高溫后HVFA-SHCC的單軸壓縮力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系

趙 軍,牛淼鑫，周甲佳,王 志

(1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(SHCC)是Li等[1-2]基于微細觀斷裂力學(xué)，通過選擇適當?shù)牟牧虾臀⒂^參數(shù)所獲得的具有應(yīng)變硬化行為和多裂縫開裂特征的纖維增強水泥基復(fù)合材料.當纖維摻量為2%左右時，其極限拉應(yīng)變?yōu)?%～5%，裂縫寬度小于100μm[3].與普通混凝土相比，SHCC具有優(yōu)異的延性性能、耐久性能和耗能能力，適用于高層建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、道路工程及修復(fù)工程中.因此，自其出現(xiàn)后便受到廣泛關(guān)注.為減弱SHCC基體的剛度，調(diào)節(jié)基體的流變性能，改善纖維的分布，實現(xiàn)應(yīng)變硬化和多裂縫開裂效果，摻加粉煤灰等礦物摻和料，部分取代水泥是較為有效的方法.已有研究表明，大摻量粉煤灰對SHCC的抗拉性能[4]、干縮[5]和耐久性能[6]等均具有改善作用.此外，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，當其用于SHCC中，亦可滿足建筑材料可持續(xù)性發(fā)展的需要.因此，大摻量粉煤灰-應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(HVFA-SHCC)被認為是一種綠色的高性能水泥基復(fù)合材料.

SHCC材料作為一種新型建筑材料，當其用于實際工程中，尤其是承受高溫環(huán)境(如火電廠、冶金工業(yè)廠房、核電站等)時，其耐高溫性能勢必要引起足夠重視.2010年，Sahmaran等[7]開創(chuàng)性地進行了高溫后SHCC殘余力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究.隨后，大量學(xué)者從冷卻方式[8]、加熱方式[9]、養(yǎng)護齡期[10]、骨料類型[11]、PVA纖維摻量[12]、尺寸效應(yīng)[13]、高溫后的滲透性能[14]，以及納米粒子對高溫性能的改善作用[15]等方面對SHCC高溫損傷進行了研究.然而，這些研究主要集中于高溫下粉煤灰與水泥質(zhì)量比為1.0～2.5的SHCC殘余力學(xué)性能方面，針對粉煤灰與水泥質(zhì)量比大于4.0的HVFA-SHCC高溫后力學(xué)性能的研究甚少.目前，僅Yu等[16]對粉煤灰與水泥質(zhì)量比為4.4的HVFA-SHCC高溫后殘余拉伸性能和抗壓強度進行了研究.

為此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，研究了溫度及冷卻方式對粉煤灰與水泥質(zhì)量比為4.0的HVFA-SHCC試件殘余力學(xué)性能(抗壓強度fc、彈性模量E、壓縮韌性)及其微觀結(jié)構(gòu)的影響，并在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的本構(gòu)方程，以期為HVFA-SHCC的抗火設(shè)計等提供參考依據(jù).

1 試驗方案

1.1 原材料、配合比和基本力學(xué)性能

原材料包括42.5普通硅酸鹽水泥(C)、精制石英砂(SS)、Ⅰ級粉煤灰(FA)、聚羧酸高效減水劑、水(W)和PVA纖維等.PVA纖維的性能參數(shù)及HVFA-SHCC配合比如表1、2所示.

表1 PVA纖維的性能參數(shù)

表2 HVFA-SHCC的配合比

采用狗骨形試件研究了HVFA-SHCC材料的單軸拉伸行為，其中加載方式為位移控制，加載速率為0.3mm/min.HVFA-SHCC試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線及多裂縫開展現(xiàn)象如圖1、2所示.

圖1 HVFA-SHCC試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curve of HVFA-SHCC specimen

圖2 HVFA-SHCC試件多裂縫開展現(xiàn)象Fig.2 Development of multiple fractures of HVFA-SHCC specimens

1.2 試驗方法

以目標溫度和冷卻方式為變量，制備尺寸均為

40mm×40mm×160mm的8組試件.試件澆筑24h 后拆模，置于標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至28d，待其干燥后進行高溫處理.試驗采用箱式電阻高溫爐進行加熱，加熱溫度分別為100、200、400、600、800℃，另取室溫(20℃)下的試件進行對照試驗.升溫速率為10℃/min，當溫度達到設(shè)定溫度后恒溫1h，再進行冷卻.其中100、400、800℃的試件只采用室溫條件下的自然冷卻，200、600℃的試件分別采用室溫條件下的自然冷卻和浸水冷卻(浸水1h).待試件冷卻后，在室溫條件下靜置90d，開展單軸壓縮試驗研究.HVFA-SHCC試件信息見表3.

