高温作用对混杂纤维增强高延性水泥基复合材料拉伸性能的影响

张 聪，夏超凡，袁 振，李志华

(1.江南大学，环境与土木工程学院，江苏 无锡，214000;2.绿色建筑材料国家重点实验室，北京，100024)

0 引 言

基于断裂力学和细观力学，通过调整纤维、基体以及纤维/基体界面性能所设计的高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composite, HDCC)有效地改善了水泥基材料固有的高脆低韧特性[1-3]。通常，HDCC的极限拉伸应变不低于0.5%，且具有明显的多缝开裂特征，被越来越多地用于土木工程领域，如结构加固、梁柱节点、隧道衬砌等工程。但是HDCC的高成本却始终是让工程界进退两难的问题。如何有效地降低HDCC的成本是推进其在建设工程中大规模应用的关键。

目前，纤维混杂化是降低HDCC成本的重要手段之一[4-5]。近年来，国内外学者主要通过引入不同弹性模量纤维对混杂纤维HDCC材料(HyHDCC)的配合比和基本性能进行了探讨，且基于性价比的考虑，目前学术界和工程界的关注点主要集中在钢纤维/PVA纤维混杂HDCC材料(HyHDCC-A)的研究。如Khin[6-7]、Alessandro[8]、张君[9]、徐世烺[10]等学者研究了钢纤维/PVA纤维HyHDCC-A的拉伸性能、抗冲击性能，等。然而必须指出的是，高温是HDCC在服役过程中可能面临的最不利工况之一，因为目前配制HDCC所广泛采用的PVA纤维在250 ℃以后便会完全熔化、失效，从而导致PVA-HDCC丧失其几乎所有的应变硬化特征以及多缝开裂行为。如Mechtcherine[11]、Bhat[12]、Magalhaes[13]等学者的研究发现，高温对PVA-HDCC的拉伸性能有明显的劣化作用，尤其是当温度超过150 ℃之后，PVA-HDCC开始丧失其延性，而当温度超过250 ℃时，PVA-HDCC将完全丧失其拉伸应变硬化特征与多缝开裂行为。但是，目前国内外对于钢纤维/PVA纤维HyHDCC-A高温性能的研究较为有限。而从钢纤维混凝土高温性能的研究成果来看，钢纤维的引入可以有效地改善混凝土材料高温作用后的基本力学性能，但是钢纤维对PVA-HDCC材料高温作用后力学性能的影响规律目前并不清楚，仍有待于进一步探究。

本文基于前期研究成果[14-17]，首先，通过引入廉价的碳酸钙晶须进一步降低混杂纤维HDCC材料的成本，配制了钢纤维/PVA纤维/碳酸钙晶须混杂HDCC材料(HyHDCC-B)；其次，对比研究了PVA-HDCC、钢纤维/PVA纤维HDCC材料(HyHDCC-A)以及HyHDCC-B在常温以及200、400、600和800 ℃高温作用后的拉伸性能，以期为HDCC的研究与应用提供必要的试验依据与理论参考。

1 实 验

1.1 基体材料

选用水泥砂浆基体，基体材料包括P·O 42.5水泥、I级粉煤灰、精细石英砂(粒径100～210 μm，平均粒径150 μm)，按照水泥∶粉煤灰∶石英砂=1∶4∶1.8比例混合，水胶比0.34。聚羧酸高性能减水剂(减水率28.3%)用于调节新拌浆体的工作性，基准掺量为胶凝材料质量的0.5%。

1.2 纤维材料

本文选用3种纤维材料， 钢纤维：上海真强纤维有限公司，有端部弯钩，长度13 mm，直径0.2 mm，长径比65，抗拉强度2 000 MPa，弹性模量200～210 GPa，密度7.8 g/cm3；PVA纤维：日本可乐丽公司，长度12 mm，直径39 μm，抗拉强度1 100 MPa，弹性模量42.8 Gpa，密度1.3 g/cm3，熔点244～250 ℃；碳酸钙晶须：上海峰竺晶须有限公司，长度20～30 μm，直径0.5～1 μm，长径比20～60，抗拉强度3～6 Gpa，弹性模量410～710 GPa，密度2.8 g/cm3，分解温度780 ℃，成本1 500元/t。

