沈思正, 莊金平, 王浩, 魯聰, 楊宇, 朱小杰

(1.東南大學 土木工程學院,江蘇 南京 210096; 2.福建理工大學 土木工程學院,福建 福州 350118)

工程水泥基復合材料(engineered cementitious composite,ECC),是一種主要由聚乙烯醇(polyvinyl alcoho,PVA)纖維制得的超高延性水泥基復合材料,可通過基于微觀力學的設計理念表現(xiàn)出多裂縫開展的特性,即應變硬化特性[1]。研究人員通過對組成材料的合理調配,制得的ECC極限拉應變可達3%～10%,同時抗壓強度可達40～200 MPa[2]。應變硬化特性使得ECC在變形耗能、抵御侵蝕、裂縫控制等方面均優(yōu)于普通混凝土。目前,ECC因其優(yōu)異的性能而被運用到路橋、構件加固、翻新修補等領域[3-9]。在高溫或火災環(huán)境下,ECC可靠的力學性能及服役能力同樣非常重要[10-11]。而PVA纖維的融點較低,因此其對ECC高溫后力學性能帶來的隱患引起了一些學者的關注。PVA-ECC的孔隙率在400 ℃后因PVA纖維的融化而顯著增加,抗壓強度在800 ℃后降至常溫下的34%,同時PVA纖維融化后留下的孔道緩解了材料內部的水汽壓力,防止了高溫爆裂現(xiàn)象的產生[12-13]。PVA纖維及界面的性質在200 ℃后出現(xiàn)惡化,PVA-ECC的極限拉應變較常溫下降低了一個數(shù)量級,應變硬化特性在400 ℃后直接喪失,同時抗拉初裂強度降至常溫下的40%[14]。PVA-ECC在高溫后的抗壓與抗拉性能出現(xiàn)明顯惡化,且與PVA纖維的融化緊密相關。因此,使用耐高溫纖維替換部分PVA纖維,以此獲得的混雜纖維體系不僅有望改善ECC高溫后力學性能,同時也能防止高溫爆裂[15]。

玄武巖纖維是由天然玄武巖制成的一種綠色無機纖維,具有突出的力學性能和高溫穩(wěn)定性。因此,使用玄武巖纖維替換部分PVA纖維,以此制得的玄武巖-PVA混雜纖維ECC有望改善傳統(tǒng)ECC在高溫后的力學性能。替換摻入玄武巖纖維會使混雜纖維ECC在常溫下的抗壓強度增加[16-18]。常溫下的研究雖然已初步證實了玄武巖-PVA混雜纖維ECC的可行性,但需進一步研究關于高溫后力學性能。

為了改善傳統(tǒng)ECC在高溫后的力學性能,本文以玄武巖-PVA混雜纖維ECC在高溫后的力學性能為主要研究對象,并以玄武巖纖維替換摻量為主要研究參數(shù)。通過抗壓與抗拉試驗探討高溫后的力學性能演化,利用纖維斷裂空間探討抗拉延性的變化機理,并使用掃描電子顯微鏡觀察與探討材料內部微觀特性的變化。

1 配合比及試驗設計

1.1 原材料及配合比設計

試驗主要材料為52.5型普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級低鈣粉煤灰、細度模數(shù)為100～200目(75～150 μm)的細石英砂、普通自來水、聚羧酸高效減水劑、K-II REC15型PVA纖維、101Y5型玄武巖纖維。各纖維形態(tài)如圖1所示,纖維長度12 mm,其余參數(shù)如表1所示。

表1 各纖維的物理及力學相關參數(shù)

圖1 各纖維形態(tài)

配合比設計參考Lepech等[19]研發(fā)的M45型ECC。所有配合比的水膠比為0.25、砂膠比為0.36,減水劑用量為膠凝材料用量的1.5%,以此來保證水泥基漿體具有足夠流動性的同時不引起離析?？偟睦w維摻量為1.8%(摻量均用體積率表示),玄武巖纖維的替換摻量分別為:0、0.6%、0.9%、1.2%。具體配合比如表2所示,試件編號中的P、B分別表示PVA和玄武巖纖維,其后的數(shù)字表示對應的摻量。其中P1.8為基準組。

