含湿量对纤维增强水泥基复合材料高温耐受性的影响

2020-05-19唐世标姚博宇

广东建材 2020年4期

唐世标甘伟姚博宇王庆

(1 广州立墙墙体材料有限公司；2 广州大学土木工程学院)

0 引言

为了克服传统混凝土的脆性，近年来一种高性能纤维增强水泥基复合材料被研发使用，称为纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，简称ECC）[1]，具有应变硬化和多重开裂的性能。在纤维掺量不超过2%的情况下，ECC 具有0.5%～8.0%的拉伸变形能力，相较于传统混凝土的0.01%极限拉伸变形，ECC具有高出十倍甚至百倍的延展性[4]。这些新型材料应用广泛，如结构的减震[7]，桥梁的减震[8]和改造[9]等，随着使用部位和应用领域的推广，ECC 遭遇火灾和高温作用的概率增大，结构一旦发生火灾，材料的性能必将发生改变，其劣化机制值得深入研究。

随着温度的升高，混凝土的抗压强度逐渐降低，混凝土的颜色也随着变化，并伴随有多条逐渐增多增大的裂缝，直到1200℃时形成剥落[11]。研究表明，水蒸发产生的水蒸气压是混凝土在高温下剥落的主要原因之一，而高性能混凝土具有致密的微观结构，其剥落的温度阈值相对更低，纤维增强水泥基复合材料与高性能混凝土有类似的微观结构，不同含湿量下材料的高温耐受性同样值得探索。本文研究了ECC 在1200℃高温下的力学性能与微观结构改变，旨在探讨高温下含湿量对ECC 的影响。

1 试验方案

采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，制备了不同含湿量的ECC 试件，水胶比为0.45，砂胶比为0.80，所用细集料最大粒径为2.5mm。水泥的化学组成见表1，聚乙烯醇（PVA）纤维的物理性质见表2。

表1 水泥的化学组成

表2 PVA 纤维的物理性质

1.1 配合比和试件

为了研究不同含湿量的纤维增强水泥基复合材料在高温下的性能，ECC 配合比见表3，制备21 个标准立方体试件，分别用于抗压强度、残余力学性能和微观结构测试。试件浇注24h 后拆模，除六个水养护的试件外，其余置于湿度95%和温度25℃的标准养护室中养护。实测C-0 组7 天抗压强度为27.6MPa，28d 抗压强度为35.4MPa。

含湿量（wmc）为试件某时刻所含可蒸发水质量与水养试件刚从水中取出时所含可蒸发水质量的比值。考虑到混凝土内部结构密实，水分移动缓慢，故可忽略试件内部湿度的不均匀性，以试件的总含水量来判断其含湿量的大小。例如，从水中取出并擦除其表面明水后的试样被认为具有100%的含水量，而当烘干至恒重时，试样则被认为含湿量为0[12]。试验采用不同的预处理方式使得试件具有不同的含湿量，具体见表4。

表3 配合比(kg/m3)

表4 不同含湿量处理方式

1.2 残余力学性能

本试验采用KF1400 箱式高温炉加热试样，加热速率设定为20℃/min，记录温度为炉温。除对照组外，每组所有试件加热至1200℃并保持恒温加热1h，温度变化控制曲线如图1 所示。所有试样在加热前和冷却后进行称重并记录，冷却至室温后，进行残余力学性能试验。

图1 温度控制曲线

1.3 微观结构分析

采用热重分析测定PVA 纤维在高强度ECC 中的比例，高倍率显微镜观测材料高温作用后的细观形态，电子扫描显微镜研究分析微观结构，同时还采用X 射线衍射仪（40KV 和40mA Cu X 射线管）对粉末样品进行XRD分析。

2 试验结果与讨论

2.1 高温试验现象

当温度达到200℃时，PVA 纤维开始熔化并产生刺激性气味，图2 为PVA 热重分析测试结果。在加热过程中，尤其是800℃以上，试样在高温下发出爆裂剥落的声音。

图2 PVA 热重分析结果

图3 为不同含湿量ECC 经1200℃高温处理后颜色变化，可以看出经水中养护含湿量高的试件颜色偏深且未出现明显裂缝，但含湿量低的C-1 和C-3 组颜色偏黄，且出现大量的表面裂缝，其中C-1 组裂缝宽度最大。同时地，在本研究中，未发生类似高性能混凝土试样严重剥落的现象，原因在于PVA 纤维的熔化产生了大量的微孔，减少了内部的热应力和水蒸气压。

图3 高温试验后试件的颜色及表观形态变化

根据高倍率电子显微镜放大200 倍的结果（图4），可以更加明显地辨别试件颜色的变化和裂纹的产生。常温状态下可观测到试件表面的短切纤维，而高温处理后，不论含湿量如何，均未有纤维的存在，且正常养护试件的裂缝较少，水养护试件的裂缝数量明显增加，而烘干试件的裂缝宽度则最大（C-2）。此外，在1200℃的温度下，经过水养护后烘干的低强度试件表面出现了明显的二氧化硅晶体。