高溫對超高韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

高溫對超高韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

作為一種新型的水泥基材料，它在當(dāng)今的項目中具有良好的應(yīng)用前景。纖維摻量約占體積2%左右的UHTCC具有較高的韌性和分散裂縫的能力,其宏觀極限拉應(yīng)變在3%-5%,當(dāng)拉應(yīng)變超過1%時,裂縫寬度會穩(wěn)定在60μm左右,且表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)開裂的特征。這使得UHTCC具有超高的韌性、優(yōu)異的裂縫寬度控制能力、低滲透性和良好的耐久性等特點(diǎn),UHTCC的使用會使結(jié)構(gòu)更加安全、耐久和經(jīng)濟(jì)。而粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集粒效應(yīng),對增加漿體的和易性,改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和混凝土的抗腐蝕能力,都具有顯著作用。近年來我國每年發(fā)生的建筑火災(zāi)數(shù)萬起,損失慘重。高溫會使UHTCC材料基體和其內(nèi)的纖維發(fā)生變化,導(dǎo)致其力學(xué)性能劣化。可見,進(jìn)行抗火研究有重要意義。本文主要通過對比不同粉煤灰含量的試塊在各階段高溫處理后的質(zhì)量損失和力學(xué)性能,探究粉煤灰和溫度對于UHTCC的影響,進(jìn)而得出UHTCC在高溫后耐火性能。1高溫后試塊抗折性能的測量試驗主要是對兩種粉煤灰含量的試塊進(jìn)行7個不同溫度的處理,觀察試塊高溫后變化,進(jìn)行UHTCC試塊高溫前后的質(zhì)量損失的測量和高溫后試塊的抗折性能的測試。1.1試驗材料和配合UHTCC試塊的配合比見表1。其中UHTCC1中粉煤灰含量為60%,UHTCC2中粉煤灰含量為80%。1.2試塊的養(yǎng)護(hù)與高溫實驗UHTCC試塊的尺寸為40mm×40mm×160mm。試塊制作完成后,在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行28天的養(yǎng)護(hù),之后從養(yǎng)護(hù)室移至通風(fēng)干燥環(huán)境靜置一個月,使其自由水分得到充分揮發(fā),再稱取其質(zhì)量并進(jìn)行高溫實驗。2試驗單元在高溫下的觀察和質(zhì)量損失2.1試塊的溫度按200℃、1000℃、2000℃、3000℃、4000℃、6000℃、8000℃等7個不同溫度進(jìn)行的處理,各試塊溫度見表2。在將試塊放入電阻爐前先用電子秤稱量試件質(zhì)量,然后放置到電阻爐中升溫到目標(biāo)溫度,再恒溫3個小時,以使得試件內(nèi)外溫度基本一致;完成高溫處理后打開爐門,將試塊取出,放置通風(fēng)干燥環(huán)境,待其自然冷卻。2.2高溫下試塊的斷面及抗折試驗觀察試塊UHTCC1發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,試塊的顏色逐漸變淺,并在600℃以上呈現(xiàn)出粉白色。試塊表面隨著溫度的升高也發(fā)生了變化:100℃及200℃并沒有出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象;400℃至600℃表面尤其是棱角處出現(xiàn)剝落;800℃試塊出現(xiàn)較大的缺角,并且部分試塊表面出現(xiàn)微小裂縫。但試塊在高溫下沒有出現(xiàn)類似于混凝土試塊的較大的裂縫和爆裂,這是由于在高溫下,PVA纖維(聚乙烯醇纖維)熔化并留下許多通道,使得水蒸氣及時排除,避免由于內(nèi)部壓力增大而導(dǎo)致的爆裂。