文章編號：1671-3559（2024）06-0749-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240024.004

摘要： 為了探究高韌性水泥基復合材料經高溫處理后的力學性能，采用聚乙烯纖維與鋼纖維混雜方式制備一種混雜纖維高韌性水泥基復合材料， 通過三點抗折試驗探討所制得聚乙烯纖維-鋼纖維高韌性水泥基復合材料經溫度20、 60、 100、 150、 200、 250 ℃處理后的抗折性能。 結果表明： 隨著處理溫度的升高， 該復合材料的開裂應力、 峰值應力和彎曲韌性均表現為先增大后減小的變化規(guī)律，處理溫度為60、 150 ℃時最大開裂應力為12.09 MPa，最大峰值應力為18.52 MPa；峰值應力受處理溫度的影響較顯著，當處理溫度為200、 250 ℃時，聚乙烯纖維熔化，復合材料的峰值應力相較于處理溫度為150 ℃時的分別減小42.7%、 57.9%；該復合材料的彎曲韌性在指定撓度為L/150、 L/100（其中L為支座間跨度）階段受處理溫度影響較小，在指定撓度為L/50、 L/25階段，隨著處理溫度的升高而先增大后減小，聚乙烯纖維熔化導致復合材料在大撓度階段的彎曲韌性明顯減小。

關鍵詞： 高韌性水泥基復合材料； 高溫處理； 抗折性能； 彎曲韌性； 聚乙烯纖維； 鋼纖維

中圖分類號： TU528.58； TU525

文獻標志碼： A

Effects of High Temperature Treatment on Flexural Property of Polyethylene Fiber-Steel Fiber High Toughness Cement Matrix Composites

ZHANG Ganga， XIE Quna， YU Xiaoweib， ZHAO Penga

（a. School of Civil Engineering and Architecture， b. Audit Office， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To investigate mechanical properties of high toughness cement matrix composites after high temperature treatment，a kind of hybrid fiber high toughness cement matrix composite was prepared by using hybrid mode of polyethylene fibers and steel fibers. Flexural performance of the prepared high toughness hybrid fiber cement matrix composites treated at 20， 60， 100， 150， 200， 250 ℃ was investigated by using three-point flexural test. The results show that with the increase of the treatment temperature， cracking stress， peak stress， and flexural toughness of the prepared composite increase first and then decrease. The maximum cracking stress of 12.09 MPa and the peak stress of 18.52 MPa are obtained at the treatment temperature of 60 ℃ and 150 ℃， respectively. The peak stress is significantly influenced by the treatment temperature. When the treatment temperature is 200 ℃ and 250 ℃， the polyethylene fibers melt， and the peak stress of the prepared composite thus respectively decreases by 42.7% and 57.9% compared with that at the treatment temperature of 150 ℃. The flexural toughness of the prepared composite is slightly affected by treatment temperature during stages with specified deflection of L/150 and L/100 （where L is span between supports）， while during stages with deflection of L/50 and L/25， the flexural toughness increases first and then decreases with the increase of the treatment temperature. The melting of polyethylene fibers results in obvious decrease of flexural toughness of the prepared composite at large deflection stages.

Keywords： high toughness cement matrix composite; high temperature treatment; flexural performance; flexural toughness; polyethylene fiber; steel fiber