目前，HyHDCC-A常温性能研究中常用的纤维体积掺量为钢纤维0.25%，PVA纤维1.75%。本研究以此为基础并结合前期研究成果，引入碳酸钙晶须配制HyHDCC-B材料。前期的研究发现[14-17]，碳酸钙晶须可以通过裂纹偏转、桥联和晶须拔出等微观作用机制，改善HyHDCC-A基体的微观结构和微观裂缝形态，从而提高钢纤维/PVA纤维HyHDCC-A材料的拉伸应变硬化能力和多缝开裂能力，并通过适量取代PVA纤维的方式进一步降低HyHDCC-A的成本。试验中各纤维体积掺量如表1所示。

表1 纤维体积掺量

1.3 试件制作

采用卧式强制式搅拌机将水泥、粉煤灰、碳酸钙晶须、石英砂干拌2 min，随后加入水和高效减水剂，搅拌2 min，最后均匀加入钢纤维与PVA纤维，搅拌5 min，获得新拌水泥基材料。参照ISO 679，新拌材料装模后放入标准水泥养护箱养护24 h，拆模，在温度20±2 ℃、湿度95%的标准养护箱中继续养护至28 d，将试件取出放置于105 ℃烘箱中干燥至恒重，随后进行高温试验。采用狗骨形试件测试材料的拉伸性能，每组配合比成型试件15个，用于5种温度工况下的拉伸力学性能试验。

1.4 高温试验

采用SX-10-12型箱式电阻炉提供高温环境；试件成型过程中预埋WRNK-191型探针式热电偶，外接XMZ-101型温度仪表，监测试件中心温度变化，以判断试件内部温度与电阻炉环境温度的差异。采用如图1所示的升温制度，升温速率10 ℃/min，共设计5种温度工况：常温(20)、200、400、600以及800 ℃。为了使试件内外温度均匀，每种高温工况下均持温60 min，随后打开炉门，自然冷却至室温，测试高温作用后试件的拉伸性能。

图1 高温试验升温制度

1.5 拉伸试验

采用MTS E44电子万能试验机，试件的测试标距为50 mm，通过荷载传感器和引伸计测试试件的拉伸应力与应变之间的关系，如图2所示。加载方式为位移控制，加载速率为0.05 mm/min。

图2 拉伸试件及试验加载装置

2 结果与讨论

2.1 拉伸应力-应变曲线

图3为常温下PVA-HDCC、HyHDCC-A以及HyHDCC-B试件的代表性拉伸应力-应变曲线。每组配比测试3个试件，取应力-应变曲线的中间值作为代表性曲线。由图3(a)可以看到，常温下PVA2组拉伸试件表现出了明显的应变硬化特征；但是采用0.25%钢纤维等量替代PVA纤维时(SF0.25PVA1.75)，试件的应变硬化能力被明显削弱；而随着碳酸钙晶须的引入(SF0.25PVA1.7CW0.5以及SF0.25PVA1.65CW1)，相比于SF0.25PVA1.75和PVA2组，试件的拉伸强度和拉伸应变硬化能力均有明显提高，初步论证了采用廉价碳酸钙晶须适量替代相对昂贵PVA纤维的可行性。此外，由图3b可以看到，各组试件的初裂应变为0.125%左右，但是由于碳酸钙晶须的微观阻裂作用，晶须的引入提高了试件的初裂荷载和初裂应变[14-17]。

