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        聚合物水泥砂漿高溫后力學(xué)性能研究

        2021-04-24 11:06:46蔣杰良陳建華
        廣東建材 2021年3期
        關(guān)鍵詞:水泥砂漿抗折力學(xué)性能

        蔣杰良 陳建華

        (廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院)

        0 引言

        PCM(聚合物水泥砂漿)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型修補(bǔ)材料,其通過在水泥砂漿中添加各種聚合物來改善普通水泥砂漿的性能[1],可有效提升水泥砂漿的力學(xué)性能[2-3]、耐腐蝕性能[4]等。由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能,近年來PCM 逐漸地在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中得到應(yīng)用。有學(xué)者提出PCM-FRP 的新型復(fù)合加固方法[5-7],GUO R、JIANG Y 等學(xué)者研究了PCM-混凝土、CFRP-PCM等復(fù)合加固方式的界面力學(xué)性能[8-9]。而Khuram Rashid研究了高溫條件下PCM-混凝土界面的性能,發(fā)現(xiàn)PCM和混凝土之間的界面拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度受溫度影響顯著,在高溫下檢測到界面強(qiáng)度大幅下降[10]。這一復(fù)合加固方式能有效解決FRP 加固耐高溫性能差、PCM 與混凝土界面粘結(jié)性能差的問題,但目前對PCM 高溫下力學(xué)性能的研究較少。

        本文研究了不同高溫和不同冷卻方式對PCM 力學(xué)性能的影響,并對PCM 抗折、抗壓強(qiáng)度隨溫度的退化規(guī)律進(jìn)行了分析,為PCM 的工程應(yīng)用及高溫下的強(qiáng)度退化提供科學(xué)依據(jù)。

        1 試驗材料及方法

        1.1 原材料

        聚合物水泥砂漿(PCM):采用上海環(huán)宇建筑工程材料有限公司生產(chǎn)的聚合物水泥砂漿SJ55;其組成為:聚乙烯醇纖維(PVA 纖維)0.1%,水泥45%~55%,砂45%,使用時每千克干粉摻入16%的水?dāng)嚢杈鶆?/p>

        PCM 在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 天的力學(xué)性能見表1。

        表1 PCM的力學(xué)性能

        1.2 試驗方法及設(shè)備

        本研究設(shè)定了6 個高溫條件,研究高溫后聚合物水泥砂漿(PCM)的抗壓、抗折強(qiáng)度變化,并研究了PCM 試件受自然冷卻(AC)和泡水冷卻(WC)的影響。根據(jù)冷卻方式不同,試件分別標(biāo)記為PCM-AC、PCM-WC。

        根據(jù)《聚合物改性水泥砂試驗規(guī)程》(DL/T5126-200 1),PCM 制備40mm×40mm×160mm 的試件并進(jìn)行抗折和抗壓強(qiáng)度測試。

        本研究采用箱式電爐SX2-28-13 對試件進(jìn)行高溫處理,升溫速率為5℃/min;本試驗高溫時的恒溫處理時間為3h。

        2 試驗結(jié)果分析

        2.1 高溫及冷卻方式對試件抗折強(qiáng)度的影響

        高溫與自然冷卻、泡水冷卻作用后,PCM 試件抗折強(qiáng)度的變化如圖1 所示。其相對剩余抗折強(qiáng)度見表2。

        從圖1 和表2 可知,PCM 的抗折強(qiáng)度隨溫度升高呈下降趨勢,在高溫300℃以上時的抗折強(qiáng)度下降尤其顯著。自然冷卻下,200℃前PCM 的抗折強(qiáng)度下降幅度均比200℃后要小。100~200℃時,PCM-AC 的抗折強(qiáng)度下降率<2%。300~600℃時,PCM-AC 的抗折強(qiáng)度下降率分別為33%、54%、62%、76%。泡水冷卻下,100~200℃時,PCM-WC 的抗折強(qiáng)度下降率分別為19%、13%;300~600℃時,PCM-WC 的抗折強(qiáng)度下降率分別為21%、34%、33%、53%。

        圖1 高溫與不同冷卻方式作用后PCM 試件抗折強(qiáng)度變化

        表2 高溫與不同冷卻方式作用后PCM試件的相對剩余抗折強(qiáng)度

        為研究不同冷卻方式作用對PCM 試件的影響,對試件的相對剩余抗折強(qiáng)度(各溫度下的抗折強(qiáng)度ff,t和常溫下的抗折強(qiáng)度ff,20的比值)進(jìn)行對比分析如下:

        200℃前,PCM-AC 的相對剩余抗折強(qiáng)度要比PCM-WC的高,100℃和200℃時的差值分別為17%和12%,這是因為100~200℃時,與泡水冷卻相比,自然冷卻能使得開始熔融軟化的PVA 纖維恢復(fù)更多的強(qiáng)度。

