作者简介:付 晔(1988-),女(汉族),山东省菏泽市人,浙江大学硕士研究生. E-mail: fuye321@163.com
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Fu Ye, Li Qinghua, and Xu ShilangCollege of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, P.R.China
building materials; flexural strength; cementitious composites; hybrid fiber; nano-modified; microstructure
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.02187
对6种不同掺量钢纤维和PVA纤维组合的纳米改性水泥基材料(high performance nano-modified cementitious composites, HPNCC)高温后的抗折强度进行试验研究,探讨不同高温(200、400、600和800 ℃)对HPNCC抗折强度、质量损失和微观结构的影响,寻求试验范围内钢纤维与PVA纤维的最佳掺量组合.研究结果表明,经历200 ℃高温1 h后,HPNCC质量损失平均为3.90%,抗折强度略有降低,微观结构没有明显变化; 经历400 ℃高温1 h后,由于HPNCC质量损失大幅增加(平均为15.60%)及内部的PVA纤维融化、毛细孔水分蒸发、孔洞扩张和水泥基基体劣化,其抗折强度急剧下降; 经历600 ℃高温1 h后,HPNCC质量损失减缓,平均为16.89%,PVA纤维完全融化、挥发,抗折强度下降明显; 经历 800 ℃ 高温1 h后,微观结构进一步劣化,最优配比HPNCC的抗折强度保留36.52%.
The influence of micro polyvinyl alcohol(PVA)fibers and steel fibers on fire resistance, microstructures and mass loss of high performance nano-modified cementitious composite(HPNCC)is discussed. Specimens containing two different contents of PVA fibers and three different contents of steel fibers are examined. The specimens are exposed to a series of temperatures(200, 400, 600 and 800 ℃). The fire resistance of mixtures are quantified in terms of the residual mechanical properties(flexural strengths, deflection and stiffness)and mass loss. The microstructure characterization after exposure to fire is examined by scanning electron microscopy. Results indicate that after HPNCC is exposed to 200 ℃ for an hour, average mass loss of HPNCC is 3.90% while there is little change in flexural strength; after 400℃ exposure for an hour, average mass loss of HPNCC sharply reaches 15.60% and flexural strength drops obviously for melting of PVA fibers and degradation of cement matrix; after HPNCC is exposed to 800℃ for an hour, the optimal composition of HPNCC reserve is up to 36.52% of flexural strength.
超高韧性水泥基复合材料(ultrahigh toughness cementitious composites,UHTCC)无论在拉伸,还是弯曲荷载作用下都具有显著的应变硬化特性,其拉应变能力高达混凝土的300倍以上[1].UHTCC中所使用的纤维、基体及纤维/基体的界面性能是根据断裂力学和微观力学设计、调整的,与普通混凝土相比,其内部微观结构得到了改善,抗拉强度、韧性、耐久性和抗冲击等方面性能有极大提高[2-3].在对UHTCC的设计理论、实验室性能测试和应用研究的基础上,国内外已开始将UHTCC用于实际工程中.然而,目前学者们对UHTCC及其构件的力学性能研究绝大多数是针对常温状态的,对UHTCC高温下的力学性能却鲜有报道.良好的耐火性能是保证建筑结构安全服役的前提,为进一步促进UHTCC的广泛应用,需要对其耐火性能进行深入研究.文献[4-5]对UHTCC高温后力学性能的研究表明,粉煤灰掺量的增加有利于抗火性能提高,PVA纤维的掺入可防止UHTCC高温下产生爆裂.田露丹等[6]和高贯鹏等[7]分别对UHTCC高温后的力学性能和抗渗性能进行了研究,结果表明UHTCC高温后的残余力学性能和抗渗性能随温度的变化规律与粉煤灰、矿渣掺量有关,高含量粉煤灰、矿渣有利于UHTCC抗火性能的提高.UHTCC中常用的PVA纤维的熔融温度约为230 ℃,低熔点纤维在高温下熔融挥发后形成孔洞使水泥基材料的力学性能显著下降.有研究表明,低熔点纤维(如PP纤维、PVA纤维等)和高熔点纤维(如钢纤维、碳纤维等)以一定的比例混杂在混凝土(或砂浆)中,不但能防止试件发生爆裂,而且能有效减少水泥基材料在高温下强度的损失[8-10].因此若能在UHTCC中加入高熔点纤维(如钢纤维等),将有利于提高其在高温中的力学性能.
