玄武岩-聚乙烯醇纤维水泥基材料的高温性能

沈思正, 庄金平, 王浩, 鲁聪, 杨宇, 朱小杰

(1.东南大学 土木工程学院,江苏 南京 210096; 2.福建理工大学 土木工程学院,福建 福州 350118)

工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC),是一种主要由聚乙烯醇(polyvinyl alcoho,PVA)纤维制得的超高延性水泥基复合材料,可通过基于微观力学的设计理念表现出多裂缝开展的特性,即应变硬化特性[1]。研究人员通过对组成材料的合理调配,制得的ECC极限拉应变可达3%～10%,同时抗压强度可达40～200 MPa[2]。应变硬化特性使得ECC在变形耗能、抵御侵蚀、裂缝控制等方面均优于普通混凝土。目前,ECC因其优异的性能而被运用到路桥、构件加固、翻新修补等领域[3-9]。在高温或火灾环境下,ECC可靠的力学性能及服役能力同样非常重要[10-11]。而PVA纤维的融点较低,因此其对ECC高温后力学性能带来的隐患引起了一些学者的关注。PVA-ECC的孔隙率在400 ℃后因PVA纤维的融化而显著增加,抗压强度在800 ℃后降至常温下的34%,同时PVA纤维融化后留下的孔道缓解了材料内部的水汽压力,防止了高温爆裂现象的产生[12-13]。PVA纤维及界面的性质在200 ℃后出现恶化,PVA-ECC的极限拉应变较常温下降低了一个数量级,应变硬化特性在400 ℃后直接丧失,同时抗拉初裂强度降至常温下的40%[14]。PVA-ECC在高温后的抗压与抗拉性能出现明显恶化,且与PVA纤维的融化紧密相关。因此,使用耐高温纤维替换部分PVA纤维,以此获得的混杂纤维体系不仅有望改善ECC高温后力学性能,同时也能防止高温爆裂[15]。

玄武岩纤维是由天然玄武岩制成的一种绿色无机纤维,具有突出的力学性能和高温稳定性。因此,使用玄武岩纤维替换部分PVA纤维,以此制得的玄武岩-PVA混杂纤维ECC有望改善传统ECC在高温后的力学性能。替换掺入玄武岩纤维会使混杂纤维ECC在常温下的抗压强度增加[16-18]。常温下的研究虽然已初步证实了玄武岩-PVA混杂纤维ECC的可行性,但需进一步研究关于高温后力学性能。

为了改善传统ECC在高温后的力学性能,本文以玄武岩-PVA混杂纤维ECC在高温后的力学性能为主要研究对象,并以玄武岩纤维替换掺量为主要研究参数。通过抗压与抗拉试验探讨高温后的力学性能演化,利用纤维断裂空间探讨抗拉延性的变化机理,并使用扫描电子显微镜观察与探讨材料内部微观特性的变化。

1 配合比及试验设计

1.1 原材料及配合比设计

试验主要材料为52.5型普通硅酸盐水泥、Ⅰ级低钙粉煤灰、细度模数为100～200目(75～150 μm)的细石英砂、普通自来水、聚羧酸高效减水剂、K-II REC15型PVA纤维、101Y5型玄武岩纤维。各纤维形态如图1所示,纤维长度12 mm,其余参数如表1所示。

表1 各纤维的物理及力学相关参数

图1 各纤维形态

配合比设计参考Lepech等[19]研发的M45型ECC。所有配合比的水胶比为0.25、砂胶比为0.36,减水剂用量为胶凝材料用量的1.5%,以此来保证水泥基浆体具有足够流动性的同时不引起离析。总的纤维掺量为1.8%(掺量均用体积率表示),玄武岩纤维的替换掺量分别为:0、0.6%、0.9%、1.2%。具体配合比如表2所示,试件编号中的P、B分别表示PVA和玄武岩纤维,其后的数字表示对应的掺量。其中P1.8为基准组。

表2 配合比设计

各试件使用JJ-5型搅拌机制备。合理的搅拌方式有助于纤维的均匀分布,以及试验数据的离散性控制[20]。具体的搅拌顺序如图2所示[21]。倒入模具中的浆体均被振捣1 min左右,接着在常温下静置24 h后脱模。所有试件均养护28 d,养护温度为22±1 ℃,养护湿度不小于95%。

图2 搅拌步骤

1.2 高温处理

本文考虑23(常温)、200、400、600、800 ℃共5个温度参数。试件加热时使用的分体箱式电火炉,升温速率为15 ℃/min。所有加热温度均持续3 h以保证试件内外温度均匀。然后所有试件均静置至常温,并进行后续的力学性能试验。

1.3 试件设计及试验方法

1.3.1 抗压试验

抗压应力应变曲线通过直径、高度分别为50、100 mm的圆柱体试件获得[22],实验装置如图3所示。在峰值前,试件的变形通过两侧应变片测得数据的均值求得,在峰值后应变片往往被破坏,此时试件变形通过两侧位移计测得。试验的位移加载速率为0.3 mm/min。