表2 配合比設計

各試件使用JJ-5型攪拌機制備。合理的攪拌方式有助于纖維的均勻分布,以及試驗數(shù)據(jù)的離散性控制[20]。具體的攪拌順序如圖2所示[21]。倒入模具中的漿體均被振搗1 min左右,接著在常溫下靜置24 h后脫模。所有試件均養(yǎng)護28 d,養(yǎng)護溫度為22±1 ℃,養(yǎng)護濕度不小于95%。

圖2 攪拌步驟

1.2 高溫處理

本文考慮23(常溫)、200、400、600、800 ℃共5個溫度參數(shù)。試件加熱時使用的分體箱式電火爐,升溫速率為15 ℃/min。所有加熱溫度均持續(xù)3 h以保證試件內外溫度均勻。然后所有試件均靜置至常溫,并進行后續(xù)的力學性能試驗。

1.3 試件設計及試驗方法

1.3.1 抗壓試驗

抗壓應力應變曲線通過直徑、高度分別為50、100 mm的圓柱體試件獲得[22],實驗裝置如圖3所示。在峰值前,試件的變形通過兩側應變片測得數(shù)據(jù)的均值求得,在峰值后應變片往往被破壞,此時試件變形通過兩側位移計測得。試驗的位移加載速率為0.3 mm/min。

圖3 抗壓試驗加載裝置

1.3.2 抗拉試驗

抗拉應力應變曲線通過圖4所示的“狗骨型”試件獲得,實驗裝置如圖5所示[22]。試驗機器兩端張拉時會對試件夾持端施加拉應力。由于標距段的橫截面面積相較于夾持端變小,因此夾持端所受的拉應力在傳遞至標距段時會被放大,使得裂縫主要集中在標距段內形成。試件變形通過固定在標距段兩側的位移計測得。試驗的位移加載速率為0.3 mm/min。

圖4 狗骨型試件幾何尺寸

圖5 抗拉試驗加載裝置

2 高溫后的力學性能及微觀機理

2.1 抗壓性能

2.1.1 抗壓應力應變曲線

在常溫下和高溫后,混雜纖維ECC抗壓應力應變曲線如圖6所示。

圖6 常溫下和高溫后混雜纖維ECC的抗壓應力應變曲線

總體而言,玄武巖纖維會使曲線的位置左移,峰值升高,變化形式與抗壓強度、彈性模量直接相關。

2.1.2 抗壓力學參數(shù)分析

常溫下和高溫后,混雜纖維ECC的抗壓強度和彈性模量的試驗數(shù)據(jù)變化規(guī)律如圖7、8所示?？傮w而言,抗壓強度和彈性模量在200 ℃后均有提高,在溫度大于等于400 ℃時表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。由圖8可知,抗壓強度在常溫下會隨替換摻量的增加而增加,在替換摻量為1.2%時增至47.86 MPa,相較于P1.8增加了35.39%。因為玄武巖纖維與水泥的組成成分相似[23],因此替換摻量的增加意味著玄武巖纖維可以在基體內形成更牢固的網絡結構[24],從而提高抗壓強度。200 ℃后,玄武巖纖維仍然可以提高抗壓強度,但其摻量的影響不明顯。這可能是因為此時PVA纖維的性能惡化,影響了纖維總體的橋連能力[25];400 ℃后,抗壓強度會因為摻入玄武巖纖維出現(xiàn)明顯提高,且在替換摻量為0.9%時增至最大值41.54 MPa。這是因為此時替換摻入玄武巖纖維可以減少PVA纖維融化生成的孔隙;600 ℃后,水泥基體中提供強度的水化產物開始分解[26],抗壓強度在替換摻量為0.9%時增至最大值24.60 MPa;800 ℃后,玄武巖纖維仍然可以提高抗壓強度,而此時水泥基體中的水化產物、孔隙已經發(fā)生劇烈變化[27],導致替換摻量的影響不明顯。綜上,玄武巖纖維可以提高混雜纖維ECC在常溫下和高溫后的抗壓強度,且最優(yōu)替換摻量為0.9%。

