亚高温作用下国产ECC早期力学性能研究

马 凯，郭小盛，李名义，左中和

(中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004)

高延性水泥基复合材料(ECC)是一种以应变硬化、多缝开裂为特征的纤维增韧水泥基复合材料[1]。ECC拉伸延性和控裂效果优异，在纤维体积率不超过混合物总体积分数2%的条件下，单轴拉伸应变可达到3%～5%，且裂缝宽度被控制在60 μm左右[2]。然而，高温、火灾等温度作用对水泥基材料产生的危害是ECC工程应用过程中必须克服的难题之一。Zhang Z等[3]对比了温度对不同粉煤灰掺量ECC性能的影响，发现高掺量粉煤灰ECC具有更优良的耐高温性。Yu J等[4]发现在粉煤灰与水泥的比例为4.41时，ECC经高温后仍具有良好的残余拉伸延性。Ming X等[5]指出同时含有粉煤灰和碳酸钙晶须的混合物具有良好的耐高温性和恢复性，掺入碳酸钙晶须有利于400 ℃高温加热再养护后抗压强度的恢复，其恢复性源于碳酸钙晶须分解提供的氧化钙促进了混合物的火山灰反应。李黎等[6]发现3%碳酸钙晶须、0.5%聚乙烯醇(PVA)纤维、1.5%钢(SF)纤维混合体系在500 ℃高温处理后的残余弯拉强度比PVA-SF纤维混杂体系高出45.7%，但在900 ℃以上高温处理后纤维增强效果明显退化，这是因为PVA纤维已完全熔化，碳酸钙晶须与SF纤维皆损伤严重。Wang Q等[7]通过SEM观察到ECC内部PVA纤维在400 ℃时已完全熔化，其熔化留下的针状通道有利于水分蒸发，可有效防止材料的爆炸性剥落。权娟娟等[8]指出PVA-ECC在经过200 ℃亚高温作用后，试件基本丧失拉伸应变能力。

以往研究多倾向于ECC的耐高温性，而亚高温对国产ECC的影响却鲜有报道。因此，本研究在使用超高掺量粉煤灰取代水泥的基础上，选用国产PVA纤维、碳酸钙晶须、纳米碳酸钙等本地原材料制备国产ECC，并研究国产ECC经历50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃亚高温作用后的早期力学性能与断裂韧度，探索完全利用本地材料使ECC耐亚高温的可行性。

1 试验

1.1 原材料

水泥选用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用 Ⅰ 级粉煤灰；骨料选用粒径为70目～140目的普通石英砂；PVA纤维选用产于福建永安的纤维；碳酸钙晶须为类纤维状；纳米碳酸钙的平均粒径为40 nm；减水剂选用聚羧酸系减水剂；增稠剂选用羟丙基甲基纤维素；普通自来水。水泥及粉煤灰的主要化学成分见表1。PVA纤维和碳酸钙晶须的基本参数见表2。国产ECC的配合比见表3。

表1 水泥及粉煤灰的主要化学成分 %

表2 纤维的基本参数

表3 国产ECC配合比 %

1.2 试件制备

称取水泥、粉煤灰、石英砂等粉状材料倒入搅拌机中，先慢速干拌2～3 min，使粉状材料充分混合均匀，随后加入水和减水剂，待形成均匀浆体后逐次缓慢地加入PVA纤维，纤维不成团、分散均匀时搅拌结束。将搅拌完成的浆体入模成型并振实，每组成型3个试件，养护24 h后脱模，并置于温度为25 ℃±2 ℃，湿度为95%±2%的养护箱内养护至7 d龄期。