图4为200 ℃温度作用后各组试件的代表性拉伸应力-应变曲线。由图4(a)可以发现，经历200 ℃温度作用后，PVA-HDCC、HyHDCC-A以及HyHDCC-B试件均已基本丧失了应变硬化行为，说明PVA纤维对拉伸应变硬化行为起到决定性作用。因为在200 ℃温度下，PVA纤维虽然不会熔化，但是将出现明显的软化，从而破坏PVA纤维与水泥基体间的界面黏结，劣化试件的拉伸应变硬化行为。此外，由图4(a)同时可以发现，200 ℃温度作用后，各组试件初裂后依然保留了少量的应变硬化行为，这是由于自然冷却后，软化的PVA纤维恢复了其部分力学性能，但由于纤维与水泥基体黏结界面的破坏，试件的应变硬化行为并不明显。掺加碳酸钙晶须并没有明显改善试件的拉伸应变硬化行为，但是相比于PVA2和SF0.25PVA1.75组试件，晶须的引入提高了试件的拉伸荷载，且峰后曲线更加饱满，说明此时晶须依然对试件的韧性有利。由图4(b)同时可以看到，200 ℃温度作用后，各组试件的初裂均发生在应变为0.125%-0.225%左右，但碳酸钙晶须的引入提高了试件的初裂荷载与初裂应变。

图5～7分别为400、600以及800 ℃温度作用后各组试件的代表性拉伸应力-应变曲线。通过对比可以发现，当温度超过400 ℃之后，各组试件均已完全丧失了拉伸应变硬化行为，转变为明显的软化特征，这是由于PVA纤维在250 ℃左右便已开始熔化、分解，也因此导致PVA2组试件退化为普通水泥砂浆试件，表现出明显的脆性破坏行为。此外可以发现，各组试件的拉伸峰值荷载均随着所经历温度的升高而逐渐降低；由于所使用的钢纤维具有端部弯钩，HyHDCC-A以及HyHDCC-B试件在经历400、600以及800 ℃温度作用后依然具有较高的承载能力；碳酸钙晶须的分解温度为780 ℃左右，可以发现，在经历了400以及600 ℃温度作用后，晶须仍然对提高HyHDCC-B试件的峰后承载力有利，且随着晶须掺量的提高有进一步提升的趋势，但是由图7可以看到，在800 ℃温度作用后，晶须对峰后承载力的影响已基本消失，HyHDCC-A以及HyHDCC-B试件的拉伸应力-应变曲线没有明显差异。对比图5b、6b以及7b可以发现，由于水泥基体的高温劣化，各组试件的初裂应变均随温度的升高而增大；相比于HyHDCC-A，碳酸钙晶须的引入提高了材料的初裂荷载以及初裂应变，但是当温度为800 ℃时，晶须的作用已不明显。

图3 常温下试件的拉伸应力-应变曲线

图4 高温200 ℃后试件的拉伸应力-应变曲线

图5 高温400 ℃试件的拉伸应力-应变曲线

图6 高温600 ℃试件的拉伸应力-应变曲线

图7 高温800 ℃试件的拉伸应力-应变曲线

2.3 拉伸强度

图8(a)为各组试件拉伸强度随温度的变化关系。可以看到，随着温度的升高，各组试件的拉伸强度均明显降低；相同温度作用条件下，HyHDCC-A的拉伸强度高于PVA-HDCC，而碳酸钙晶须的引入可以进一步提高各温度作用后试件的拉伸强度。图8(b)为PVA2组试件拉伸强度比随温度的变化关系。可以看到，单掺PVA纤维时试件的拉伸强度随温度呈指数型衰减，200 ℃后试件的拉伸强度降低了近40%，800 ℃后试件的抗拉伸强度已不足常温时的20%，说明高温对PVA-HDCC的拉伸强度有明显的劣化作用。图8(c)为SF0.25PVA1.75组试件拉伸强度比随温度的变化关系。可以看到，由于钢纤维的引入，试件的拉伸强度随温度呈线性衰减，强度衰减较为缓慢，200 ℃后试件的拉伸强度降低了25%， 800 ℃后试件的拉伸强度约为常温时的22%，说明端部弯钩型钢纤维对试件高温作用后的拉伸强度有明显的改善作用。图8(d)为掺有碳酸钙晶须的HyHDCC-B试件拉伸强度比随温度的变化关系。可以看到，SF0.25PVA1.7CW0.5和SF0.25PVA1.65CW1组试件拉伸强度随温度的衰减规律与SF0.25PVA1.75组基本一致，但在200 ℃与400 ℃之间时拉伸强度衰减出现突变，这是由于180 ℃后水化硅酸钙开始分解，削弱了晶须与水泥基体之间的界面黏结，使晶须桥联作用减弱，而桥联作用是晶须发挥其增强效应的重要机制[17]。此外，对比图8(c)与(d)可以发现，在400 ℃之后，碳酸钙晶须虽然可以提高试件的拉伸强度值，但是对拉伸强度随温度的衰减速率并没有明显影响。

