。此外，在1200℃的溫度下，經(jīng)過(guò)水養(yǎng)護(hù)后烘干的低強(qiáng)度試件表面出現(xiàn)了明顯的二氧化硅晶體。

圖4 高倍率電子顯微鏡觀測(cè)照片（×200）

2.2 殘余力學(xué)性能

不同含濕量的試件，經(jīng)過(guò)1200℃高溫處理1h 后，質(zhì)量損失分別為21.18%，24.86%和23.42%（圖5），水養(yǎng)護(hù)試件（C-2）的質(zhì)量損失均高于室溫養(yǎng)護(hù)試件，并隨著含濕量的增加而增大。

圖5 質(zhì)量損失率

圖6 是高溫后ECC 殘余抗壓強(qiáng)度結(jié)果，對(duì)比可知，水中養(yǎng)護(hù)試件的殘余力學(xué)性能比室溫養(yǎng)護(hù)試件低，且高溫處理前初始含濕量越大，殘余抗壓強(qiáng)度越低。與質(zhì)量損失率的結(jié)果對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，試件質(zhì)量損失越大，抗壓強(qiáng)度損失也越大。因此，材料的初始含水狀態(tài)直接影響材料的高溫耐受性。

圖6 殘余抗壓強(qiáng)度

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

從圖7 掃描電鏡下材料的形貌可知，正常溫度狀態(tài)下纖維的形態(tài)清晰可見(jiàn)，而高溫作用后，不論含濕量如何，均只留下了纖維的凹痕，水化產(chǎn)物在1200℃的溫度下基本發(fā)生分解，且含濕量越低（如C-3），分解越完全。同時(shí)，水化產(chǎn)物的形態(tài)也遭到破壞，失去本身的晶體結(jié)構(gòu)特征。

圖7 不同含濕量ECC 試件SEM 顯微照片

3 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和微觀分析，可得出以下結(jié)論：⑴ECC 的高溫耐受性與含濕量緊密相關(guān)。

⑵試樣含濕量越高，1200℃高溫作用后表觀形態(tài)損傷越低。

⑶含濕量對(duì)試樣質(zhì)量損失和殘余強(qiáng)度影響顯著，含濕量越高，質(zhì)量損失越大，且殘余強(qiáng)度越低。

⑷高溫作用后，PVA 纖維在基體中在留下在大量的凹痕，有利于抑制ECC 的高溫剝落及爆裂。