聚合物水泥砂浆高温后力学性能研究

蒋杰良 陈建华

（广东工业大学 土木与交通工程学院）

0 引言

PCM（聚合物水泥砂浆）是近几十年发展起来的一种新型修补材料，其通过在水泥砂浆中添加各种聚合物来改善普通水泥砂浆的性能[1]，可有效提升水泥砂浆的力学性能[2-3]、耐腐蚀性能[4]等。由于其优异的力学性能和耐腐蚀性能，近年来PCM 逐渐地在结构加固领域中得到应用。有学者提出PCM-FRP 的新型复合加固方法[5-7]，GUO R、JIANG Y 等学者研究了PCM-混凝土、CFRP-PCM等复合加固方式的界面力学性能[8-9]。而Khuram Rashid研究了高温条件下PCM-混凝土界面的性能，发现PCM和混凝土之间的界面拉伸强度和剪切强度受温度影响显著，在高温下检测到界面强度大幅下降[10]。这一复合加固方式能有效解决FRP 加固耐高温性能差、PCM 与混凝土界面粘结性能差的问题，但目前对PCM 高温下力学性能的研究较少。

本文研究了不同高温和不同冷却方式对PCM 力学性能的影响，并对PCM 抗折、抗压强度随温度的退化规律进行了分析，为PCM 的工程应用及高温下的强度退化提供科学依据。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

聚合物水泥砂浆（PCM）：采用上海环宇建筑工程材料有限公司生产的聚合物水泥砂浆SJ55；其组成为：聚乙烯醇纤维（PVA 纤维）0.1%，水泥45%～55%，砂45%，使用时每千克干粉掺入16%的水搅拌均匀

PCM 在标准条件下养护28 天的力学性能见表1。

表1 PCM的力学性能

1.2 试验方法及设备

本研究设定了6 个高温条件，研究高温后聚合物水泥砂浆（PCM）的抗压、抗折强度变化，并研究了PCM 试件受自然冷却（AC）和泡水冷却（WC）的影响。根据冷却方式不同，试件分别标记为PCM-AC、PCM-WC。

根据《聚合物改性水泥砂试验规程》（DL/T5126-200 1），PCM 制备40mm×40mm×160mm 的试件并进行抗折和抗压强度测试。

本研究采用箱式电炉SX2-28-13 对试件进行高温处理，升温速率为5℃/min；本试验高温时的恒温处理时间为3h。

2 试验结果分析

2.1 高温及冷却方式对试件抗折强度的影响

高温与自然冷却、泡水冷却作用后，PCM 试件抗折强度的变化如图1 所示。其相对剩余抗折强度见表2。

从图1 和表2 可知，PCM 的抗折强度随温度升高呈下降趋势，在高温300℃以上时的抗折强度下降尤其显著。自然冷却下，200℃前PCM 的抗折强度下降幅度均比200℃后要小。100～200℃时，PCM-AC 的抗折强度下降率＜2%。300～600℃时，PCM-AC 的抗折强度下降率分别为33%、54%、62%、76%。泡水冷却下，100～200℃时，PCM-WC 的抗折强度下降率分别为19%、13%；300～600℃时，PCM-WC 的抗折强度下降率分别为21%、34%、33%、53%。

图1 高温与不同冷却方式作用后PCM 试件抗折强度变化

表2 高温与不同冷却方式作用后PCM试件的相对剩余抗折强度

为研究不同冷却方式作用对PCM 试件的影响，对试件的相对剩余抗折强度（各温度下的抗折强度ff,t和常温下的抗折强度ff,20的比值）进行对比分析如下：

200℃前，PCM-AC 的相对剩余抗折强度要比PCM-WC的高，100℃和200℃时的差值分别为17%和12%，这是因为100～200℃时，与泡水冷却相比，自然冷却能使得开始熔融软化的PVA 纤维恢复更多的强度。

300～600℃时，PCM-WC 的相对剩余抗折强度却要比PCM-AC 的高，差值分别为12%、20%、29%、23%。这是因为当处理温度从300℃上升至600℃，PVA 纤维将会逐渐熔化并挥发，试件泡水冷却后重新生成凝胶和晶体填补PVA 纤维熔融挥发产生的孔隙，一定程度上减小了抗折强度下降幅度。

2.2 高温及冷却方式对试件抗压强度的影响

高温与自然冷却、泡水冷却作用后，PCM 试件抗压强度的如图2 所示，PCM 试件的相对剩余抗压强度见表3。

图2 高温与不同冷却方式作用后PCM 试件抗压强度

表3 高温与不同冷却方式作用后PCM试件的相对剩余抗压强度

从图2 和表3 可知，高温后PCM 试件的抗压强度随温度升高呈下降趋势。自然冷却下，200℃前PCM 的抗压强度下降幅度均比200℃后要小。100～200℃时，PCM-AC 的抗压强度下降率＜3%。300～600℃时，PCM-AC的抗压强度下降率分别为25%、31%、43%、54%。泡水冷却下，100～200℃时，PCM-WC 的抗压强度下降率分别为12%、10%。300～600℃时，PCM-WC 的抗压强度下降率分别为23%、27%、32%、53%。

为研究不同冷却方式作用对PCM 试件的影响，对试件的相对剩余抗压强度（各温度下的抗压强度fc,t和常温下的抗压强度fc,20的比值）进行对比分析如下：

100～300℃时，PCM-AC 的相对剩余抗压强度比PCM-WC 高，分别提高了9%、8%、8%。这是因为100～300℃时，与泡水冷却相比，自然冷却能使得开始熔融软化的PVA 纤维恢复更多的强度。

400～600℃时，泡PCM-WC 的相对剩余抗压强度比PCM-AC 高，分别提高了4%、11%、1%。这是因为400℃～600℃时，试件泡水冷却后重新生成凝胶和晶体填补PVA 纤维熔融挥发产生的孔隙，其相对剩余抗压强度要比自然冷却后的高。

2.3 高温后的强度退化规律

基于以上的试验研究可以发现，PCM 试件在常温到600℃范围内，经过自然冷却和泡水冷却两种方式作用后，其抗折强度与抗压强度存在着线性关系（如图3 所示），且抗折强度、抗压强度都随着温度的升高而降低。随着抗压强度的下降，自然冷却后PCM 的抗折强度下降速率比泡水冷却的高。

图3 PCM 的抗压强度与抗折强度关系

3 结论

⑴高温后PCM 的力学性能呈下降趋势，且温度越高，强度损失越大。100～200℃高温后，PCM 的抗折抗压强度下降幅度均较小，自然冷却的最大降幅仅为3%；300℃～600℃高温后，PCM 强度显著下降，自然冷却的抗折强度下降率达33%～76%，抗压强度下降率达15%～54%；泡水冷却的强度下降趋势与自然冷却的类似。

⑵冷却方式对PCM 力学性能的影响随温度区间不同而不同。100～300℃高温后，使用自然冷却的方式有利于保持PCM 的力学性能，其相对剩余抗折强度比泡水冷却的方式提高了12%～17%，相对剩余抗压强度提高了8%～9%；而400～600℃高温后，使用泡水冷却的方式有利于保持PCM 的力学性能，其相对剩余抗折强度比自然冷却的方式提高了20%～29%，相对剩余抗压强度比自然冷却的方式高1%～11%。

⑶高温后PCM 的抗折抗压强度仍存在线性关系，随着抗压强度的下降，自然冷却后PCM 的抗折强度下降速率比泡水冷却的高。