表3 HVFA-SHCC試件信息

采用萬能試驗機對高溫處理后的HVFA-SHCC試件進行單軸壓縮試驗，加載方式為位移控制，加載速率為0.3mm/min，采用位移計測量加載過程中試件的變形.為防止試件端部發(fā)生局部破壞，在試塊端部采用鋼套管進行加固處理.試驗裝置示意圖如圖3所示.

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of testing machine

2 高溫后HVFA-SHCC試件的物理特征及微觀結(jié)構(gòu)

2.1 質(zhì)量損失率

高溫后HVFA-SHCC試件的質(zhì)量損失可采用質(zhì)量損失率進行評估.圖4為HVFA-SHCC試件的質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系曲線.由圖4可知：HVFA-SHCC試件的質(zhì)量損失率隨著溫度的升高而逐漸增大；200℃時，試件的平均質(zhì)量損失率為2.1%，此時自由水的蒸發(fā)是引起其質(zhì)量損失的主要原因；400℃ 時，由于水化產(chǎn)物的結(jié)合水脫出、PVA纖維的熔融，HVFA-SHCC試件的質(zhì)量損失率迅速增加，此時試件的平均質(zhì)量損失率為11.9%；當溫度繼續(xù)上升至600℃時，試件內(nèi)部水化產(chǎn)物部分分解，HVFA-SHCC試件的平均質(zhì)量損失率增長相對緩慢；800℃時，試件的平均質(zhì)量損失率可達15.5%.

圖4 HVFA-SHCC試件的質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of mass loss rate vs. temperature

2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察HVFA-SHCC試件在不同溫度和不同冷卻方式下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖5、6所示.由圖5可知：室溫(20℃)下SHCC微觀組成物質(zhì)主要由C-S-H凝膠、Ca(OH)2、大量未水化的粉煤灰和水泥顆粒組成；當溫度低于200℃時，HVFA-SHCC試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化；400℃時，PVA纖維全部熔化，在纖維熔融位置出現(xiàn)微孔洞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度有所降低；600℃時，SHCC內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，在PVA纖維熔融的位置出現(xiàn)了微裂紋；800℃時，HVFA-SHCC試件進一步劣化，水化產(chǎn)物和部分未水化粉煤灰失去其原有的晶體結(jié)構(gòu)特征，SHCC出現(xiàn)大量微裂縫和微孔洞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為疏松.

圖5 自然冷卻條件下HVFA-SHCC試件的SEM顯微照片F(xiàn)ig.5 SEM micrographs of HVFA-SHCC specimens under natural cooling method

圖6 浸水冷卻條件下HVFA-SHCC試件的SEM顯微照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of HVFA-SHCC specimens under water cooling method

由圖6(a)可知，200℃時，浸水冷卻HVFA-SHCC試件的水化產(chǎn)物與自然冷卻條件下基本相同.由圖6(b)可知，與600℃自然冷卻相比，浸水冷卻條件下，HVFA-SHCC試件中部分未水化粉煤灰和水泥進一步水化，生成新的C-S-H凝膠、氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣等，填充了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微孔洞和微裂縫，使內(nèi)部微結(jié)構(gòu)得到一定的改善.

3 高溫后HVFA-SHCC試件的單軸壓縮力學(xué)響應(yīng)

3.1 破壞模式

圖7為高溫后HVFA-SHCC試件的單軸壓縮破壞模式.由圖7(a)可知：溫度對試件的破壞模式影響較大；當溫度低于200℃時，試件的破壞模式均為剪切破壞，主裂縫與加載面成一定夾角，此時由于纖維的橋連作用，試件破壞時仍為一個整體；當溫度高于400℃時，試件內(nèi)部纖維完全熔融，橋連作用消失，試件發(fā)生劈裂破壞，出現(xiàn)貫穿裂縫.對比圖7(a)、(b)可知，不同冷卻方式下，相同溫度試件的破壞模式大致相同，這說明冷卻方式對試件破壞模式?jīng)]有顯著影響.