图8 温度对(a)拉伸强度以及(b)～(d)拉伸强度比的影响

2.4 拉伸韧性

图9(a)为各组试件拉伸韧性随温度变化关系，其中拉伸韧性通过对拉伸应力-应变曲线积分获得。可以看到，随着温度的升高，各组试件的拉伸韧性均明显降低；常温时，PVA2组试件的拉伸韧性明显高于SF0.25PVA1.75组，说明使用钢纤维等量替代PVA纤维劣化了材料的拉伸能量吸收能力，而碳酸钙晶须的引入使材料的拉伸韧性进一步提高，这是由于晶须可以通过裂纹偏转、桥联和晶须拔出等微观作用机制，改善水泥基体的微观结构和微观裂缝形态，从而提高钢纤维/PVA纤维HyHDCC-A材料的拉伸应变硬化能力和多缝开裂能力。此外，可以看到当温度超过400 ℃后，PVA2组材料与普通水泥砂浆并没有明显差别，拉伸韧性值仅为0.1 N·mm/mm3左右。相同温度的高温作用条件下，HyHDCC-A的拉伸韧性高于PVA-HDCC，而碳酸钙晶须的引入可以进一步提高各温度作用后试件的拉伸能量吸收能力。

图9(b)为PVA2组试件拉伸韧性比随温度的变化关系。可以看到，各组试件的拉伸韧性比随温度的升高呈指数型衰减。200 ℃时PVA2材料的能量吸收能力已不足常温时的20%，400 ℃之后仅为常温时的1%左右，说明PVA-HDCC无法在高温环境下正常使用。而钢纤维的引入降低了试件拉伸韧性的衰减速率，如图9(c)所示，200 ℃时HyHDCC-A的拉伸韧性衰减了约65%，而800 ℃后仍保留了20%的拉伸能量吸收能力。图9(d)为掺有碳酸钙晶须的HyHDCC-B组试件拉伸韧性比随温度的变化关系。可以发现，对比于HyHDCC-A组(图9c)，晶须并没有进一步减缓试件拉伸韧性的衰减速率，而仅提高了各温度条件下试件的拉伸韧性值，这是由于晶须与水泥基体界面黏结能力随温度的升高而逐渐减弱，晶须的裂纹偏转以及拔出等增韧机制对提高材料的能量吸收能力有利[17]。

图9 温度对(a) 拉伸韧性以及 (b)～(d) 拉伸韧性比的影响

3 结 论

研究了常温、200、400、600和800 ℃作用后PVA-HDCC、钢纤维/PVA纤维混杂HDCC材料(HyHDCC-A)以及钢纤维/PVA纤维/碳酸钙晶须混杂HDCC材料(HyHDCC-B)的拉伸性能，分析了高温作用对拉伸应力-应变曲线、拉伸强度以及拉伸韧性的影响，可以得到以下结论：

(1)常温下，利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-HDCC的拉伸应变硬化能力，而引入碳酸钙晶须适量替代PVA纤维可以提高材料的拉伸强度、拉伸韧性以及拉伸应变硬化能力，采用碳酸钙晶须适量替代PVA纤维的方式来降低PVA-HDCC和钢纤维/PVA纤维HyHDCC-A的成本具有可行性。

(2)高温作用对PVA-HDCC、HyHDCC-A以及HyHDCC-B的拉伸性能均有明显影响。200 ℃温度作用后，各组材料均已基本丧失了拉伸应变硬化能力，而400 ℃之后，均已完全丧失了拉伸应变硬化行为，转变为明显的软化特征。

(3)PVA-HDCC的拉伸强度与拉伸韧性随温度的升高呈指数型衰减，钢纤维的掺入可以减缓试件拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率；碳酸钙晶须虽然可以提高材料高温作用后的拉伸强度值和拉伸韧性值，但并没有进一步减缓拉伸强度和拉伸韧性随温度的衰减速率。