圖8 常溫下和高溫后混雜纖維ECC彈性模量的變化規(guī)律

由圖8可知,玄武巖纖維可以提高常溫下和200 ℃后的彈性模量。這是因為玄武巖纖維的彈性模量大于PVA纖維,使其在替換摻入時可以提高試件的整體剛度;400 ℃和600 ℃后,彈性模量隨替換摻量增加而增加,且在替換摻量為0.9%時分別增至19.97 GPa和7.72 GPa,相較于P1.8分別提升284.78%和101.83%。此時玄武巖纖維可以減少PVA纖維融化產生的孔隙,并且填充在基體內部,從而提高彈性模量;800 ℃后,玄武巖纖維同樣可以提高彈性模量,但替換摻量增加帶來的影響并不顯著。這同樣可能是水化產物分解、孔隙發(fā)生劇烈改變而導致的。綜上,玄武巖纖維可以提高混雜纖維ECC在高溫后和常溫下的彈性模量,且最優(yōu)替換摻量同樣為0.9%。

2.2 抗拉性能

2.2.1 抗拉應力應變曲線

常溫下和高溫后,混雜纖維ECC的抗拉應力應變曲線如圖9所示。常溫下,P1.8的曲線為典型的ECC受拉應力應變曲線。在拉應力增至試件的第1條裂縫出現(xiàn)時,曲線在輕微下降后繼續(xù)上升,并接著表現(xiàn)出連續(xù)的波動。由于能量和強度準則被滿足[2],使得纖維能在裂縫擴展時保持對橋連裂縫的貢獻,更多的裂縫也得以在后續(xù)加載過程中相繼生成。這種多裂縫開展的特性也稱為應變硬化特性[2]。

圖9 常溫下和高溫后混雜纖維ECC的抗拉應力應變曲線

當替換摻入玄武巖纖維時,曲線應變硬化特性消失,但會出現(xiàn)2次峰值。200 ℃后,P1.8曲線的應變硬化特性也消失,且同樣會出現(xiàn)2次峰值;400、600和800 ℃后,所有曲線在拉應力達到峰值后直接下降,表現(xiàn)出脆性破壞的性質。

上述抗拉應力應變曲線可以歸類為圖10中所示的A、B、C共3種形式。曲線中可以提取出3個主要參數(shù)對抗拉力學性能進行表征。σf表示抗拉初裂強度,即試件初次開裂所需施加的拉應力,其值與基體性質密切相關;σu表示極限抗拉強度,即裂縫面處橋連纖維所能承受的最大拉應力,其值與纖維和界面的性質相關;εu表示極限拉應變,即拉應力達到σu時試件的總應變。雖然σ′u和ε′u的含義與σu、εu并不完全相同,但它們同樣可以表征纖維橋連時的極限狀態(tài),因此將它們統(tǒng)稱為極限抗拉強度σu和極限拉應變εu。

圖10 抗拉力學參數(shù)的取值

2.2.2 抗拉力學參數(shù)分析

常溫下和高溫后,混雜纖維ECC的抗拉初裂強度σf實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律如圖11所示。常溫下,σf在替換摻量為0.9%時增至5.70 MPa,相較于P1.8提高了27.52%;200 ℃后,玄武巖纖維會使σf出現(xiàn)下降;400 ℃和600 ℃后,PVA纖維的融化和水化產物的分解使基體內部出現(xiàn)微裂縫[26],替換摻量的提高意味著更多玄武巖纖維可以橋連這些微裂縫。此時,σf在替換摻量為0.9%時分別增至最大值4.85和3.13 MPa,相較于P1.8分別提高了60.60%和114.38%;800 ℃后,基體內部的孔隙劇烈變化[27],此時玄武巖纖維雖然仍可以提高σf,但其替換摻量的影響不明顯?？傮w而言,替換摻入玄武巖纖維可以提高混雜纖維ECC高溫后的抗拉初裂強度,最優(yōu)摻量同樣為0.9%。

