高延性水泥基材料高溫力學(xué)性能研究進(jìn)展

王振波 韓宇棟

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.中國京冶工程技術(shù)有限公司,北京 100088)

混凝土的應(yīng)變軟化特性決定結(jié)構(gòu)開裂后易形成較寬的裂縫,嚴(yán)重降低抗?jié)B性[1],結(jié)構(gòu)性能的衰退不可逆轉(zhuǎn).高延性水泥基材料(engineered cementitious composites,ECC)正是為克服傳統(tǒng)混凝土的脆性、突破其開裂后應(yīng)變軟化屬性而發(fā)展起來的新型纖維增強水泥基復(fù)合材料,通常簡稱ECC[2-3].ECC是20世紀(jì)90年代由美國密歇根大學(xué)的Victor C.

Li教授經(jīng)微細(xì)觀力學(xué)方法設(shè)計研發(fā).ECC抗拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中,應(yīng)力隨應(yīng)變增大逐漸提高,極限應(yīng)變達(dá)到普通混凝土的幾百倍,并且單條裂紋的寬度小于100μm.ECC在抗沖擊性能、抗震耗能能力和長期耐久性方面的優(yōu)勢也已被大量的研究證實[4-7].清華大學(xué)張君教授課題組近年來先后研發(fā)了低干縮ECC[8-9]、強度與延性相匹配的ECC[10-11],極大地發(fā)展了ECC,為其推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ).目前ECC已被應(yīng)用于鋼箱梁橋面鋪裝、高速公路面板伸縮縫、建筑外墻保溫板等眾多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[12-14].

隨著ECC在土木工程中的擴(kuò)大應(yīng)用,其在服役過程中暴露高溫、遭遇火災(zāi)的風(fēng)險日益增大.工程結(jié)構(gòu)高溫服役的情況非常多見,例如,核廢料處置庫中的局部熱點溫度可達(dá)191℃,突發(fā)事故時最高溫度超過600℃[15];建筑火災(zāi)中,室內(nèi)溫度更是超1 000℃.建筑火災(zāi)在危害人民生命財產(chǎn)安全之外,也極易造成材料性能劣化、結(jié)構(gòu)毀壞甚至倒塌.因此,材料高溫(火災(zāi))性能是高延性水泥基材料研究不可回避的重要內(nèi)容.ECC在高溫(火災(zāi))情況下的力學(xué)性能如何,其拉伸延性特征和裂縫寬度控制能力能否保留,關(guān)乎ECC結(jié)構(gòu)高溫(火災(zāi))服役的安全性,是ECC領(lǐng)域研究亟待突破的瓶頸問題.

ECC與混凝土同屬水泥基材料,水泥基材料在高溫作用下將產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化[16-17].對于普通混凝土,高溫作用下的水泥石受熱膨脹,同時出現(xiàn)脫水收縮,其收縮程度隨著溫度升高逐漸超過熱膨脹,而骨料又在受熱后持續(xù)膨脹,材料內(nèi)部這種嚴(yán)重的變形不協(xié)調(diào)使得混凝土的高溫力學(xué)性能迅速劣化乃至失效[18].而ECC與混凝土在材料組成上存在很大區(qū)別,例如,ECC中去除了粗骨料,替換以細(xì)砂,避免了粗骨料膨脹引發(fā)的局部變形問題;又如,ECC通常摻入體積分?jǐn)?shù)約2%的聚乙烯醇(PVA)纖維,這種纖維在200℃以后開始熔化[19],可能導(dǎo)致ECC抗拉應(yīng)變硬化特征的消失.目前,專門針對ECC高溫力學(xué)性能的研究仍較為有限,本文首先將圍繞傳統(tǒng)水泥基材料高溫力學(xué)性能的共性問題展開綜述,在此基礎(chǔ)上針對ECC高溫力學(xué)性能的研究工作進(jìn)行分析評述.

1 水泥基材料力學(xué)性能高溫劣化機(jī)理

高溫(火災(zāi))環(huán)境下的損傷劣化直至最終失效是水泥基材料的共性問題,研究發(fā)現(xiàn)[20],在300～400℃以后混凝土抗壓強度明顯降低,600℃時降至常溫下的50%左右,800℃時降至20%左右,而1 000℃以后抗壓強度基本消失.這是由水泥石脫水、水化產(chǎn)物分解、骨料持續(xù)膨脹等復(fù)雜的物理化學(xué)變化綜合作用的結(jié)果[16-18].

