高温后HVFA-SHCC的单轴压缩力学性能及本构关系

赵 军,牛淼鑫，周甲佳,王 志

(1.郑州大学 力学与安全工程学院，河南 郑州 450001；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001)

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)是Li等[1-2]基于微细观断裂力学，通过选择适当的材料和微观参数所获得的具有应变硬化行为和多裂缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料.当纤维掺量为2%左右时，其极限拉应变为3%～5%，裂缝宽度小于100μm[3].与普通混凝土相比，SHCC具有优异的延性性能、耐久性能和耗能能力，适用于高层建筑结构、桥梁、道路工程及修复工程中.因此，自其出现后便受到广泛关注.为减弱SHCC基体的刚度，调节基体的流变性能，改善纤维的分布，实现应变硬化和多裂缝开裂效果，掺加粉煤灰等矿物掺和料，部分取代水泥是较为有效的方法.已有研究表明，大掺量粉煤灰对SHCC的抗拉性能[4]、干缩[5]和耐久性能[6]等均具有改善作用.此外，粉煤灰作为一种工业废料，当其用于SHCC中，亦可满足建筑材料可持续性发展的需要.因此，大掺量粉煤灰-应变硬化水泥基复合材料(HVFA-SHCC)被认为是一种绿色的高性能水泥基复合材料.

SHCC材料作为一种新型建筑材料，当其用于实际工程中，尤其是承受高温环境(如火电厂、冶金工业厂房、核电站等)时，其耐高温性能势必要引起足够重视.2010年，Sahmaran等[7]开创性地进行了高温后SHCC残余力学性能和微观结构的研究.随后，大量学者从冷却方式[8]、加热方式[9]、养护龄期[10]、骨料类型[11]、PVA纤维掺量[12]、尺寸效应[13]、高温后的渗透性能[14]，以及纳米粒子对高温性能的改善作用[15]等方面对SHCC高温损伤进行了研究.然而，这些研究主要集中于高温下粉煤灰与水泥质量比为1.0～2.5的SHCC残余力学性能方面，针对粉煤灰与水泥质量比大于4.0的HVFA-SHCC高温后力学性能的研究甚少.目前，仅Yu等[16]对粉煤灰与水泥质量比为4.4的HVFA-SHCC高温后残余拉伸性能和抗压强度进行了研究.

为此，本文在已有研究基础上，研究了温度及冷却方式对粉煤灰与水泥质量比为4.0的HVFA-SHCC试件残余力学性能(抗压强度fc、弹性模量E、压缩韧性)及其微观结构的影响，并在此基础上建立相应的本构方程，以期为HVFA-SHCC的抗火设计等提供参考依据.

1 试验方案

1.1 原材料、配合比和基本力学性能

原材料包括42.5普通硅酸盐水泥(C)、精制石英砂(SS)、Ⅰ级粉煤灰(FA)、聚羧酸高效减水剂、水(W)和PVA纤维等.PVA纤维的性能参数及HVFA-SHCC配合比如表1、2所示.

表1 PVA纤维的性能参数

表2 HVFA-SHCC的配合比

采用狗骨形试件研究了HVFA-SHCC材料的单轴拉伸行为，其中加载方式为位移控制，加载速率为0.3mm/min.HVFA-SHCC试件的拉伸应力-应变(σ-ε)曲线及多裂缝开展现象如图1、2所示.

图1 HVFA-SHCC试件的拉伸应力-应变曲线Fig.1 Tensile stress-strain curve of HVFA-SHCC specimen

图2 HVFA-SHCC试件多裂缝开展现象Fig.2 Development of multiple fractures of HVFA-SHCC specimens

1.2 试验方法

以目标温度和冷却方式为变量，制备尺寸均为

40mm×40mm×160mm的8组试件.试件浇筑24h 后拆模，置于标准养护室内养护至28d，待其干燥后进行高温处理.试验采用箱式电阻高温炉进行加热，加热温度分别为100、200、400、600、800℃，另取室温(20℃)下的试件进行对照试验.升温速率为10℃/min，当温度达到设定温度后恒温1h，再进行冷却.其中100、400、800℃的试件只采用室温条件下的自然冷却，200、600℃的试件分别采用室温条件下的自然冷却和浸水冷却(浸水1h).待试件冷却后，在室温条件下静置90d，开展单轴压缩试验研究.HVFA-SHCC试件信息见表3.