圖7 高溫后試件破壞模式Fig.7 Failure mode of specimens after exposure to different temperatures

此外，在高溫作用下HVFA-SHCC試件并未出現(xiàn)爆裂行為.這是因為：當溫度低于200℃時，PVA纖維的橋連作用會增強基體的抗爆裂及抗剝落能力；當溫度超過200℃時，PVA纖維熔融而形成的通道促進了試件內(nèi)部水蒸氣的排出，減小了試件的內(nèi)部壓力[17].

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖8為高溫后HVFA-SHCC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖8 高溫后HVFA-SHCC試件受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of HVFA-SHCC specimens after subject to high temperatures

由圖8(a)可知：HVFA-SHCC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(600、800℃除外)大致可分為線性上升段、非線性上升段、下降段和殘余軟化段；當溫度低于200℃時，HVFA-SHCC試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及曲線斜率等宏觀力學(xué)性能均未發(fā)生明顯變化，這是因為當溫度低于200℃時，HVFA-SHCC內(nèi)部結(jié)構(gòu)無明顯變化；當溫度高于400℃時，隨著溫度的升高，HVFA-SHCC試件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)逐漸劣化，試件的峰值應(yīng)力和曲線斜率均有明顯降低.

由圖8(b)可知：當溫度為200℃時，與自然冷卻相比，浸水冷卻試件的強度和曲線斜率略有提升；當溫度為600℃時，浸水冷卻試件的強度和曲線斜率均較自然冷卻時有明顯提高.這與商興艷等[17]、Yu等[8]的研究結(jié)果及本文微觀試驗結(jié)果相吻合，浸水冷卻有助于試件進一步水化，使結(jié)構(gòu)更加密實，改善了試件的殘余力學(xué)性能.

3.3 抗壓強度和彈性模量

圖9為HVFA-SHCC試件的壓縮力學(xué)參數(shù)與溫度的關(guān)系.由圖9(a)可知：(1)試件的抗壓強度隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先略微增加后顯著降低的趨勢；(2)當溫度升高至200℃時，較高的溫度加速了大量未水化粉煤灰顆粒與CH的反應(yīng)，所生成的C-S-H凝膠利于試件抗壓強度的提升.在基體力學(xué)性能的提高和界面黏結(jié)性能退化的共同作用下，試件的抗壓強度較常溫提高了6.8%；(3)200～400℃時，纖維的熔融使材料內(nèi)部的微孔洞增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度劣化，試件抗壓強度明顯降低；(4)400～600℃ 時，試件抗壓強度下降了26.4%～39.3%；(5)600～800℃時，由于水化產(chǎn)物分解加速，試件抗壓強度繼續(xù)降低，降低速率相對較快，800℃時，試件抗壓強度降低了60.1%.

通過數(shù)據(jù)擬合得到HVFA-SHCC試件抗壓強度隨溫度的變化，其表達式如下：

fc,T/fc,20=-0.4315(lgT)3+
2.177(lgT)2-3.5404lgT+2.87

(1)

式中：fc,T為高溫后試件的殘余抗壓強度，MPa；fc,20為20℃時的抗壓強度，MPa；T為溫度，℃.

參照美國ASTM C469/C469M-14《Standard test method for static modulus of elasticity and Poisson’s ratio of concrete in compression》，試件彈性模量E(GPa)可通過下式計算得到：

(2)

式中：σ0.4為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中40%峰值應(yīng)力處的應(yīng)力值，MPa；ε0.4為σ0.4所對應(yīng)的應(yīng)變值；σ1和ε1分別為1kN 荷載所對應(yīng)的應(yīng)力值和應(yīng)變值.

由圖9(b)可以看出，曲線大致可分為2個階段：第1階段(20～200℃)，試件的彈性模量略微提升，200℃時，彈性模量相比常溫下增加了2.5%；第2階段(200℃后)，試件的彈性模量出現(xiàn)明顯下降，400、600、800℃時，試件的彈性模量較常溫下分別下降了8.5%、56.4%、67.7%.

HVFA-SHCC試件彈性模量隨溫度的變化表達式如下：

ET/E20=-0.9409(lgT)3+
5.3071(lgT)2-9.6917lgT+6.6969

(3)

式中：ET為高溫后試件的殘余彈性模量，GPa；E20為20℃時試件的彈性模量，GPa.