混雜纖維高韌性水泥基復合材料（hybrid fiber high toughness cement matrix composite， HFHTCMC）是一種在水泥中加入2種或2種以上的纖維拌合而成的材料，具有強度高、 裂縫控制能力強和耐久性好等特性［1-2］。傳統高韌性水泥基復合材料通過摻入有機纖維改善水泥基體的性能。杜修力等［3］通過控制不同聚乙烯醇（PVA）纖維摻量改善高強混凝土性能， 結果表明， 隨著PVA纖維摻量的增加， 混凝土基體的峰值應力減小， 破壞應變增大到一定程度后不再增加。Wang等［4］通過研究聚乙烯（PE）纖維摻量對工程水泥基復合材料物理力學性能的影響發(fā)現， 隨著PE纖維摻量的增加， 水泥基體的抗拉、 抗折強度均先增大后減小， 延性和韌性均一直增大。有機纖維的摻入雖然可以改善水泥基體的拉伸延展性， 但是對強度的提升有限， 而高彈性模量的無機纖維的摻入可以增大強度，進一步改善水泥基體的性能［5-7］。Lawler等［8］、 Chen等［9］、 Ahmed等［10］、 Qian等［11］等均采用有機纖維與無機纖維混雜摻入水泥中， 制得HFHTCMC， 并研究所制得復合材料的力學性能， 結果表明， 混雜纖維能改善水泥基體的斷裂韌性， 顯著提升水泥基體的強度， 并呈現出多縫開裂的破壞形式， 然而在服役過程中除了荷載之外， 高溫如火災等環(huán)境因素也對所制得復合材料的性能產生極大不利影響［12-15］。avdar［16］通過將3種不同類型的聚合物［共聚聚丙烯-聚乙烯（CPP）、 均聚聚丙烯（HPP）和芳綸（AR）］纖維摻入水泥中，比較高溫對所制得HFHTCMC力學性能的影響， 研究發(fā)現， 當處理溫度為450 ℃時， 所制得復合材料開始出現裂縫和破損， 同時， 未摻纖維的水泥基體的抗彎強度損失約為摻入HPP和AR所制得復合材料的1.5倍， 約為摻入CPP所制得復合材料的3倍。 Pourfalah等［17］在水泥中摻入PVA纖維制得高延性水泥基復合材料（engineered cement matrix composite， ECMC）， 并且混雜PVA纖維與鋼纖維制得HFHTCMC，對比高溫作用后2種所制得復合材料的性能，結果表明，當處理溫度為200 ℃時， ECMC的性能表現為脆性， 而HFHTCMC表現出撓曲軟化行為； 當處理溫度為100～600 ℃時， HFHTCMC的抗彎能力是ECMC的2倍。付曄等［18］、 彭宇等［19］通過混雜PVA纖維和鋼纖維制得HFHTCMC， 研究高溫作用對所制得復合材料殘余抗折強度和微觀結構的影響， 結果表明， 處理溫度的升高促使粉煤灰二次水化使所制得復合材料更致密， 當處理溫度達到400 ℃時， 質量損失大幅增加， 另外， 氫氧化鈣等水化產物逐漸分解導致內部缺陷增多。 李曈等［20］采用不同長度的玄武巖纖維混雜摻入混凝土， 開展不同處理溫度作用下抗壓和抗折試驗， 結果表明， 與素混凝土相比， 當處理溫度為800 ℃時，混雜纖維混凝土的剩余抗壓、 抗折強度均有所增大，耐高溫性能更好。

以上研究表明， 將不同種類的纖維混雜摻入水泥中能改善水泥基體的耐高溫性能。 目前的研究多集中在PVA纖維混雜鋼纖維制備HFHTCMC的模式， 而PE纖維具有耐堿性、 耐腐蝕性、 價格低廉等特點， 使所制得的復合材料具有耐侵蝕、 低成本的優(yōu)勢， 因此混雜PE纖維成為一種新的趨勢， 但是該模式下所制得復合材料的耐高溫性能研究較少。 本文中采用PE纖維與鋼纖維混雜的方式制備HFHTCMC， 研究所制得的聚乙烯纖維-鋼纖維高韌性水泥基復合材料（PEF-SFHTCMC）經高溫處理后的抗折性能。

1試驗

1.1原材料

主要原材料包括： 普通硅酸鹽水泥， 強度等級為42.5； I級粉煤灰； 硅灰； 細砂， 粒徑均值為0.15 mm， 最大粒徑為0.22 mm， 級配區(qū)級別為Ⅲ級； 自來水； 聚羧酸減水劑和羥丙基甲基纖維素增稠劑； PE纖維； 鋼纖維。 水泥3、 28 d抗壓強度分別為27.4、 49.8 MPa， 3、 28 d抗折強度分別為5.5、 8.6 MPa。水泥基體中水、 水泥、 粉煤灰、 硅灰的質量比為0.5∶1∶0.8∶0.2∶1.15，水膠質量比為0.25，膠凝材料中減水劑、 增稠劑的質量分數分別為0.67%、 0.06%，摻入PE纖維、鋼纖維的體積分數分別為1%、 0.3%。水泥的性能指標如表1所示，PE纖維與鋼纖維的物理力學性能如表2所示。