表3 HVFA-SHCC试件信息

采用万能试验机对高温处理后的HVFA-SHCC试件进行单轴压缩试验，加载方式为位移控制，加载速率为0.3mm/min，采用位移计测量加载过程中试件的变形.为防止试件端部发生局部破坏，在试块端部采用钢套管进行加固处理.试验装置示意图如图3所示.

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of testing machine

2 高温后HVFA-SHCC试件的物理特征及微观结构

2.1 质量损失率

高温后HVFA-SHCC试件的质量损失可采用质量损失率进行评估.图4为HVFA-SHCC试件的质量损失率与温度的关系曲线.由图4可知：HVFA-SHCC试件的质量损失率随着温度的升高而逐渐增大；200℃时，试件的平均质量损失率为2.1%，此时自由水的蒸发是引起其质量损失的主要原因；400℃ 时，由于水化产物的结合水脱出、PVA纤维的熔融，HVFA-SHCC试件的质量损失率迅速增加，此时试件的平均质量损失率为11.9%；当温度继续上升至600℃时，试件内部水化产物部分分解，HVFA-SHCC试件的平均质量损失率增长相对缓慢；800℃时，试件的平均质量损失率可达15.5%.

图4 HVFA-SHCC试件的质量损失率与温度的关系曲线Fig.4 Relationship curve of mass loss rate vs. temperature

2.2 微观结构特征

采用扫描电子显微镜(SEM)观察HVFA-SHCC试件在不同温度和不同冷却方式下的内部结构，如图5、6所示.由图5可知：室温(20℃)下SHCC微观组成物质主要由C-S-H凝胶、Ca(OH)2、大量未水化的粉煤灰和水泥颗粒组成；当温度低于200℃时，HVFA-SHCC试件内部结构没有发生明显的变化；400℃时，PVA纤维全部熔化，在纤维熔融位置出现微孔洞，内部结构的密实度有所降低；600℃时，SHCC内部结构较为疏松，在PVA纤维熔融的位置出现了微裂纹；800℃时，HVFA-SHCC试件进一步劣化，水化产物和部分未水化粉煤灰失去其原有的晶体结构特征，SHCC出现大量微裂缝和微孔洞，内部结构更为疏松.

图5 自然冷却条件下HVFA-SHCC试件的SEM显微照片Fig.5 SEM micrographs of HVFA-SHCC specimens under natural cooling method

图6 浸水冷却条件下HVFA-SHCC试件的SEM显微照片Fig.6 SEM micrographs of HVFA-SHCC specimens under water cooling method

由图6(a)可知，200℃时，浸水冷却HVFA-SHCC试件的水化产物与自然冷却条件下基本相同.由图6(b)可知，与600℃自然冷却相比，浸水冷却条件下，HVFA-SHCC试件中部分未水化粉煤灰和水泥进一步水化，生成新的C-S-H凝胶、氢氧化钙和水化硫铝酸钙等，填充了结构内部的微孔洞和微裂缝，使内部微结构得到一定的改善.

3 高温后HVFA-SHCC试件的单轴压缩力学响应

3.1 破坏模式

图7为高温后HVFA-SHCC试件的单轴压缩破坏模式.由图7(a)可知：温度对试件的破坏模式影响较大；当温度低于200℃时，试件的破坏模式均为剪切破坏，主裂缝与加载面成一定夹角，此时由于纤维的桥连作用，试件破坏时仍为一个整体；当温度高于400℃时，试件内部纤维完全熔融，桥连作用消失，试件发生劈裂破坏，出现贯穿裂缝.对比图7(a)、(b)可知，不同冷却方式下，相同温度试件的破坏模式大致相同，这说明冷却方式对试件破坏模式没有显著影响.

