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        高強PVA-ECC高溫耐受性研究

        2020-07-18 07:14:32黃安良姚博宇
        廣東土木與建筑 2020年7期
        關鍵詞:劣化高強微觀

        黃安良,甘 偉,姚博宇,王 慶

        (1、廣州立墻墻體材料有限公司 廣州510800;2、廣州大學土木工程學院 廣州510006)

        1 PVA-ECC材料介紹

        PVA-ECC,即聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料,是一種新型延性水泥基材料,具有受拉應變硬化和多重開裂的特性,自20 世紀90 年代以來被廣泛應用于建筑工程的多個領域。該材料通常摻入體積分數(shù)不超過2%的韌性短切纖維[1-3],在流動性能得到保證的情況下,抗拉強度可達10 MPa 以上,極限抗拉應變能夠達到0.5%~8.0%[4-6],同時,28 d 抗壓強度可調節(jié)在30~80 MPa 之間,且裂寬得到有效控制[6,7]。目前,已開發(fā)有多種不同功能和類型的ECC,包括綠色ECC[8]、可噴涂ECC[9]和自愈合ECC[10]等。這些新型材料在結構減震[11],橋梁減震[12]等領域均能發(fā)揮其功效。正因ECC 的發(fā)展不斷多元化和普遍化,材料遭受高溫作用的概率也有所增加,但目前對高溫耐受性能的研究并不充分,主要集中在中低強度試件劣化研究[13-16],對于高強度ECC 耐受性能研究還未知。鑒于此,本文通過研究高強度ECC 在1 200 ℃高溫下的力學性能和微觀結構,并與低強度ECC 同條件作用下的性能進行對比分析,探討不同強度ECC 的高溫劣化規(guī)律及相關機理。

        2 試驗概況

        2.1 原材料

        試驗采用P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥(化學組成見表1),細集料粒徑小于2.5 mm。PVA 纖維的直徑為39 mm,長度12 mm,抗拉強度1 780 MPa。

        表1 水泥的化學組成Tab.1 Chemical Composition of Cement Used

        2.2 試驗配合比

        本試驗制備了2 批ECC 試件,即高強PVA-ECC(w/b=0.20)和低強PVA-ECC(w/b=0.45),其砂膠比均為0.80(配合比及實測強度見表2),分別成型15 個100 mm 立方體試件,用于抗壓強度試驗、殘余力學性能試驗和微觀結構測試。在抗壓強度試驗中,每個配合比在7 d 和2 8 d 各測試3 個樣品。試件在澆注24 h后從模具中取出,置于標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護。

        表2 試驗用配合比(kg/m3)及實測抗壓強度Tab.2 Mix Proportion and Compressive Strength of PVA-ECC

        2.3 升溫制度

        本試驗采用KF1400 箱式高溫爐對試樣進行加熱,升溫速率為20 ℃/min,至1 200 ℃升溫停止并恒溫保持1 h。升溫曲線如圖1所示,所有試樣在加熱前和冷卻后進行稱重并記錄,冷卻至室溫后,進行殘余力學性能試驗。

        圖1 溫度-時間變化曲線Fig.1 Temperature-time Curve

        2.4 微觀試驗

        熱重分析試驗在干燥的氮氣環(huán)境下進行,可分析PVA 的溫度敏感性,該實驗從室溫加熱至800 ℃,加熱速率為20 K/min。在上述殘余力學性能試驗結束后,制備片狀樣品,利用高倍率電子顯微鏡以及掃描電鏡進行微觀結構分析。

        3 試驗結果分析

        3.1 實驗現(xiàn)象

        試驗過程中,當溫度達到200 ℃時,PVA 纖維開始熔化并產生刺激性氣味。當溫度繼續(xù)升高至800 ℃后,可陸續(xù)聽到試樣剝落的聲音,且在高強度試樣中更為明顯。受高溫作用后,PVA-ECC 試樣表面顏色發(fā)生變化,并出現(xiàn)一定程度的開裂和剝落(見圖2),且高強ECC試件的顏色變化最為明顯,呈暗紅色。

