高强PVA-ECC高温耐受性研究

黄安良，甘 伟，姚博宇，王 庆

（1、广州立墙墙体材料有限公司 广州510800；2、广州大学土木工程学院 广州510006）

1 PVA-ECC材料介绍

PVA-ECC，即聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，是一种新型延性水泥基材料，具有受拉应变硬化和多重开裂的特性，自20 世纪90 年代以来被广泛应用于建筑工程的多个领域。该材料通常掺入体积分数不超过2%的韧性短切纤维［1-3］，在流动性能得到保证的情况下，抗拉强度可达10 MPa 以上，极限抗拉应变能够达到0.5%～8.0%［4-6］，同时，28 d 抗压强度可调节在30～80 MPa 之间，且裂宽得到有效控制［6，7］。目前，已开发有多种不同功能和类型的ECC，包括绿色ECC［8］、可喷涂ECC［9］和自愈合ECC［10］等。这些新型材料在结构减震［11］，桥梁减震［12］等领域均能发挥其功效。正因ECC 的发展不断多元化和普遍化，材料遭受高温作用的概率也有所增加，但目前对高温耐受性能的研究并不充分，主要集中在中低强度试件劣化研究［13-16］，对于高强度ECC 耐受性能研究还未知。鉴于此，本文通过研究高强度ECC 在1 200 ℃高温下的力学性能和微观结构，并与低强度ECC 同条件作用下的性能进行对比分析，探讨不同强度ECC 的高温劣化规律及相关机理。

2 试验概况

2.1 原材料

试验采用P.O.42.5 普通硅酸盐水泥（化学组成见表1），细集料粒径小于2.5 mm。PVA 纤维的直径为39 mm，长度12 mm，抗拉强度1 780 MPa。

表1 水泥的化学组成Tab.1 Chemical Composition of Cement Used

2.2 试验配合比

本试验制备了2 批ECC 试件，即高强PVA-ECC（w/b=0.20）和低强PVA-ECC（w/b=0.45），其砂胶比均为0.80（配合比及实测强度见表2），分别成型15 个100 mm 立方体试件，用于抗压强度试验、残余力学性能试验和微观结构测试。在抗压强度试验中，每个配合比在7 d 和2 8 d 各测试3 个样品。试件在浇注24 h后从模具中取出，置于标准养护室中养护。

表2 试验用配合比（kg/m3）及实测抗压强度Tab.2 Mix Proportion and Compressive Strength of PVA-ECC

2.3 升温制度

本试验采用KF1400 箱式高温炉对试样进行加热，升温速率为20 ℃/min，至1 200 ℃升温停止并恒温保持1 h。升温曲线如图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-时间变化曲线Fig.1 Temperature-time Curve

2.4 微观试验

热重分析试验在干燥的氮气环境下进行，可分析PVA 的温度敏感性，该实验从室温加热至800 ℃，加热速率为20 K/min。在上述残余力学性能试验结束后，制备片状样品，利用高倍率电子显微镜以及扫描电镜进行微观结构分析。

3 试验结果分析

3.1 实验现象

试验过程中，当温度达到200 ℃时，PVA 纤维开始熔化并产生刺激性气味。当温度继续升高至800 ℃后，可陆续听到试样剥落的声音，且在高强度试样中更为明显。受高温作用后，PVA-ECC 试样表面颜色发生变化，并出现一定程度的开裂和剥落（见图2），且高强ECC试件的颜色变化最为明显，呈暗红色。

结合200 倍电子显微镜的观测结果（见图3），试件表面的变化更加突出。在常温下，可明显观测到试件表面的PVA 纤维，但高温处理后，不论低强（见图3b）还是高强（见图3d）试件，PVA 纤维均已消失。受高温作用，在低强度试件表面出现了少量的二氧化硅晶体，试件表面与常温无太大区别，但是，在高强PVA-ECC 试件表面可以明显观察到静观裂缝和大量的二氧化硅晶体。基材强度的提高使得试件在高温作用下性能变化更为敏感。

图2 高温作用前后不同强度ECC试件表面颜色变化Fig.2 Changes in Surface Color of ECC Specimens with Different Strengths before and after High Temperature

图3 高温作用前后试件的显微照片(×200)Fig.3 Photomicrograph of Specimens before and after High Temperature（×200）

3.2 质量损失与残余抗压强度

受高温作用后，由于内部水分蒸发、水化产物分解及纤维熔化等作用，所有试件质量均有明显降低。从实验结果可知，高强PVA-ECC 试件的质量损失略低于低强试件，与已有文献［17-26］的趋势基本相同（见图4）。

同时，对比高温作用前后，ECC 的抗压强度均有明显降低。若将残余抗压强度与材料28 d 抗压强度比值a 定义为残余强度比，并将文献［17-26］及试验结果绘成图5，对比发现，当材料强度提高后，残余强度比a 存在下降的趋势，例如低强组WB045 残余强度比在0.5 附近，而高强组WB020 仅在0.1～0.2 之间，强度的损失比例增大，这对于构件和结构的承载能力和安全可靠性将产生不利影响。这一部分可归因于PVA-ECC 中纤维的熔化，另外，高强材料常温下结构致密，强度明显提高，但当温度提高到1 200 ℃后，材料内部结构逐步成分散状态，原有化学键和结合力被打破，材料劣化更为明显。

图4 质量损失与28天抗压强度关系Fig.4 Relationship between Mass Loss and 28-day Compressive Strength

图5 残余抗压强度与28天抗压强度关系Fig.5 Relationship between Residual Compressive Strength and 28-day Compressive Strength

3.3 微观分析

热重分析资料显示，PVA 纤维在200 ℃开始熔化，1 200 ℃完全消失。图6扫描电镜的结果同样可以证实，经历1 200 ℃高温处理后，PVA 纤维熔化后留下了大量细长的微孔，部分水化产物在1 200 ℃的温度下完全分解，内部结合力大幅降低，这是材料残余强度迅速下降的主要原因之一。从低强（见图6b）与高强（见图6d）2 组试件结果的对比可以看出，高强试件在遭受高温作用后，内部孔隙变大，初始裂隙增加且尺寸增大，残余性能劣化加剧。

4 结论

通过对高强PVA-ECC 在1 2 00℃作用下的试验结果，与低强PVA-ECC进行对比分析，主要结论如下:

⑴材料强度提高后，高温作用下表观开裂现象更为明显，且更易剥落；

图6 高温作用前后不同强度ECC试件SEM结果Fig.6 SEM Photo of PVA-ECCs before and after High Temperature

⑵ECC强度越高，高温作用后残余强度比降低；

⑶从SEM 微观照片可知，试件在遭受高温作用后，内部孔隙变大，初始裂隙增加，是导致残余性能劣化的主要原因之一。