相比于普通混凝土,高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、強度更高,但這些優(yōu)勢在高溫情況下往往又可能轉(zhuǎn)化為負(fù)面影響[21].據(jù)報道[22],高性能混凝土在400℃作用下便產(chǎn)生爆裂.雖然高性能混凝土的高溫爆裂機(jī)理尚未明確,但高溫下形成的內(nèi)部蒸汽壓和溫度梯度已被證實是引發(fā)爆裂的重要原因[23].據(jù)此,一些學(xué)者提出摻纖維的方法改善高性能混凝土的耐高溫性能.最為常用的纖維是聚丙烯纖維,該纖維約在150℃后熔化,使材料內(nèi)部形成三維亂向分布的孔道,利于水蒸汽逃逸,從而避免爆裂的發(fā)生[24-25].肖建莊等[26]的研究結(jié)果顯示,摻聚丙烯纖維的高性能混凝土未見高溫爆裂現(xiàn)象,其高溫后抗壓強度的損失率接近于甚至小于普通混凝土.另一常用纖維是鋼纖維,鋼纖維高溫不熔化,可有效橋接熱應(yīng)力引發(fā)的微裂紋,其良好的導(dǎo)熱性也有助于平衡材料內(nèi)部的溫度梯度,提高混凝土的抗爆裂能力[27-28].已有研究發(fā)現(xiàn)[29-30],高強混凝土中摻入鋼纖維后未出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象,并且力學(xué)性能的高溫劣化趨勢有所緩和.此外,也有學(xué)者嘗試混雜聚丙烯纖維和鋼纖維改善高性能混凝土的高溫力學(xué)性能,取得良好效果[31-33].

2 ECC高溫力學(xué)性能

2.1 抗壓力學(xué)性能

目前,有關(guān)ECC高溫力學(xué)性能的研究主要集中在單摻PVA纖維體系的抗壓力學(xué)性能.Sahmaran等[34]研究了ECC在高至800℃后的抗壓力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)ECC殘余抗壓強度在400℃以前并無顯著變化,而在600℃和800℃時分別降至常溫抗壓強度的50%和30%左右,這一規(guī)律與傳統(tǒng)混凝土類似.Sahmaran等[35]進(jìn)一步研究揭示了粉煤灰摻量和PVA纖維對ECC高溫抗壓性能的影響,發(fā)現(xiàn)增加粉煤灰摻量可在200～600℃區(qū)間有效提高材料的殘余抗壓強度,PVA纖維的熔化機(jī)制有效避免了基材爆裂.

此后,ECC高溫性能研究開始引起全世界范圍的廣泛關(guān)注,相關(guān)研究不斷深入.張麗輝等[36]研究了不同強度等級ECC的高溫后力學(xué)性能變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)ECC抗壓強度降低是纖維和基體在高溫作用下發(fā)生熔化及物相分解的結(jié)果.Yu等[37-38]研究了不同降溫制度和養(yǎng)護(hù)齡期對ECC高溫后抗壓性能的影響,試驗顯示,延長加熱時間可在200℃時提高抗壓強度,而在200℃以后則持續(xù)降低抗壓強度,這與高溫后ECC內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)變化有關(guān)[37];浸水冷卻后的殘余力學(xué)性能顯著優(yōu)于自然冷卻試件,但隨著齡期增長,浸水冷卻的優(yōu)勢趨于不明顯[38].Erdem等[39]研究了試件尺寸對ECC高溫后力學(xué)性能的影響,測得的3個不同尺寸試件的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同溫度下均較為接近.此外,高翔[40]嘗試通過混雜PVA纖維與鋼纖維改善高韌性水泥基材料的耐高溫性能,試驗表明,鋼纖維在PVA纖維熔化以后可發(fā)揮橋接作用,材料在高溫下仍保持較高的殘余強度.