但隨溫度升高,試塊表面的硬度下降,表現(xiàn)出一定的疏松。將高溫后的試塊進(jìn)行抗折試驗,并將未斷裂的試塊人為從裂縫處斷為兩段,用以觀察高溫后試塊斷面及基體內(nèi)部的情況。圖1給出了7個溫度下的試塊UHTCC1的斷面情形,在200℃以下,斷面上可以看到有PVA纖維呈散亂分布,常溫同100℃下斷面情形相似,而200℃斷面上纖維數(shù)量有所減少,纖維呈現(xiàn)棕黃色;而300℃以上,斷面上均未發(fā)現(xiàn)有PVA纖維,且在600℃及800℃的試塊斷面周邊靠近試塊外表面的部分,分別有2~3mm以及4~6mm厚的淺層,質(zhì)地疏松,內(nèi)部顏色變深,基體內(nèi)部的空隙變大,形成聯(lián)通的孔。由此可以判斷出,PVA的熔點(diǎn)大約在200℃和300℃之間,這同材料說明中給出的PVA熔點(diǎn)(PVA軟化點(diǎn)約在216℃)較吻合;600℃及以上的溫度的試塊表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),基體水化產(chǎn)物分解,因而出現(xiàn)顏色差異。觀察試塊UHTCC2,其各溫度下試塊與UHTCC1相似,宏觀上觀察并沒有較大的區(qū)別,故在此不再贅述。2.3uhtcc2試塊的質(zhì)量損失率曲線在試塊高溫前后,分別按溫度分組稱取的質(zhì)量,并將平均值記錄如表3,質(zhì)量損失率見圖2。以UHTCC1為例,隨著處理溫度的增加,質(zhì)量損失增大。質(zhì)量損失主要來源于氫氧化鈣和其它形式的水泥水化產(chǎn)物中的自由水的蒸發(fā)。在200℃時,試塊的質(zhì)量損失率達(dá)5.46%,200℃以下質(zhì)量損失幾乎全部為自由水蒸發(fā)所導(dǎo)致;200℃到400℃之間,試塊的質(zhì)量損失達(dá)7.47%,該溫度下的質(zhì)量損失除了由自由水的蒸發(fā)所引起之外,PVA纖維的熔化揮發(fā)也會導(dǎo)致一定的質(zhì)量損失,但其在總損失中所占比重較小;400℃到600℃之間,損失主要為結(jié)晶鹽脫水;在600℃以上的高溫下,水化產(chǎn)物分解,800℃時質(zhì)量損失達(dá)16.16%。從圖2還可以看出,UHTCC2試塊的質(zhì)量損失率曲線在UHTCC1之上,變化基本與之一致。這說明粉煤灰增加會使質(zhì)量損失率產(chǎn)生小幅度的減少,有利于減少高溫下的質(zhì)量損失。其中800℃時UHTCC2試塊的質(zhì)量損失為14.23%,相對于該溫度下UHTCC1試塊下降了1.93%。3抗骨折試驗3.1測試方法抗折試驗主要以不同的溫度及粉煤灰含量為變量,測試各試塊的抗折性能,判斷高溫及粉煤灰含量對UHTCC試塊力學(xué)性能的影響。3.2uhtcc1的抗折強(qiáng)度表4和圖3記錄了UHTCC1、UHTCC2兩種配合比試塊的抗折強(qiáng)度,圖4為兩種配合比試塊高溫后抗折強(qiáng)度殘余率。隨著溫度的升高,試塊的抗折性能總體呈現(xiàn)下降的趨勢,但是在100℃時,試塊的抗折強(qiáng)度有所提升,高于常溫下的抗折強(qiáng)度,UHTCC1和UHTCC2兩組試塊在100℃溫度處理后抗折強(qiáng)度的提升率分別為5.9%和9.2%;200℃到300℃之間,試塊的抗折強(qiáng)度下降較快;600℃之后,試塊的抗折強(qiáng)度繼續(xù)下降,但相較于400℃之前下降速度較緩;800℃時兩組試塊相較于常溫下抗折強(qiáng)度損失率分別為77.7%和71.8%。在100℃時,兩種配合比的UHTCC試塊抗折強(qiáng)度相較于常溫下都略有提升,升高率分別為5.9%和9.2%,這種加熱處理后抗折強(qiáng)度不減反增的現(xiàn)象,可以解釋為溫度的升高促進(jìn)了未水化顆粒的水化作用。