高翔等[11]在UHTCC中加入了纳米胶凝材料,促使胶凝材料充分水化并生成大量的C-S-H凝胶,填充了内部的微观孔隙,从而得到更为密实的微观结构,抗渗性能得以显著提高.为了在提高强度的同时实现水泥基材料的增韧,采用混杂纤维的方式(高熔点纤维-短切钢纤维和低熔点纤维-短切PVA纤维混杂),最终得到的高性能纳米改性水泥基复合材料(high performance nano-modified cementitious composites, HPNCC)有着与UHTCC相似的力学性能,并且其抗压、抗拉强度均高于UHTCC,等效弯曲应变可达到5%以上,具有优异的控制裂缝能力.有国外研究表明,活性纳米粉末的加入也有利于提高水泥基材料的抗火性能[12-14]. 综上分析,HPNCC具有高掺量粉煤灰、高熔点纤维和低熔点纤维混杂、纳米改性等特点,可能具有良好的耐火能力,如能充分利用其力学性能和耐火能力将其应用于耐火复合结构或过火建筑的修复,将是一种节能环保的建筑材料.本文通过试验研究了高温后HPNCC质量损失、微观结构、残余抗折强度的变化规律,为进一步研究HPNCC构件及复合构件抗火性能做准备.
本试验采用普通硅酸盐水泥、精细砂和Ⅰ级粉煤灰等活性矿物细掺料,纳米胶凝材料粉末,聚羧酸盐类高效减水剂,PVA纤维,钢纤维. PVA纤维和钢纤维的性能指标见表1,实物图见图1.
本试验对龄期为28 d的6种不同掺量纤维组合的HPNCC材料进行高温试验.抗折试件为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体,共6组,每组15块,共90块.各组试件编号见表2.
首先将称好的水泥、粉煤灰、精细砂和纳米胶凝材料粉末混合搅拌1~2 min,然后加水搅拌2~4 min,再加入减水剂搅拌3~5 min,此时的砂浆具有良好的流动性和和易性,最后加入PVA纤维和钢纤维继续搅拌直至纤维分散状态良好、无结团,HPNCC搅拌完成.将HPNCC新鲜拌合物浇筑在40 mm×40 mm×160 mm的试模内,然后在震动台上振捣10 s、抹平,盖上保鲜膜.试件成型后24 h拆模,放入温度为(20±2)℃、湿度90%以上的养护室进行标准养护,达到28 d龄期时将试件取出进行试验.
表2 试件编号和常温下抗压强度*
Table 2 Specimens and compressive strength
加热前24 h将试件取出在常温通风条件下自然风干,高温试验仪器为杭州蓝天化物仪器厂生产的可SXF-12-10编程高温炉,炉膛尺寸为500 mm×300 mm×200 mm,最高温度1 000 ℃,温度波动±2 ℃,功率12 kW.本实验采用如下加热制度:以8 ℃/min的速率分别加热到200、400、600和800 ℃后恒温60 min.恒温结束后将试块取出,在室温下冷却至常温进行抗折强度测试.
采用INSRON试验机以0.2 mm/min的速率加载进行抗折强度测试,跨度120 mm,并在试件跨中对称竖直布置两个线性可变动变压器测量跨中位移.加载结束后用镊子取各组试块内部碎片,存于酒精中,进行微观结构观测前放于烘箱内,在105 ℃温度下烘干24 h后用环境扫描电镜观察分析HPNCC在经历高温前后的微观结构变化.
在经历了相同的高温后,不同纤维掺量组合的HPNCC试块表面有着基本相同的形态,如图2所示.经历200 ℃高温1 h后试件表面无裂纹出现,颜色与常温相同,试件断面中的PVA纤维表面变为褐色.经历400 ℃高温1 h后,由于钢纤维与水蒸气和氧气发生化学反应,试件的表面呈红褐色; 钢纤维和基体之间热变形不协调诱发沿钢纤维方向的微裂纹.经历600 ℃高温1 h后,试件表面褐红色消失呈浅灰色,表面裂纹数目明显增多,但裂纹平均宽度没有增大; 将试件从中部切开,截面内部呈黑色.经历800 ℃高温1 h后,试件裂纹数目继续增多,裂纹平均宽度增大,最大裂纹宽度达到1 mm; 将试件切开观察到,由表面至内部2 mm处截面颜色逐渐从白黄色变为黑色.在分别经历200、400和600 ℃高温1 h后,试件均没有明显的收缩现象; 经历800℃高温1 h后,试件表面凹凸不平,收缩明显,长度由160 mm收缩至约155 mm.本次试验的所有试件均无爆裂现象,表面完整无酥碎.
在常温和经历不同高温的抗折试件中取出小的碎块,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)可以清楚地观察到晶体在高温作用下逐渐变化的过程.分析常温下试件的SEM图像发现,如图3(a),其主要成分有硅酸盐水合物(C-S-H)凝胶、无定型和结晶良好的Ca(OH)2、水化和未水化的粉煤灰颗粒.经历200 ℃高温的HPNCC,微观结构没有明显变化,PVA纤维也基本保持完整,如图3(b).经历400 ℃高温的HPNCC中,PVA纤维大部分融化并形成孔洞,残留的PVA纤维大部分内部形成孔洞,表皮损伤明显,如图3(c)、(d)和(e).经历600 ℃高温后,PVA纤维完全融化,由SEM扫描图像中可以观察到PVA纤维融化后所留下的孔洞,如图3(f).经历600和800 ℃高温后,C-S-H凝胶损伤严重,粉煤灰颗粒存在但表面疏松凹凸不平.