2.2 抗拉力學(xué)性能

Mechtcherine等[41]研究了ECC在高溫環(huán)境中和高溫后的拉伸性能,根據(jù)試驗結(jié)果,高溫環(huán)境和高溫后的材料抗拉強度均隨著溫度升高而逐漸降低,并且高溫情況下的強度下降幅度更為明顯;高溫后的材料極限拉應(yīng)變呈線性衰減,而高溫中極限拉應(yīng)變在22～100℃范圍內(nèi)得到提高,這得益于纖維、基材及界面特性的綜合演化[41].但該研究施加的測試溫度低于PVA纖維熔點,ECC拉伸性能并未涉及纖維熔化問題.Magalh?es等[42]報道了ECC在高至250℃后的拉伸力學(xué)性能,隨溫度升高,抗拉強度由22℃時的2.97 MPa降至190℃的2.42 MPa,降幅并不明顯,而250℃時強度突降至0.92 MPa;材料在22～190℃范圍的極限拉應(yīng)變持續(xù)衰減,但仍可保持應(yīng)變硬化特征,250℃時則完全退化為應(yīng)變軟化.Bhat等[15]進(jìn)一步提高測試溫度,系統(tǒng)研究ECC在20～600℃范圍內(nèi)的拉伸性能,結(jié)果顯示,材料在低于200℃時始終能夠保持應(yīng)變硬化特征,只是極限應(yīng)變有所降低,但200℃時的極限拉應(yīng)變?nèi)钥蛇_(dá)普通混凝土的50倍;200～600℃時材料的應(yīng)變硬化特征則完全消失.

值得注意的是,ECC是經(jīng)由微細(xì)觀力學(xué)方法設(shè)計的,控制其宏觀力學(xué)行為的關(guān)鍵因素在于細(xì)觀尺度上的纖維橋接特性,因此一些學(xué)者嘗試細(xì)觀力學(xué)方法研究ECC的高溫后纖維橋接規(guī)律.Yu等[43]研究了ECC在20～200℃亞高溫范圍內(nèi)的拉伸力學(xué)行為,測試分析了高溫后的基材斷裂韌性、纖維橋接特性,在細(xì)觀尺度上闡釋了ECC高溫后拉伸行為的劣化機(jī)理.

2.3 高溫力學(xué)性能的影響因素與研究方法分析

1)升降溫制度

材料經(jīng)歷的熱過程,如升降溫速率、高溫持續(xù)時長等對其高溫力學(xué)性能具有重要影響.有關(guān)ECC高溫力學(xué)性能的研究中,升溫速率大多維持在10～20℃/min區(qū)間,這種溫升過程較為平緩,與實際火災(zāi)升溫過程相差甚遠(yuǎn).高溫持續(xù)時長以1 h最為多見,這是因為ECC力學(xué)試驗通常采用小尺寸試件,短時間暴露足以確保材料內(nèi)部溫度分布均勻.在冷卻降溫方面,有研究發(fā)現(xiàn)浸水冷卻后的ECC力學(xué)性能顯著優(yōu)于自然冷卻試件,且溫度越高,浸水冷卻對強度和剛度的修復(fù)效果越明顯[38].

2)材料組成與強度

試驗表明[35],粉煤灰摻量由55%提高至70%將在200～600℃范圍內(nèi)有效提高ECC的殘余力學(xué)性能,這與氫氧化鈣的含量降低密切相關(guān),但粉煤灰的增強作用在800℃后消失.從材料強度看,低強與高強ECC表現(xiàn)出的高溫力學(xué)性能存在明顯差別,30 MPa級的ECC在200℃前抗壓強度逐漸提高,這得益于高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)作用帶來的增強效果,而200℃后的強度下降也較為顯著,400℃時已降至常溫強度的60%[38,42].相比之下,50～70 MPa的ECC并未在200℃前表現(xiàn)出強度增長,這與高強材料較低的含水量有關(guān),其200℃后的強度下降相對緩和,600℃時仍可達(dá)常溫強度的60%[34-35,39].值得說明的是,即使是高強ECC也未在高溫情況下出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象,PVA纖維高溫熔化機(jī)制利于水蒸汽逃逸,可緩解內(nèi)部蒸汽壓和溫度差異.

3)研究方法與評價指標(biāo)

材料的原位高溫與高溫后力學(xué)性能存在一定差異,據(jù)報道[41],ECC的高溫后殘余抗拉強度和開裂強度高于原位高溫試驗結(jié)果,但其高溫后應(yīng)變能力卻低于原位測試結(jié)果,這與纖維-基材的界面粘結(jié)特性相關(guān),原位測試時纖維拔出明顯、裂縫張開較大.遺憾的是,現(xiàn)有的ECC高溫力學(xué)性能研究仍大多針對高溫預(yù)處理的試樣開展,原位高溫力學(xué)性能研究十分有限.從受力模式考慮,ECC高溫性能的研究須重點關(guān)注拉伸和彎曲力學(xué)性能,畢竟拉伸延性和縫寬控制功能才是ECC的突出優(yōu)勢,ECC研究領(lǐng)域亟需回答的問題仍是高溫情況下拉伸延性和縫寬自控能否保留,以及如何改善.