图3 抗压试验加载装置

1.3.2 抗拉试验

抗拉应力应变曲线通过图4所示的“狗骨型”试件获得,实验装置如图5所示[22]。试验机器两端张拉时会对试件夹持端施加拉应力。由于标距段的横截面面积相较于夹持端变小,因此夹持端所受的拉应力在传递至标距段时会被放大,使得裂缝主要集中在标距段内形成。试件变形通过固定在标距段两侧的位移计测得。试验的位移加载速率为0.3 mm/min。

图4 狗骨型试件几何尺寸

图5 抗拉试验加载装置

2 高温后的力学性能及微观机理

2.1 抗压性能

2.1.1 抗压应力应变曲线

在常温下和高温后,混杂纤维ECC抗压应力应变曲线如图6所示。

图6 常温下和高温后混杂纤维ECC的抗压应力应变曲线

总体而言,玄武岩纤维会使曲线的位置左移,峰值升高,变化形式与抗压强度、弹性模量直接相关。

2.1.2 抗压力学参数分析

常温下和高温后,混杂纤维ECC的抗压强度和弹性模量的试验数据变化规律如图7、8所示。总体而言,抗压强度和弹性模量在200 ℃后均有提高,在温度大于等于400 ℃时表现出持续下降的趋势。由图8可知,抗压强度在常温下会随替换掺量的增加而增加,在替换掺量为1.2%时增至47.86 MPa,相较于P1.8增加了35.39%。因为玄武岩纤维与水泥的组成成分相似[23],因此替换掺量的增加意味着玄武岩纤维可以在基体内形成更牢固的网络结构[24],从而提高抗压强度。200 ℃后,玄武岩纤维仍然可以提高抗压强度,但其掺量的影响不明显。这可能是因为此时PVA纤维的性能恶化,影响了纤维总体的桥连能力[25];400 ℃后,抗压强度会因为掺入玄武岩纤维出现明显提高,且在替换掺量为0.9%时增至最大值41.54 MPa。这是因为此时替换掺入玄武岩纤维可以减少PVA纤维融化生成的孔隙;600 ℃后,水泥基体中提供强度的水化产物开始分解[26],抗压强度在替换掺量为0.9%时增至最大值24.60 MPa;800 ℃后,玄武岩纤维仍然可以提高抗压强度,而此时水泥基体中的水化产物、孔隙已经发生剧烈变化[27],导致替换掺量的影响不明显。综上,玄武岩纤维可以提高混杂纤维ECC在常温下和高温后的抗压强度,且最优替换掺量为0.9%。

图8 常温下和高温后混杂纤维ECC弹性模量的变化规律

由图8可知,玄武岩纤维可以提高常温下和200 ℃后的弹性模量。这是因为玄武岩纤维的弹性模量大于PVA纤维,使其在替换掺入时可以提高试件的整体刚度;400 ℃和600 ℃后,弹性模量随替换掺量增加而增加,且在替换掺量为0.9%时分别增至19.97 GPa和7.72 GPa,相较于P1.8分别提升284.78%和101.83%。此时玄武岩纤维可以减少PVA纤维融化产生的孔隙,并且填充在基体内部,从而提高弹性模量;800 ℃后,玄武岩纤维同样可以提高弹性模量,但替换掺量增加带来的影响并不显著。这同样可能是水化产物分解、孔隙发生剧烈改变而导致的。综上,玄武岩纤维可以提高混杂纤维ECC在高温后和常温下的弹性模量,且最优替换掺量同样为0.9%。

2.2 抗拉性能

2.2.1 抗拉应力应变曲线

常温下和高温后,混杂纤维ECC的抗拉应力应变曲线如图9所示。常温下,P1.8的曲线为典型的ECC受拉应力应变曲线。在拉应力增至试件的第1条裂缝出现时,曲线在轻微下降后继续上升,并接着表现出连续的波动。由于能量和强度准则被满足[2],使得纤维能在裂缝扩展时保持对桥连裂缝的贡献,更多的裂缝也得以在后续加载过程中相继生成。这种多裂缝开展的特性也称为应变硬化特性[2]。

图9 常温下和高温后混杂纤维ECC的抗拉应力应变曲线

当替换掺入玄武岩纤维时,曲线应变硬化特性消失,但会出现2次峰值。200 ℃后,P1.8曲线的应变硬化特性也消失,且同样会出现2次峰值;400、600和800 ℃后,所有曲线在拉应力达到峰值后直接下降,表现出脆性破坏的性质。

上述抗拉应力应变曲线可以归类为图10中所示的A、B、C共3种形式。曲线中可以提取出3个主要参数对抗拉力学性能进行表征。σf表示抗拉初裂强度,即试件初次开裂所需施加的拉应力,其值与基体性质密切相关;σu表示极限抗拉强度,即裂缝面处桥连纤维所能承受的最大拉应力,其值与纤维和界面的性质相关;εu表示极限拉应变,即拉应力达到σu时试件的总应变。虽然σ′u和ε′u的含义与σu、εu并不完全相同,但它们同样可以表征纤维桥连时的极限状态,因此将它们统称为极限抗拉强度σu和极限拉应变εu。