        結合200 倍電子顯微鏡的觀測結果(見圖3),試件表面的變化更加突出。在常溫下,可明顯觀測到試件表面的PVA 纖維,但高溫處理后,不論低強(見圖3b)還是高強(見圖3d)試件,PVA 纖維均已消失。受高溫作用,在低強度試件表面出現(xiàn)了少量的二氧化硅晶體,試件表面與常溫無太大區(qū)別,但是,在高強PVA-ECC 試件表面可以明顯觀察到靜觀裂縫和大量的二氧化硅晶體?;膹姸鹊奶岣呤沟迷嚰诟邷刈饔孟滦阅茏兓鼮槊舾小?/p>

        圖2 高溫作用前后不同強度ECC試件表面顏色變化Fig.2 Changes in Surface Color of ECC Specimens with Different Strengths before and after High Temperature

        圖3 高溫作用前后試件的顯微照片(×200)Fig.3 Photomicrograph of Specimens before and after High Temperature(×200)

        3.2 質量損失與殘余抗壓強度

        受高溫作用后,由于內部水分蒸發(fā)、水化產物分解及纖維熔化等作用,所有試件質量均有明顯降低。從實驗結果可知,高強PVA-ECC 試件的質量損失略低于低強試件,與已有文獻[17-26]的趨勢基本相同(見圖4)。

        同時,對比高溫作用前后,ECC 的抗壓強度均有明顯降低。若將殘余抗壓強度與材料28 d 抗壓強度比值a 定義為殘余強度比,并將文獻[17-26]及試驗結果繪成圖5,對比發(fā)現(xiàn),當材料強度提高后,殘余強度比a 存在下降的趨勢,例如低強組WB045 殘余強度比在0.5 附近,而高強組WB020 僅在0.1~0.2 之間,強度的損失比例增大,這對于構件和結構的承載能力和安全可靠性將產生不利影響。這一部分可歸因于PVA-ECC 中纖維的熔化,另外,高強材料常溫下結構致密,強度明顯提高,但當溫度提高到1 200 ℃后,材料內部結構逐步成分散狀態(tài),原有化學鍵和結合力被打破,材料劣化更為明顯。

        圖4 質量損失與28天抗壓強度關系Fig.4 Relationship between Mass Loss and 28-day Compressive Strength

        圖5 殘余抗壓強度與28天抗壓強度關系Fig.5 Relationship between Residual Compressive Strength and 28-day Compressive Strength

        3.3 微觀分析

        熱重分析資料顯示,PVA 纖維在200 ℃開始熔化,1 200 ℃完全消失。圖6掃描電鏡的結果同樣可以證實,經歷1 200 ℃高溫處理后,PVA 纖維熔化后留下了大量細長的微孔,部分水化產物在1 200 ℃的溫度下完全分解,內部結合力大幅降低,這是材料殘余強度迅速下降的主要原因之一。從低強(見圖6b)與高強(見圖6d)2 組試件結果的對比可以看出,高強試件在遭受高溫作用后,內部孔隙變大,初始裂隙增加且尺寸增大,殘余性能劣化加劇。

        4 結論

        通過對高強PVA-ECC 在1 2 00℃作用下的試驗結果,與低強PVA-ECC進行對比分析,主要結論如下:

        ⑴材料強度提高后,高溫作用下表觀開裂現(xiàn)象更為明顯,且更易剝落;

        圖6 高溫作用前后不同強度ECC試件SEM結果Fig.6 SEM Photo of PVA-ECCs before and after High Temperature

        ⑵ECC強度越高,高溫作用后殘余強度比降低;

        ⑶從SEM 微觀照片可知,試件在遭受高溫作用后,內部孔隙變大,初始裂隙增加,是導致殘余性能劣化的主要原因之一。

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