毛細(xì)通道的堵塞使得高粉煤灰含量UHTCC的水化過程在兩周之后明顯變得緩慢,而未水化粉煤灰微粒中含有游離氧化鈣,當(dāng)溫度升高時游離氧化鈣的水化作用反應(yīng)更加劇烈,這種高溫促進(jìn)未水化顆粒的水化過程,在一定程度上使得經(jīng)100℃溫度處理后試塊的抗折強(qiáng)度略有提升。這也使得200℃時兩種試塊抗折強(qiáng)度的減損率相對較小。200℃以下可以觀察到斷面存在未融化的纖維,試塊抗折強(qiáng)度的降低并非由于PVA的熔化引起,可能的原因是纖維和基體的橋接力削弱或是纖維本身的抗拉強(qiáng)度的降低。粉煤灰的摻入雖降低了試塊的抗折強(qiáng)度,但由于其“滾珠潤滑”作用,,提高了水泥漿體的流動性能,使得基體更加均勻,基體結(jié)構(gòu)差異相對減小。粉煤灰珠型顆粒的堆積增強(qiáng)了基體與纖維之間的摩擦力,削弱了由于橋接力下降引起的抗折強(qiáng)度的損失,在纖維尚未熔化的溫度區(qū)段,含較高粉煤灰的試塊表現(xiàn)出較低的抗折強(qiáng)度損失;因此,在200℃時,UHTCC1的抗折強(qiáng)度下降率為7.5%,而粉煤灰含量相對較多的UNTCC2抗折強(qiáng)度僅下降了2.7%?？梢哉f,在200℃以下,UHTCC2具有可靠的抗折強(qiáng)度和較高的耐火性。200℃到400℃之間,兩種配合比的試塊都有較大幅度的抗折強(qiáng)度的損失,400℃時損失率分別達(dá)到47.8%和39.6%。伴隨著內(nèi)部結(jié)合水的蒸發(fā)和PVA的熔化揮發(fā),基體內(nèi)部產(chǎn)生了較多的空隙,水蒸氣在空隙的聚集使得壓力隨溫度升高而變大,導(dǎo)致一些微小裂紋。裂紋和空隙以及PVA的消失是這個階段抗折強(qiáng)度驟降的主要原因;另一方面,空隙的出現(xiàn)還導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,削弱了界面過渡區(qū),也會使試塊的抗折強(qiáng)度降低。400℃到600℃之間,PVA已經(jīng)揮發(fā)盡,隨著溫度的升高,內(nèi)部的空隙聯(lián)通變大,微裂紋也隨之增加,基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞,抗折強(qiáng)度繼續(xù)下降,但下降有所減緩;溫度達(dá)600℃時,UHTCC2試塊抗折強(qiáng)度的損失率為54.2%,要低于粉煤灰含量少UHTCC1試塊的62.7%,該現(xiàn)象的原因如下:400℃到600℃之間,一部分已經(jīng)分解了的氫氧化鈣再次發(fā)生水化,其水化產(chǎn)物的體積增加,導(dǎo)致基體中產(chǎn)生更多的微裂紋,而粉煤灰的火山灰效應(yīng)可反應(yīng)一部分再水化的氫氧化鈣,這有效地阻止了微裂紋的發(fā)展,增強(qiáng)了基體結(jié)構(gòu),避免抗折強(qiáng)度的下降。600℃以上,水化產(chǎn)物在高溫下分解,導(dǎo)致基體質(zhì)量的損失,且抗折強(qiáng)度有所下降。800℃時UHTCC1和UHTCC2的抗折強(qiáng)度殘余率分別為22.3%和28.2%。水泥含量較多的試塊中,空隙更加密集,空隙中的水蒸氣壓力更大,因而產(chǎn)生裂縫或剝落的可能性也更大,故UHTCC1更低一些。4高溫后質(zhì)量損失率的變化UHTCC試塊在高溫下,由于內(nèi)部有PVA纖維熔化留下空隙,可及時排除水蒸氣,不會發(fā)生爆裂,但隨溫度的升高,表面剝落加劇,表面顏色逐漸變淺;PVA纖維在200℃—300℃之間基本消失,600℃以上由于基體成分分解,疏散性加劇。高溫后質(zhì)量損失主要由水化產(chǎn)物中自由水的蒸發(fā)引起,