1.3 试验设计

待试件达到7 d龄期时，除对照组(25 ℃)试件外，将试件置于烘箱中分别加热至50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃。达到设定温度时，使烘箱保持预设温度2 h，以使其保持稳定的热状态。恒温期结束后立即将试件取出并进行抗压、拉伸、弯曲及断裂性能测试。抗压试件选用边长为70.7 mm的立方体[9]。单轴拉伸试件尺寸及试验装置如图1所示[10]。为提高试验数据的准确性，在试件左右两侧各设置一个可自动采集数据的位移传感器(LVDT)，并取平均值作为有效位移，加载方式为位移控制，速率为0.5 mm/min。四点弯曲试验所用试件为400 mm×70 mm×16 mm的薄板，试验装置如图2所示[11]，两个压头的间距为100 mm，两个支座的跨距为300 mm，加载方式为位移控制，速率为1 mm/min。断裂韧度试验选择不含纤维且预留切口的试件，其尺寸及试验装置如图3所示[12]，加载方式为位移控制，速率为0.5 mm/min。

图1 单轴拉伸试件尺寸及试验装置

(a)试件尺寸 (b)试验装置

2 结果与讨论

2.1 抗压性能

国产ECC试件经不同亚高温作用后的抗压强度如图4所示。与25 ℃时相比，试件在经过50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃亚高温处理后的抗压强度分别增长了1.14%、4.95%、5.85%、7.34%；抗压强度随温度的升高逐渐增强，温度越高，抗压强度增强幅度越大，这可归因于试件内部未水化的水泥颗粒在亚高温作用下继续水化产生Ca(OH)2及水化硅酸钙，并且Ca(OH)2可与粉煤灰产生火山灰效应，促进水化产物的生成，进而使抗压强度提高[3]。

图4 不同亚高温作用后国产ECC的抗压强度

2.2 拉伸性能

不同亚高温作用后国产ECC应力-应变曲线如图5所示，拉伸性能曲线如图6所示，拉伸参数如表4所示。

图5 不同亚高温作用后国产ECC的应力-应变曲线

(a)初裂拉伸性能 (b)极限拉伸性能

表4 国产ECC的拉伸性能参数

由图5可知，国产ECC应力-应变曲线主要分为线性阶段、应变硬化阶段与破坏阶段，其初裂应力和极限应力均随温度的提高而逐渐增加，但初裂应变和极限应变呈现先增加后减小的趋势。由图5、图6及表4可知：与25 ℃相比，试件经历50 ℃亚高温作用后，初裂应变和极限应变各提升了366.66%和8.52%，分别达到了0.14%和5.98%，并且试件拉伸应力并无明显降低，试件抵抗初始变形的能力有所增强；与50 ℃相比，在100 ℃亚高温作用下，试件极限应变由5.98%降低至5.14%，降低了14.04%，但初裂应力由1.47 MPa增加至2.03 MPa，提高了38.09%。虽然初裂应变降低至0.09%，但试件线性增长阶段得到显著提升，其抵抗初始变形的能力获得大幅度增强。亚高温作用加速了基体内未水化颗粒的水化进程，促进了试件早期性能的增强[4]；与50 ℃相比，当温度提升为150 ℃和200 ℃时，初裂应变基本不变，初裂应力和极限应力显著增加，但极限应变急剧下降，各降低了54.01%和84.44%，分别为2.75%和0.93%。当亚高温超过150 ℃时，蒸汽状态的水分子带来的蒸汽压力会加速裂缝开展并使试件破坏，而亚高温作用下水化产物的快速生成是强度提高的主要原因[13]。