图4显示了HPNCC试块经历不同高温后质量损失率随温度变化的关系,从中发现,HPNCC在经历高温后质量显著下降,特别是在经历200和400 ℃高温1 h后,质量下降最明显.在经历200℃高温后,试块质量的损失主要来源于自由水蒸发.经历400 ℃高温后,质量损失主要来源于含水盐类晶体中结晶水的脱离和PVA纤维的挥发.经历600 ℃高温作用后,HPNCC质量损失有所减缓,该阶段盐类晶体结晶水继续脱离.在600~800 ℃高温作用过程中,质量损失来源于部分水化产物分解.
图5显示了HPNCC试块经历高温后抗折强度随温度变化的关系,从中可见,随着温度的升高,不同纤维掺量组合的HPNCC抗折强度有相似的下降趋势.经历200 ℃高温后,HPNCC的抗折强度与常温状态下相比略有下降; 温度在200~400 ℃时,抗折强度下降最显著,平均残余抗折强度百分比约为45%; 温度在400~600 ℃时抗折强度下降平缓; 经历600 ℃高温后,平均残余抗折强度百分比约为40%; 温度在600~800 ℃时,抗折强度下降速率与400~600 ℃之间基本相同; 经历800 ℃高温后,平均残余抗折强度百分比约为35%. 本次试验的6种不同纤维掺量组合的试件中,T24在常温下的抗折强度最高,但其在800 ℃高温作用后强度仅为常温时的17.67%; 而T50在经历800 ℃高温1 h后强度下降至36.52%,下降幅度最小.图6显示了T20编号的HPNCC试件经历不同高温后抗折强度-跨中位移关系曲线,由中可见,HPNCC在常温下具有明显的变形-硬化性能,而在高温作用下这一性能逐渐丧失.但对于经历不同高温作用的HPNCC试件,在达到应力峰值后都没有出现骤降, 下降段平缓, 且出现了多缝开裂现象.
HPNCC试件经历200 ℃高温后,抗折强度基本不变; 温度高于200 ℃后试件抗折强度下降显著.温度较低时,试件中的吸附水和自由水蒸发逸出,与此同时未水化粉煤灰和水泥在继续水化,活性纳米材料与水化产物Ca(OH)2发生反应,试件中的水化物增多使之更加密实,表现为抗折强度几乎没有下降.当温度高于200 ℃时,PVA纤维逐渐熔融分解; 温度高于400 ℃时PVA纤维大部分分解、挥发,留下孔洞成为缺陷,残余PVA纤维损伤严重,桥接作用消失; 钢纤维表面受到损伤,和基体之间的黏结性能下降.经历高温后水化物晶体不断失水收缩,水化物之间的结合变得疏松,晶体结构受到破坏,导致基体强度明显下降.由于在高温过程中钢纤维、砂粒、水泥基体热膨胀不协调,在自然冷却时钢纤维和砂粒、水泥基体的传热系数不同、收缩量不同,导致微观结构进一步劣化.宏观表现为经历400 ℃高温后试件表面出现微裂缝,经历800 ℃高温后试件收缩明显.温度持续升高导致凝胶体逐渐分解,基体与钢纤维之间的黏结力逐渐丧失但没有完全消失,表现为抗折强度下降,应力-跨中位移曲线没有骤降,下降段平缓.
综上研究可知:
1)HPNCC试块在经历高温后的质量损失随着温度的升高而增大,200~400 ℃之间随着水分的蒸发、PVA纤维的熔融挥发,质量损失最为明显; 温度高于400℃后质量损失减缓.
2)PVA纤维熔融点为230 ℃,经历400 ℃高温后PVA纤维基本消失,残余的PVA纤维损伤严重, PVA纤维挥发后留下孔洞,减少了水蒸气在内部聚集形成的高压,HPNCC试件皆无爆裂现象.钢纤维在高温作用下表面发生化学反应,强度和与水泥基的结都有所降低,但没有完全消失,钢纤维的桥接作用使HPNCC经历试验中所有高温作用后应力-跨中位移曲线都没有骤降.
3)经历200 ℃高温后,HPNCC抗折强度下降不明显,温度高于200 ℃时,HPNCC抗折强度显著降低,PVA纤维在高温下的挥发和胶凝材料高温下的损伤是其主要原因,经历400 ℃高温后HPNCC抗折强度平均降低约55%,经历800 ℃高温后HPNCC抗折强度平均降低约65%.经历800 ℃高温后,抗折强度下降百分比最小的是T50(PVA纤维体积分数为2.5%,钢纤维质量分数为1.0%),残余抗折强度最高的为T54(PVA纤维体积分数为2.5%,钢纤维质量分数为1.4%).
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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