图7 高温后试件破坏模式Fig.7 Failure mode of specimens after exposure to different temperatures

此外，在高温作用下HVFA-SHCC试件并未出现爆裂行为.这是因为：当温度低于200℃时，PVA纤维的桥连作用会增强基体的抗爆裂及抗剥落能力；当温度超过200℃时，PVA纤维熔融而形成的通道促进了试件内部水蒸气的排出，减小了试件的内部压力[17].

3.2 应力-应变关系曲线

图8为高温后HVFA-SHCC试件的应力-应变曲线.

图8 高温后HVFA-SHCC试件受压应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of HVFA-SHCC specimens after subject to high temperatures

由图8(a)可知：HVFA-SHCC试件的应力-应变曲线(600、800℃除外)大致可分为线性上升段、非线性上升段、下降段和残余软化段；当温度低于200℃时，HVFA-SHCC试件的峰值应力、峰值应变及曲线斜率等宏观力学性能均未发生明显变化，这是因为当温度低于200℃时，HVFA-SHCC内部结构无明显变化；当温度高于400℃时，随着温度的升高，HVFA-SHCC试件内部微结构逐渐劣化，试件的峰值应力和曲线斜率均有明显降低.

由图8(b)可知：当温度为200℃时，与自然冷却相比，浸水冷却试件的强度和曲线斜率略有提升；当温度为600℃时，浸水冷却试件的强度和曲线斜率均较自然冷却时有明显提高.这与商兴艳等[17]、Yu等[8]的研究结果及本文微观试验结果相吻合，浸水冷却有助于试件进一步水化，使结构更加密实，改善了试件的残余力学性能.

3.3 抗压强度和弹性模量

图9为HVFA-SHCC试件的压缩力学参数与温度的关系.由图9(a)可知：(1)试件的抗压强度随着温度的升高呈现出先略微增加后显著降低的趋势；(2)当温度升高至200℃时，较高的温度加速了大量未水化粉煤灰颗粒与CH的反应，所生成的C-S-H凝胶利于试件抗压强度的提升.在基体力学性能的提高和界面黏结性能退化的共同作用下，试件的抗压强度较常温提高了6.8%；(3)200～400℃时，纤维的熔融使材料内部的微孔洞增加，内部结构出现一定程度劣化，试件抗压强度明显降低；(4)400～600℃ 时，试件抗压强度下降了26.4%～39.3%；(5)600～800℃时，由于水化产物分解加速，试件抗压强度继续降低，降低速率相对较快，800℃时，试件抗压强度降低了60.1%.

通过数据拟合得到HVFA-SHCC试件抗压强度随温度的变化，其表达式如下：

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

(1)

式中：fc,T为高温后试件的残余抗压强度，MPa；fc,20为20℃时的抗压强度，MPa；T为温度，℃.

参照美国ASTM C469/C469M-14《Standard test method for static modulus of elasticity and Poisson’s ratio of concrete in compression》，试件弹性模量E(GPa)可通过下式计算得到：

(2)

式中：σ0.4为应力-应变曲线中40%峰值应力处的应力值，MPa；ε0.4为σ0.4所对应的应变值；σ1和ε1分别为1kN 荷载所对应的应力值和应变值.

由图9(b)可以看出，曲线大致可分为2个阶段：第1阶段(20～200℃)，试件的弹性模量略微提升，200℃时，弹性模量相比常温下增加了2.5%；第2阶段(200℃后)，试件的弹性模量出现明显下降，400、600、800℃时，试件的弹性模量较常温下分别下降了8.5%、56.4%、67.7%.

HVFA-SHCC试件弹性模量随温度的变化表达式如下：

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

(3)

式中：ET为高温后试件的残余弹性模量，GPa；E20为20℃时试件的弹性模量，GPa.