ECC高溫力學(xué)性能研究最終均涉及力學(xué)指標(biāo)的評價,除普通混凝土高溫力學(xué)性能研究所關(guān)注的抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變等常規(guī)參數(shù)之外,ECC高溫力學(xué)性能研究似乎更關(guān)心直接拉伸獲得的開裂強度、抗拉強度、極限拉應(yīng)變、裂縫寬度等,這是因為上述力學(xué)指標(biāo)的變化直接反應(yīng)出ECC高溫力學(xué)特性的劣化規(guī)律,ECC高溫力學(xué)性能的改善效果如何同樣是以這些指標(biāo)的大小為評判依據(jù).

3 研究評述

綜合以上分析,國內(nèi)外學(xué)者在ECC高溫力學(xué)性能研究領(lǐng)域已經(jīng)做出大量工作,取得了眾多富有價值的研究成果.而為了在更根本層次上揭示ECC高溫力學(xué)性能的劣化機(jī)理,實現(xiàn)該材料高溫力學(xué)性能的有效提升,至少仍存在以下幾個亟待研究的關(guān)鍵問題：

1)以往有關(guān)ECC高溫性能的研究主要集中在單摻PVA纖維體系,盡管PVA纖維是實現(xiàn)ECC延性和裂縫寬度控制功能的關(guān)鍵所在,但是單摻纖維體系始終無法克服纖維熔化導(dǎo)致的延性失效問題,高溫情況下單純依靠PVA纖維維持力學(xué)性能顯然行不通.

2)熱過程(如升溫降溫速率、高溫持續(xù)時長等)、材料組成等因素對ECC高溫力學(xué)性能的影響機(jī)制仍有待開展深入研究,這是形成標(biāo)準(zhǔn)化的ECC升降溫制度、優(yōu)化ECC耐高溫設(shè)計方法的必要前提.

3)ECC材料高溫宏觀力學(xué)性能退化的本質(zhì)在于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷,歸根結(jié)底是纖維、基材和纖維-基材界面特性的綜合演變造成的.但材料微細(xì)觀參數(shù)與高溫宏觀力學(xué)性能之間的定量關(guān)系并未建立,仍缺乏能夠聯(lián)系材料構(gòu)成與高溫宏觀力學(xué)性能的有效模型.

4 總結(jié)與建議

本文從水泥基材料高溫劣化的共性問題出發(fā),圍繞ECC材料的高溫抗壓和抗拉力學(xué)性能研究進(jìn)行了綜述,深入分析了升降溫制度、材料組成和強度等級對ECC高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律,探討了現(xiàn)有研究方法和評價指標(biāo)的適用性及問題所在,以期為ECC高溫力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計提供借鑒.大量的試驗研究已經(jīng)表明,摻纖維可有效改善各類混凝土材料的高溫力學(xué)性能,而有關(guān)ECC中PVA纖維的熔化和基體中的物相分解是造成該材料高溫力學(xué)性能劣化的主要因素.ECC在纖維熔化前能夠保持拉伸應(yīng)變硬化特征,但纖維熔化以后,應(yīng)變硬化特征則完全消失.這是ECC材料研究領(lǐng)域面臨的重要難題.

結(jié)合ECC高溫力學(xué)性能研究中存在的若干問題,本文提出以下幾點研究建議：

1)嘗試?yán)w維混雜方法突破單摻纖維ECC在高溫力學(xué)性能方面的缺陷,混摻的高熔點、高強度纖維可在高溫后“接力”PVA纖維承擔(dān)裂紋間橋接作用,有望實現(xiàn)高延性水泥基材料高溫力學(xué)性能的提升.

2)重點采用直接拉伸試驗評價混雜纖維體系的高溫力學(xué)性能,獲取直觀的材料力學(xué)參數(shù)與開裂形態(tài),為混雜纖維ECC高溫性能的提升提供可靠依據(jù).

3)深入挖掘熱過程(升降溫速率、高溫持續(xù)時長等)、材料配合比等因素對ECC高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律,逐步形成普遍認(rèn)可的升降溫實驗制度,提煉出行之有效的材料耐高溫設(shè)計方法.

4)注重微細(xì)觀參數(shù)與宏觀高溫力學(xué)性能的關(guān)系,準(zhǔn)確把握材料微細(xì)觀劣化機(jī)理向宏觀力學(xué)性能的傳遞,創(chuàng)新ECC高溫力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計方法.