1.2試驗方法

采用后加纖維法［21］制備PEF-SFHTCMC試件。首先將水泥、 粉煤灰、 硅灰、 砂置于攪拌機中干拌2 min， 攪拌均勻后加入增稠劑， 再將摻有減水劑的水加入其中攪拌至漿體狀態(tài)， 然后依次加入鋼纖維與PE纖維， 快拌2 min后澆筑入模具， 在試驗室中養(yǎng)護48 h后， 在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。取出試件置于室內干燥空間中表面風干處理。 為了避免高溫處理時試件爆裂或嚴重開裂， 在高溫處理前將試件放入烘干箱中烘干7 d， 其中目標溫度為20、 60、 100 ℃的試件烘干溫度為20 ℃， 其余目標溫度的試件烘干溫度為105 ℃。將烘干試件放入SX2-12-12A型智能馬弗爐， 并以平均升溫速率10 ℃/min將溫度升至目標溫度20、 60、 100、 150、 200、 250 ℃， 恒溫2 h， 確保試件內、 外溫度一致， 然后隨爐冷卻至室溫， 測試抗折性能。 所制得試件長度、 寬度、 高度分別為160、 40、 40 mm， 幾何形狀為棱柱體。

采用CDT1305-2型抗壓抗折一體試驗機開展三點抗折試驗，加載方式為位移控制，加載裝置示意圖如圖1所示。每個目標溫度對應3個試件，加載速率為0.5 mm/min，當荷載降至極限荷載的80%時，停止加載。

2結果與分析

2.1試件破壞狀況

經不同溫度作用后，試件在加載過程中發(fā)生了不同的破壞狀況。經溫度20、 60、 100、 150 ℃處理后，試件的破壞過程分為4個階段，如圖2（a）、 （b）、 （c）、 （d）所示。 1）第Ⅰ階段， 試件加載初期表面無裂縫產生。 2）第Ⅱ階段， 隨著荷載的繼續(xù)增大， 試件中下部表面出現第1條裂縫。 3）第Ⅲ階段， 荷載繼續(xù)增加， 第1條裂縫周圍出現多條細微裂縫，并且試件呈現明顯的彎曲狀態(tài)。 4）第Ⅳ階段，試件裂縫寬度逐漸增大，隨著撓度繼續(xù)增加，試件承載能力減弱直至破壞，在破壞后的試件中下部，有較寬的主裂縫，周圍有多條細密裂縫。處理溫度為200、 250 ℃的試件破壞過程沒有第Ⅲ階段，即沒有多縫開裂階段，試件的破壞狀況如圖2（e）、 （f）所示。

2.2荷載-撓度曲線

由三點抗折試驗得到經不同溫度處理的PEF-SFHTCMC試件的荷載-撓度曲線，如圖3所示。由圖可知， 試件的荷載-撓度曲線均存在上下波動段，

但是波動段發(fā)生的位置不同。在處理溫度為150 ℃前、 后分別出現2種不同的曲線形式。1）當處理溫度低于150 ℃時，波動段發(fā)生在峰值荷載前，并且波動幅度較大，波動周期較長（圖中虛線所示）。原因是PE纖維、鋼纖維與水泥基體的黏結力遠大于試件的開裂應力，當試件出現第1條裂縫后，荷載迅速減小，此時水泥中分布的纖維發(fā)揮橋接作用，承擔大部分荷載，導致荷載立即增大，并將荷載和變形產生的應力通過纖維與水泥基體之間的黏結作用傳遞到未開裂區(qū)域，導致新的裂縫產生，新裂縫處的纖維承擔并傳遞應力，如此不斷反復，在曲線上呈現為荷載短暫減小然后繼續(xù)增大的波動段［22］。2）當處理溫度高于150 ℃時，波動發(fā)生在峰值荷載后，并且波動幅度較小，波動頻率加大（圖中實線所示）。原因是當處理溫度超過150 ℃時，PE纖維因達到熔點而熔化，此時試件中僅有鋼纖維發(fā)揮橋接作用，且纖維分布密度變小同時高溫導致鋼纖維與水泥基體黏結性能劣化，材料內部裂縫發(fā)生寬化，鋼纖維陸續(xù)被拔出，直至最終喪失承載力破壞。