        300~600℃時,PCM-WC 的相對剩余抗折強(qiáng)度卻要比PCM-AC 的高,差值分別為12%、20%、29%、23%。這是因為當(dāng)處理溫度從300℃上升至600℃,PVA 纖維將會逐漸熔化并揮發(fā),試件泡水冷卻后重新生成凝膠和晶體填補(bǔ)PVA 纖維熔融揮發(fā)產(chǎn)生的孔隙,一定程度上減小了抗折強(qiáng)度下降幅度。

        2.2 高溫及冷卻方式對試件抗壓強(qiáng)度的影響

        高溫與自然冷卻、泡水冷卻作用后,PCM 試件抗壓強(qiáng)度的如圖2 所示,PCM 試件的相對剩余抗壓強(qiáng)度見表3。

        圖2 高溫與不同冷卻方式作用后PCM 試件抗壓強(qiáng)度

        表3 高溫與不同冷卻方式作用后PCM試件的相對剩余抗壓強(qiáng)度

        從圖2 和表3 可知,高溫后PCM 試件的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高呈下降趨勢。自然冷卻下,200℃前PCM 的抗壓強(qiáng)度下降幅度均比200℃后要小。100~200℃時,PCM-AC 的抗壓強(qiáng)度下降率<3%。300~600℃時,PCM-AC的抗壓強(qiáng)度下降率分別為25%、31%、43%、54%。泡水冷卻下,100~200℃時,PCM-WC 的抗壓強(qiáng)度下降率分別為12%、10%。300~600℃時,PCM-WC 的抗壓強(qiáng)度下降率分別為23%、27%、32%、53%。

        為研究不同冷卻方式作用對PCM 試件的影響,對試件的相對剩余抗壓強(qiáng)度(各溫度下的抗壓強(qiáng)度fc,t和常溫下的抗壓強(qiáng)度fc,20的比值)進(jìn)行對比分析如下:

        100~300℃時,PCM-AC 的相對剩余抗壓強(qiáng)度比PCM-WC 高,分別提高了9%、8%、8%。這是因為100~300℃時,與泡水冷卻相比,自然冷卻能使得開始熔融軟化的PVA 纖維恢復(fù)更多的強(qiáng)度。

        400~600℃時,泡PCM-WC 的相對剩余抗壓強(qiáng)度比PCM-AC 高,分別提高了4%、11%、1%。這是因為400℃~600℃時,試件泡水冷卻后重新生成凝膠和晶體填補(bǔ)PVA 纖維熔融揮發(fā)產(chǎn)生的孔隙,其相對剩余抗壓強(qiáng)度要比自然冷卻后的高。

        2.3 高溫后的強(qiáng)度退化規(guī)律

        基于以上的試驗研究可以發(fā)現(xiàn),PCM 試件在常溫到600℃范圍內(nèi),經(jīng)過自然冷卻和泡水冷卻兩種方式作用后,其抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度存在著線性關(guān)系(如圖3 所示),且抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度都隨著溫度的升高而降低。隨著抗壓強(qiáng)度的下降,自然冷卻后PCM 的抗折強(qiáng)度下降速率比泡水冷卻的高。

        圖3 PCM 的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度關(guān)系

        3 結(jié)論

        ⑴高溫后PCM 的力學(xué)性能呈下降趨勢,且溫度越高,強(qiáng)度損失越大。100~200℃高溫后,PCM 的抗折抗壓強(qiáng)度下降幅度均較小,自然冷卻的最大降幅僅為3%;300℃~600℃高溫后,PCM 強(qiáng)度顯著下降,自然冷卻的抗折強(qiáng)度下降率達(dá)33%~76%,抗壓強(qiáng)度下降率達(dá)15%~54%;泡水冷卻的強(qiáng)度下降趨勢與自然冷卻的類似。

        ⑵冷卻方式對PCM 力學(xué)性能的影響隨溫度區(qū)間不同而不同。100~300℃高溫后,使用自然冷卻的方式有利于保持PCM 的力學(xué)性能,其相對剩余抗折強(qiáng)度比泡水冷卻的方式提高了12%~17%,相對剩余抗壓強(qiáng)度提高了8%~9%;而400~600℃高溫后,使用泡水冷卻的方式有利于保持PCM 的力學(xué)性能,其相對剩余抗折強(qiáng)度比自然冷卻的方式提高了20%~29%,相對剩余抗壓強(qiáng)度比自然冷卻的方式高1%~11%。

        ⑶高溫后PCM 的抗折抗壓強(qiáng)度仍存在線性關(guān)系,隨著抗壓強(qiáng)度的下降,自然冷卻后PCM 的抗折強(qiáng)度下降速率比泡水冷卻的高。

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