图9 HVFA-SHCC试件的压缩力学参数与温度的关系Fig.9 Relationship between compressive mechanical parameter and temperature of HVFA-SHCC specimen

3.4 压缩韧性

材料的压缩韧性是材料受压变形性能的重要指标之一.为获得高温对HVFA-SHCC材料压缩韧性的影响，参考SHCC压缩韧性指数的定义方法[19]，本研究采用曲线下降段(从应力峰值至50%应力峰值)面积与曲线上升段面积的比值来计算高温后HVFA-SHCC试件的压缩韧性指数，如图10所示.需要说明的是，对于温度超过400℃的试件，由于其破坏模式为脆性破坏，应力-应变曲线的下降段下降程度较小，并未达到50%峰值点，因此采用曲线下降段面积与上升段面积之比来计算其压缩韧性指数，计算结果见图11.由图11可知：(1)自然冷却条件下，20～200℃时，随着温度的升高，HVFA-SHCC试件的压缩韧性指数略微增加；而在200～800℃时，随着温度的升高，PVA纤维的熔融使HVFA-SHCC试件的内部微结构进一步劣化，其在受压时逐渐表现出脆性特征，压缩韧性指数从1.25降至0.69；(2)与自然冷却相比，相同温度下，浸水冷却1h 可以改善HVFA-SHCC试件的压缩韧性.

图10 HVFA-SHCC试件压缩韧性指数计算示意图Fig.10 Definition of compressive toughness index of HVFA-SHCC specimen

图11 温度和冷却方式对HVFA-SHCC试件压缩韧性指数的影响Fig.11 Effects of high temperature and cooling methods on toughness index of HVFA-SHCC specimen

4 高温后HVFA-SHCC单轴压缩本构关系

由试验获得的高温后HVFA-SHCC试件单轴压应缩力-应变曲线可知，该曲线上升段和下降段的曲线形状差异性较大.若采用单一公式进行拟合，很难获得理想效果，因此本文拟采用文献[20]中的模型(式(4))定义其本构方程.该模型符合SHCC应力-应变曲线的基本几何特征，且形式简单，便于工程应用.

(4)

式中：y=σ/fc,x=ε/ε0,fc为峰值荷载，ε0为峰值荷载对应的应变值；A、B、C、D、b为与温度有关的材料参数，可通过对试验结果进行回归分析获得，如表4所示.

表4 本构模型参数

试验结果与理论结果对比如图12所示，其中，曲线上升段的线性相关系数在0.95～0.99之间，曲线下降段的线性相关系数在0.80～0.90之间，说明本文所提出的本构模型能够较好地预测高温下HVFA-SHCC试件的单轴压缩应力应变响应.

5 结论

(1)HVFA-SHCC试件的质量损失率随着温度的升高而增加.

(2)400℃时，PVA纤维熔融，导致试件承载力明显下降；600～800℃时，水化产物分解加速，内部结构进一步劣化，出现更多的微裂纹和微孔洞，密实度降低；浸水冷却在一定程度上改善了材料的内部微结构.

(3)随着温度的增加，HVFA-SHCC试件的破坏形态由常温以及亚高温(100、200℃)下的剪切破坏转变为高温下的劈裂破坏.冷却方式对试件的破坏模式影响较小.

(4)20～200℃时，温度对HVFA-SHCC试件力学性能的影响较小；400～800℃时，HVFA-SHCC试件抗压强度、弹性模量和压缩韧性明显下降，微观结构受损严重；浸水冷却后HVFA-SHCC试件残余力学性能得到一定程度的恢复.

图12 HVFA-SHCC试件单轴压缩应力-应变曲线与理论模型的对比Fig.12 Comparison between uniaxial compressive stress-strain curve and theoretical model of HVFA-SHCC specimens

(5)基于试验结果，提出了高温后HVFA-SHCC单轴压缩本构模型.