圖9 HVFA-SHCC試件的壓縮力學(xué)參數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between compressive mechanical parameter and temperature of HVFA-SHCC specimen

3.4 壓縮韌性

材料的壓縮韌性是材料受壓變形性能的重要指標之一.為獲得高溫對HVFA-SHCC材料壓縮韌性的影響，參考SHCC壓縮韌性指數(shù)的定義方法[19]，本研究采用曲線下降段(從應(yīng)力峰值至50%應(yīng)力峰值)面積與曲線上升段面積的比值來計算高溫后HVFA-SHCC試件的壓縮韌性指數(shù)，如圖10所示.需要說明的是，對于溫度超過400℃的試件，由于其破壞模式為脆性破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段下降程度較小，并未達到50%峰值點，因此采用曲線下降段面積與上升段面積之比來計算其壓縮韌性指數(shù)，計算結(jié)果見圖11.由圖11可知：(1)自然冷卻條件下，20～200℃時，隨著溫度的升高，HVFA-SHCC試件的壓縮韌性指數(shù)略微增加；而在200～800℃時，隨著溫度的升高，PVA纖維的熔融使HVFA-SHCC試件的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進一步劣化，其在受壓時逐漸表現(xiàn)出脆性特征，壓縮韌性指數(shù)從1.25降至0.69；(2)與自然冷卻相比，相同溫度下，浸水冷卻1h 可以改善HVFA-SHCC試件的壓縮韌性.

圖10 HVFA-SHCC試件壓縮韌性指數(shù)計算示意圖Fig.10 Definition of compressive toughness index of HVFA-SHCC specimen

圖11 溫度和冷卻方式對HVFA-SHCC試件壓縮韌性指數(shù)的影響Fig.11 Effects of high temperature and cooling methods on toughness index of HVFA-SHCC specimen

4 高溫后HVFA-SHCC單軸壓縮本構(gòu)關(guān)系

由試驗獲得的高溫后HVFA-SHCC試件單軸壓應(yīng)縮力-應(yīng)變曲線可知，該曲線上升段和下降段的曲線形狀差異性較大.若采用單一公式進行擬合，很難獲得理想效果，因此本文擬采用文獻[20]中的模型(式(4))定義其本構(gòu)方程.該模型符合SHCC應(yīng)力-應(yīng)變曲線的基本幾何特征，且形式簡單，便于工程應(yīng)用.

(4)

式中：y=σ/fc,x=ε/ε0,fc為峰值荷載，ε0為峰值荷載對應(yīng)的應(yīng)變值；A、B、C、D、b為與溫度有關(guān)的材料參數(shù)，可通過對試驗結(jié)果進行回歸分析獲得，如表4所示.

表4 本構(gòu)模型參數(shù)

試驗結(jié)果與理論結(jié)果對比如圖12所示，其中，曲線上升段的線性相關(guān)系數(shù)在0.95～0.99之間，曲線下降段的線性相關(guān)系數(shù)在0.80～0.90之間，說明本文所提出的本構(gòu)模型能夠較好地預(yù)測高溫下HVFA-SHCC試件的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng).

5 結(jié)論

(1)HVFA-SHCC試件的質(zhì)量損失率隨著溫度的升高而增加.

(2)400℃時，PVA纖維熔融，導(dǎo)致試件承載力明顯下降；600～800℃時，水化產(chǎn)物分解加速，內(nèi)部結(jié)構(gòu)進一步劣化，出現(xiàn)更多的微裂紋和微孔洞，密實度降低；浸水冷卻在一定程度上改善了材料的內(nèi)部微結(jié)構(gòu).

(3)隨著溫度的增加，HVFA-SHCC試件的破壞形態(tài)由常溫以及亞高溫(100、200℃)下的剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵碌呐哑茐?冷卻方式對試件的破壞模式影響較小.

(4)20～200℃時，溫度對HVFA-SHCC試件力學(xué)性能的影響較小；400～800℃時，HVFA-SHCC試件抗壓強度、彈性模量和壓縮韌性明顯下降，微觀結(jié)構(gòu)受損嚴重；浸水冷卻后HVFA-SHCC試件殘余力學(xué)性能得到一定程度的恢復(fù).

圖12 HVFA-SHCC試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與理論模型的對比Fig.12 Comparison between uniaxial compressive stress-strain curve and theoretical model of HVFA-SHCC specimens

(5)基于試驗結(jié)果，提出了高溫后HVFA-SHCC單軸壓縮本構(gòu)模型.