图10 抗拉力学参数的取值

2.2.2 抗拉力学参数分析

常温下和高温后,混杂纤维ECC的抗拉初裂强度σf实验数据的变化规律如图11所示。常温下,σf在替换掺量为0.9%时增至5.70 MPa,相较于P1.8提高了27.52%;200 ℃后,玄武岩纤维会使σf出现下降;400 ℃和600 ℃后,PVA纤维的融化和水化产物的分解使基体内部出现微裂缝[26],替换掺量的提高意味着更多玄武岩纤维可以桥连这些微裂缝。此时,σf在替换掺量为0.9%时分别增至最大值4.85和3.13 MPa,相较于P1.8分别提高了60.60%和114.38%;800 ℃后,基体内部的孔隙剧烈变化[27],此时玄武岩纤维虽然仍可以提高σf,但其替换掺量的影响不明显。总体而言,替换掺入玄武岩纤维可以提高混杂纤维ECC高温后的抗拉初裂强度,最优掺量同样为0.9%。

图11 常温下和高温后混杂纤维ECC抗拉初裂强度的变化规律

常温下和200 ℃后,混杂纤维ECC的极限抗拉强度σu及极限拉应变εu实验数据的变化规律如图12所示。常温下,σu和εu在替换掺量增至1.2%时持续降至2.87 MPa和0.12%,相较于P1.8分别降低了48.01%和93.22%。200 ℃后,σu在替换掺量增至1.2%时连续降低至1.59 MPa,而εu在替换掺量为0.9%时增至0.173%,相较于P1.8提高了84.38%。总体而言,玄武岩纤维虽然会给σu和εu带来消极影响,但会使εu在200 ℃后出现提高。

图12 混杂纤维ECC极限抗拉强度和极限拉应变的变化规律

上述试验结果表明,玄武岩纤维能有效提升混杂纤维ECC在常温下和高温后的抗压强度、抗拉初裂强度、极限拉应变及弹性模量。但其会对常温下的受拉延性产生消极影响,同时也无法使混杂纤维ECC在高温后继续保有应变硬化特性。在相关的研究中也出现了相似的延性降低的现象[16-17]。本文使用纤维断裂空间的概念对常温下及高温后混杂纤维ECC延性退化的相关机理展开讨论,同时通过SEM观测分析混杂纤维ECC在高温后各强度出现总体提升的现象。

3 力学性能机理分析

3.1 基于纤维断裂空间的抗拉延性分析

玄武岩纤维对延性带来消极影响的根源在于玄武岩纤维与PVA纤维在桥连裂缝时的性能差异。相关机理可以利用纤维断裂空间进行讨论。

(1)

(2)

表3 纤维参数

表4 界面参数

图13 纤维断裂空间

3.2 电子扫描显微镜观测与分析

常温下和高温后,混杂纤维ECC抗拉试件断裂面的电子扫描显微镜观测结果如图14和图15所示。在常温下,玄武岩纤维与PVA纤维表面均有细小的水泥颗粒附着,意味着界面存在相当的化学粘结能和摩擦应力,纤维也能因此有效传递裂缝之间的应力;在400 ℃后,PVA纤维融化并在基体内部留下孔道,成为混杂纤维ECC抗压与抗拉初裂强度降低的主要原因;在600 ℃和800 ℃后,基体内部由于水化产物的分解出现许多微裂缝,这也导致抗压与抗拉初裂强度总体显著降低,此时玄武岩纤维依然在基体内部并且传递微裂缝之间的应力,从而提高混杂纤维ECC在高温后的抗压与抗拉初裂强度。

图14 常温下混杂纤维ECC试件断裂面的电子扫描显微镜观测图

图15 高温后混杂纤维ECC试件断裂面的电子扫描显微镜观测图

4 结 论

1)替换掺入玄武岩纤维可以提高混杂纤维ECC在常温下和高温后的抗压强度和弹性模量。其中最优替换掺量为0.9%,此时抗压强度和弹性模量总体提升显著。

2)在温度大于等于400 ℃时,替换掺入玄武岩纤维能够提高混杂纤维ECC的抗拉初裂强度。最优替换掺量为0.9%,此时不仅会使抗拉初裂强度总体提高,还会使200 ℃后的极限拉应变显著提高。

3)在混杂纤维ECC试件受拉时,玄武岩纤维因其脆性的本质往往过早地在脱粘阶段发生断裂。该特性使得玄武岩纤维对常温下及高温后的受拉延性产生消极影响。电子扫描显微镜观测结果表明玄武岩纤维会在高温后继续填充在基体内部,传递微裂缝之间的应力,从而提高抗压与抗拉初裂强度。