經不同溫度處理的PEF-SFHTCMC試件的荷載-撓度曲線波動段微觀示意圖分別如圖4（a）、 （b）所示。

2.3處理溫度對開裂應力與峰值應力的影響

圖5所示為處理溫度對PEF-SFHTCMC試件開裂應力與峰值應力的影響。 由圖可知， 隨著處理溫度的升高， 開裂應力先增大后減小， 當處理溫度為60 ℃時， 開裂應力達到最大值。 由于粉煤灰發(fā)生水化反應生成水化硅酸鈣凝膠，因此提升了材料的開裂強度［23］。水化反應受處理溫度和水分的影響，處理溫度升高促進水化反應［19］；但是當處理溫度超過水的沸點（試驗地點為濟南，水的沸點為99.8 ℃）時， 水泥中水分快速蒸發(fā)， 進而抑制水化反應，因此當處理溫度達到100 ℃時， 開裂應力開始減小。 隨著處理溫度繼續(xù)升至200、 250 ℃， 開裂應力減小， PE纖維達到熔點后熔化產生孔洞，導致內部結構疏松。峰值應力、 開裂應力隨著處理溫度的升高而變化的趨勢相同，不同的是，處理溫度為150 ℃時的峰值應力為最大值。 原因是當處理溫度為20、 60、 100、 150 ℃時， PEF-SFHTCMC試件發(fā)生多縫開裂破壞， PE纖維、 鋼纖維與水泥基體之間的黏結摩擦力隨著處理溫度的升高而增大； 當處理溫度為200 ℃時， PE纖維到達熔點全部熔化， 使得試件喪失PE纖維所產生的黏結摩擦力， 同時PE纖維熔化產生孔洞，導致鋼纖維與水泥基體之間的黏結摩擦力減小，因此峰值應力大幅減小，減小幅度為42.7%； 當處理溫度為250 ℃時， PE纖維熔化產生的孔洞直徑增大， 并且相鄰孔洞之間貫通， 導致峰值應力繼續(xù)減小。

2.4處理溫度對彎曲韌性的影響

彎曲韌性是目前衡量纖維混凝土韌性最常用的評價指標。 為了避免人為確定試件開裂點的影響， 采用等效彎曲強度［24］作為材料彎曲韌性的評價指標。 雖然該方法概念明確， 計算相對簡單， 而且不受初裂點位置影響， 但是該方法取跨中計算撓度為L/150（L為支座間跨度）， 此時曲線面積較小， 無法代表材料的整體韌性。 鑒于此， 本文中補充跨中計算撓度為L/100、 L/50、 L/25時的等效彎曲強度， 既可以將荷載-撓度的不穩(wěn)定段包含在內， 又可以代表材料整體的韌性。 等效彎曲強度fe的計算公式［24］為

fe=ΩkLbh2δk ，（1）

式中： δk為指定撓度，取為L/150、 L/100、 L/50、 L/25， 即0.67、 1、 2、 4 mm； Ωk為跨中撓度從0增至δk時所吸收的能量； b、 h分別為試件截面寬度、 高度。PEF-SFHTCMC試件等效彎曲強度隨處理溫度與指定撓度的變化如圖6所示。

由圖6（a）可知： 隨著處理溫度的升高， 等效彎曲強度大體呈現先增大后減小變化趨勢， 但是不同指定撓度時的等效彎曲強度存在差異。當處理溫度低于150 ℃時， 隨著指定撓度的增大， 等效彎曲強度增大； 當處理溫度高于150 ℃時， 隨著指定撓度由L/150增至L/25， 等效彎曲強度先增大后減小。原因是PE纖維熔點約為180 ℃，當處理溫度為20、 60、 100、 150 ℃時，PE纖維未熔化，隨著指定撓度的增大，試件經歷第Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段，此時等效彎曲強度處于增大階段，PEF-SFHTCMC耗能隨著等效彎曲強度的增大而增大；而當處理溫度為200、 250 ℃時，PE纖維已全部熔化，加載過程中試件不經歷多縫開裂的第Ⅲ階段。另外，當指定撓度為L/50時，試件的荷載-撓度曲線早已處于下降階段，隨著指定撓度繼續(xù)增至L/25，指定撓度增量大于材料耗能增量，等效彎曲強度減小。

