高強PVA-ECC高溫耐受性研究

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(xué)土木工程學(xué)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(fù)合材料，是一種新型延性水泥基材料，具有受拉應(yīng)變硬化和多重開裂的特性，自20 世紀(jì)90 年代以來被廣泛應(yīng)用于建筑工程的多個領(lǐng)域。該材料通常摻入體積分?jǐn)?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(dá)10 MPa 以上，極限抗拉應(yīng)變能夠達(dá)到0.5%～8.0%［4-6］，同時，28 d 抗壓強度可調(diào)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(jié)構(gòu)減震［11］，橋梁減震［12］等領(lǐng)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(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，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(guān)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(xué)組成見表1），細(xì)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(xué)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(xué)性能試驗和微觀結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)性能試驗結(jié)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(jié)構(gòu)分析。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 實驗現(xiàn)象

試驗過程中，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時，PVA 纖維開始熔化并產(chǎn)生刺激性氣味。當(dāng)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(jié)合200 倍電子顯微鏡的觀測結(jié)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?zé)o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?。

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(zhì)量損失與殘余抗壓強度

受高溫作用后，由于內(nèi)部水分蒸發(fā)、水化產(chǎn)物分解及纖維熔化等作用，所有試件質(zhì)量均有明顯降低。從實驗結(jié)果可知，高強PVA-ECC 試件的質(zhì)量損失略低于低強試件，與已有文獻(xiàn)［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(xiàn)［17-26］及試驗結(jié)果繪成圖5，對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(gòu)件和結(jié)構(gòu)的承載能力和安全可靠性將產(chǎn)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(jié)構(gòu)致密，強度明顯提高，但當(dāng)溫度提高到1 200 ℃后，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐步成分散狀態(tài)，原有化學(xué)鍵和結(jié)合力被打破，材料劣化更為明顯。

圖4 質(zhì)量損失與28天抗壓強度關(guān)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(guān)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(jié)果同樣可以證實，經(jīng)歷1 200 ℃高溫處理后，PVA 纖維熔化后留下了大量細(xì)長的微孔，部分水化產(chǎn)物在1 200 ℃的溫度下完全分解，內(nèi)部結(jié)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(jié)果的對比可以看出，高強試件在遭受高溫作用后，內(nèi)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(jié)論

通過對高強PVA-ECC 在1 2 00℃作用下的試驗結(jié)果，與低強PVA-ECC進行對比分析，主要結(jié)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(jié)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(nèi)部孔隙變大，初始裂隙增加，是導(dǎo)致殘余性能劣化的主要原因之一。