圖11 常溫下和高溫后混雜纖維ECC抗拉初裂強度的變化規(guī)律

常溫下和200 ℃后,混雜纖維ECC的極限抗拉強度σu及極限拉應變εu實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律如圖12所示。常溫下,σu和εu在替換摻量增至1.2%時持續(xù)降至2.87 MPa和0.12%,相較于P1.8分別降低了48.01%和93.22%。200 ℃后,σu在替換摻量增至1.2%時連續(xù)降低至1.59 MPa,而εu在替換摻量為0.9%時增至0.173%,相較于P1.8提高了84.38%。總體而言,玄武巖纖維雖然會給σu和εu帶來消極影響,但會使εu在200 ℃后出現(xiàn)提高。

圖12 混雜纖維ECC極限抗拉強度和極限拉應變的變化規(guī)律

上述試驗結果表明,玄武巖纖維能有效提升混雜纖維ECC在常溫下和高溫后的抗壓強度、抗拉初裂強度、極限拉應變及彈性模量。但其會對常溫下的受拉延性產生消極影響,同時也無法使混雜纖維ECC在高溫后繼續(xù)保有應變硬化特性。在相關的研究中也出現(xiàn)了相似的延性降低的現(xiàn)象[16-17]。本文使用纖維斷裂空間的概念對常溫下及高溫后混雜纖維ECC延性退化的相關機理展開討論,同時通過SEM觀測分析混雜纖維ECC在高溫后各強度出現(xiàn)總體提升的現(xiàn)象。

3 力學性能機理分析

3.1 基于纖維斷裂空間的抗拉延性分析

玄武巖纖維對延性帶來消極影響的根源在于玄武巖纖維與PVA纖維在橋連裂縫時的性能差異。相關機理可以利用纖維斷裂空間進行討論。

(1)

(2)

表3 纖維參數(shù)

表4 界面參數(shù)

圖13 纖維斷裂空間

3.2 電子掃描顯微鏡觀測與分析

常溫下和高溫后,混雜纖維ECC抗拉試件斷裂面的電子掃描顯微鏡觀測結果如圖14和圖15所示。在常溫下,玄武巖纖維與PVA纖維表面均有細小的水泥顆粒附著,意味著界面存在相當?shù)幕瘜W粘結能和摩擦應力,纖維也能因此有效傳遞裂縫之間的應力;在400 ℃后,PVA纖維融化并在基體內部留下孔道,成為混雜纖維ECC抗壓與抗拉初裂強度降低的主要原因;在600 ℃和800 ℃后,基體內部由于水化產物的分解出現(xiàn)許多微裂縫,這也導致抗壓與抗拉初裂強度總體顯著降低,此時玄武巖纖維依然在基體內部并且傳遞微裂縫之間的應力,從而提高混雜纖維ECC在高溫后的抗壓與抗拉初裂強度。

圖14 常溫下混雜纖維ECC試件斷裂面的電子掃描顯微鏡觀測圖

圖15 高溫后混雜纖維ECC試件斷裂面的電子掃描顯微鏡觀測圖

4 結 論

1)替換摻入玄武巖纖維可以提高混雜纖維ECC在常溫下和高溫后的抗壓強度和彈性模量。其中最優(yōu)替換摻量為0.9%,此時抗壓強度和彈性模量總體提升顯著。

2)在溫度大于等于400 ℃時,替換摻入玄武巖纖維能夠提高混雜纖維ECC的抗拉初裂強度。最優(yōu)替換摻量為0.9%,此時不僅會使抗拉初裂強度總體提高,還會使200 ℃后的極限拉應變顯著提高。

3)在混雜纖維ECC試件受拉時,玄武巖纖維因其脆性的本質往往過早地在脫粘階段發(fā)生斷裂。該特性使得玄武巖纖維對常溫下及高溫后的受拉延性產生消極影響。電子掃描顯微鏡觀測結果表明玄武巖纖維會在高溫后繼續(xù)填充在基體內部,傳遞微裂縫之間的應力,從而提高抗壓與抗拉初裂強度。