由圖6（b）可知： 在指定撓度分別為L/150、 L/100的小撓度階段， 等效彎曲強度除了在處理溫度為60 ℃時明顯減小以外， 整體受處理溫度影響較小。原因是處理溫度為60 ℃的環(huán)境有利于殘余粉煤灰發(fā)生水化反應生成水化硅酸鈣凝膠，使得纖維與水泥基體之間的界面黏結增強，進而導致纖維耗能能力減弱［19，25］。當指定撓度繼續(xù)增至L/50時，除了處理溫度為60 ℃以外，等效彎曲強度隨著處理溫度的升高均呈現先增后減的趨勢，并在處理溫度為100 ℃時取得最大值6.08 MPa。原因是在升溫前期，處理溫度升高能提升混雜纖維與水泥基體之間的黏結摩擦力， 但是當處理溫度超過150 ℃時，PE纖維熔化，纖維與水泥基體之間的黏結摩擦力減小， 同時高溫造成的水泥表面熱裂縫使纖維與水泥基體的黏結力進一步減小， 導致纖維對裂縫的限制能力減弱［26］。 當指定撓度為L/25時， 等效彎曲強度隨著處理溫度的升高表現出與指定撓度為L/50時相同的變化趨勢。 不同的是， 指定撓度為L/50的等效彎曲強度在處理溫度為100 ℃時為最大值， 而指定撓度為L/25的等效彎曲強度在處理溫度為150 ℃時為最大值8.32 MPa。原因是材料耗能與荷載-撓度曲線有直接關系，在跨中撓度為0～L/50的條件下，處理溫度為150 ℃時的荷載-撓度曲線面積小于處理溫度為100 ℃時的； 而在撓度為L/50～L/25的條件下， 處理溫度為150 ℃時的荷載-撓度曲線面積明顯大于處理溫度為100 ℃時的， 進而當指定撓度達L/25時， 處理溫度為150 ℃時的試件耗能大于處理溫度為100 ℃時的。

綜上所述，隨著指定撓度的增大，試件的彎曲韌性逐漸增大，但是當PE纖維達到熔點且試件處于指定撓度為L/25的大撓度階段時，彎曲韌性減??； 隨著處理溫度的升高，指定撓度為L/150、 L/100時試件的彎曲韌性變化較穩(wěn)定，而指定撓度為L/50、 L/25時試件的彎曲韌性先增大后減小，這是由PE纖維熔化，試件內部結構更疏松導致的。

3結論

本文中采用PE纖維與鋼纖維混雜的方式制得PEF-SFHTCMC，通過三點抗折試驗探討經不同溫度處理的試件的荷載-撓度曲線、 開裂應力、 峰值應力和彎曲韌性，得到以下主要結論：

1）根據PEF-SFHTCMC的荷載-撓度曲線波動段發(fā)生的位置， 不同溫度處理的試件的荷載-撓度曲線形式分為2種： 當處理溫度為20、 60、 100、 150 ℃時， 曲線的波動段出現在峰值荷載前， 并且波動段呈現上升趨勢； 當處理溫度為200、 250 ℃時，曲線在荷載達到峰值后出現波動段，并表現為波動下降。

2）適當的溫度作用可以有效增大開裂強度和峰值應力， 相較于處理溫度為20 ℃， 處理溫度為60 ℃時PEF-SFHTCMC開裂強度增大28.2%，處理溫度為150 ℃時的峰值應力增大21.8%。當處理溫度高于PE纖維熔點時，峰值應力明顯減小，相較于處理溫度為150 ℃，經處理溫度200、 250 ℃處理的試件的峰值應力分別減小42.7%、 57.9%。

3）在指定撓度為L/150、 L/100的條件下，PEF-SFHTCMC的彎曲韌性受處理溫度影響較小，而當指定撓度為L/50、 L/25時，彎曲韌性隨著處理溫度的升高而先增大后減小。在指定撓度為L/50、 L/25的條件下，彎曲韌性分別在處理溫度為100、 150 ℃時最佳，最佳等效彎曲強度分別為6.08、 8.32 MPa。PEF-SFHTCMC的彎曲韌性隨著粉煤灰殘余水化反應生成水化硅酸鈣凝膠量的增加而減小， 隨著纖維耗能的增加而增大， 隨著纖維與水泥基體之間黏結摩擦力的減小而減小， 隨著纖維的熔化而減小。

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（責任編輯：王耘）

收稿日期： 2023-07-28網絡首發(fā)時間：2024-01-24T18：42：50

基金項目： 國家自然科學基金項目（52108214）；山東省住房城鄉(xiāng)建設科技計劃項目（2020-K5-18）

第一作者簡介： 張港（1997—），男，山東菏澤人。碩士研究生，研究方向為高性能水泥基材料。E-mail： 1519636183@qq.com。

通信作者簡介： 謝群（1979—），男，山東聊城人。教授，博士，博士生導師，研究方向為新材料結構、 新型裝配式結構、工程結構抗災。

E-mail：cea_xieq@ujn.edu.cn。

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