2.3 弯曲性能

不同亚高温作用后国产ECC荷载-位移曲线如图7所示，弯曲性能曲线如图8所示，弯曲性能参数如表5所示。

图7 不同亚高温作用后国产ECC的荷载-位移曲线

由图7可知：国产ECC荷载-位移线分为线性阶段、多缝开裂阶段与软化阶段。由图7、图8及表5可知：与25 ℃时相比，国产ECC试件经50 ℃亚高温作用后，初裂位移和极限位移各提高了55.42%和7.63%，分别达到了1.29 mm和33.28 mm，弯曲变形能力有所增强，且极限强度提高了6.15%；当亚高温为50～150 ℃时，试件初裂位移、初裂强度与极限强度均呈现随温度的升高逐渐增加的趋势，而极限位移则呈现随温度的升高逐渐减小的趋势。与50 ℃相比，在100 ℃亚高温作用下，试件极限位移由33.28 mm降低至25.87 mm，降低了22.26%，但初裂位移、初裂强度、极限强度分别提高了10.85%、32.71%、5.6%。与50 ℃相比，试件经历150 ℃亚高温作用后，其初裂位移、初裂强度、极限强度达到了1.76 mm、5.81 MPa、7.21 MPa，分别提高了36.43%、80.99%、10.07%，但弯曲韧性出现明显降低，其极限位移从33.28 mm降低至14.74 mm，减少了55.71%；当温度继续提高至200 ℃时，试件的弯曲强度与弯曲位移均有所降低。已有研究表明，PVA纤维在200 ℃左右明显劣化，并在250 ℃后会完全熔化[8,14]。而由图5及图7中可知，在亚高温超过100 ℃后，国产ECC抗变形能力即出现劣化。经亚高温作用后，PVA纤维性能的劣化是国产ECC抗变形能力降低的主要原因。

(a)初裂弯曲性能 (b)极限弯曲性能

表5 国产ECC的弯曲性能参数

2.4 断裂性能

对不含PVA纤维且具有切口的试件进行三点弯曲测试[15]，并通过公式(1)～(3)计算出不同亚高温作用后国产ECC的断裂韧度，如图9和表6所示。由图9和表6可知，国产ECC断裂韧度随温度的提升而逐渐增加。由于粉煤灰用量为胶凝材料总质量的75%，因此国产ECC早期断裂韧度较小。与25 ℃时相比，试件经50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃亚高温作用后的断裂韧度依次为0.167 MPa·m1/2、0.190 MPa·m1/2、0.201 MPa·m1/2、0.206 MPa·m1/2，分别增长了3.08%、17.28%、24.07%、27.16%，每次递增的幅度分别为3.08%、13.77%、5.78%、2.48%。100 ℃的亚高温作用对试件断裂韧度的提升具有显著效果，当温度继续增加时，断裂韧度仍会提高，但增加速率趋于缓慢。

图9 不同亚高温作用后国产ECC的断裂韧度

表6 国产ECC的断裂韧性参数

(1)

(2)

(3)

式中：a0为切口深度(m)；h为高度(m)；t为宽度(m)；Km为断裂韧度(MPa·m1/2)；S为跨距(m)；P为峰值荷载(kN)。

3 结论

(1)经4种不同温度的亚高温作用后，国产ECC早期的抗压强度和断裂韧度均有所增强，并随着温度的升高逐渐增加。

(2)与25 ℃相比，50 ℃的温度有利于国产ECC综合力学性能的提升。经50 ℃亚高温作用后，国产ECC试件的极限应变、极限应力、极限位移和极限强度分别为5.98%、2.53 MPa、33.28 mm、6.55 MPa。

(3)亚高温为50～200 ℃时，国产ECC拉伸应力随温度的提升逐渐增加，但拉伸应变呈现下降趋势。与50 ℃相比，试件在100 ℃、150 ℃、200 ℃的极限应变分别降低了14.04%、54.01%、84.44%。

(4)亚高温为50～150 ℃时，国产ECC在弯曲作用下的初裂应变、初裂应力、极限强度均随温度的升高逐渐增加，而极限位移则随温度的升高逐渐减小；当温度增加至200 ℃时，各项弯曲参数均呈下降趋势。

(5)亚高温在100 ℃以内时，国产ECC具有优异的抗变形能力；亚高温超过100 ℃后，国产ECC早期抗变形能力明显弱化，但强度性能获得显著提升；在不同亚高温作用后，国产ECC仍可保持良好的早期力学性能。