纤维增韧水泥基复合材料耐火性能研究进展

纤维增韧水泥基复合材料耐火性能研究进展

0ecc材料在高温下的经济性能加利福尼亚州的密歇根大学和密歇根大学的乔治卡隆纳汉首次提出了基于断裂力学和微观力学原理的材料微观结构的有意识设计和调整。此外，该配合物在室温下具有优异的耐荫性，如高耐水性、缝宽能适应性、低渗性和良好的耐用性。鉴于ECC材料优越的性能,该材料在美国、欧洲和日本的工程应用方面进展很快,先后成功地应用到了许多实际工程中。随着ECC的日益广泛应用,由于ECC中含有PVA纤维和比普通混凝土更多的粉煤灰,PVA纤维在高温下会熔融,因此,其在火灾下的耐火性能是亟需研究的课题。近几年来国内外的研究学者对其高温后的性能进行了初步的研究,研究成果表明ECC在高温后的性能有不同于普通混凝土的特点,同时在如何提高ECC的耐火性能方面也进行了研究与探索,取得了一些成果。本文对国内外ECC耐火性能的研究现状进行了回顾,并根据现有的研究现状对ECC的进一步研究提出了展望,为ECC结构的抗火设计和进一步研究提供参考。1在高温下，pa纤维增强水泥基材料的物理和化学性质有所增加1.1水化物高温分解机理及演化机理硬化后的水泥基复合材料是一种具有多相(气相、液相和固相)和多尺度(微观、细观和宏观)的复杂结构体。材料复杂的宏观行为反映了微观结构复杂性及相互作用,材料宏观堆聚、微观多孔等结构特征与其宏观力学行为和耐久性有着密切的关系,因此,微观尺度结构形貌、细观层次的力学行为和宏观唯象对于研究水泥基复合材料的复杂行为十分重要。高温引起水化物分解和自由水迁移,使得空隙粗化和胶结性能下降,最后导致水泥基复合材料物理力学性能劣化,并引起材料结构损伤。因此,需要研究水化物高温分解及其诱发孔隙粗化的演化机理。MustafaSahmaran采用压汞法对常温下和高温后ECC的孔隙率和平均孔隙直径进行了试验研究,研究结果见表1。从表1可以看出,随着温度的升高,ECC材料在高温后,总的孔隙率增加并产生了孔隙粗化的现象,这是ECC强度和弹性模量降低的主要原因,根据Rostasy的研究,直径大于0.1μm的孔是影响混凝土强度的主要原因。压汞法试验结果表明当经受400℃及以下的温度时,直径大于0.1μm的孔的体积含量是比常温下降低的,这可能是未水化的水泥颗粒进一步水化,未水化的粉煤灰颗粒与石灰石发生反应生成水化硅酸钙并存在孔隙中,在此温度范围内,ECC的孔隙粗化不明显。1.2聚丙烯纤维与pva纤维MustafaSahmaran的研究表明:仅在没有掺入PVA纤维的试件中观察到了爆裂和表面开裂,而掺入PVA纤维的试件并没有发生爆裂的现象。根据混凝土研究结果,在混凝土中掺入聚丙烯纤维可以有效地防止混凝土高温爆裂的发生,提高残余强度。ECC中的PVA纤维起着与聚丙烯纤维类似的作用,它们也可以融化,并且形成可以让水蒸汽转移的通道,从而避免内部压力的形成也防止了爆裂的产生。MustafaSahmaran认为,由于PVA纤维在大约230℃的温度下融化,PVA纤维融化后在ECC内部产生了大量的细孔和通道,因此水蒸汽能够被快速排向外界,避免了爆裂的发生。1.3ecc质量损失率ECC试块在受高温后,质量将显著下降。前200℃的质量损失速度最快,200℃~400℃的质量损失速度略低于前200℃但高于其他温度段,400℃~600℃的质量损失速度小。600℃后质量损失速度又开始增加。这是由于前200℃试块质量的损失主要是自由水的蒸发,200℃~400℃为ECC成分中含水盐类中结晶水的脱离过程,且PVA纤维在该阶段完成了熔融并挥发,400℃~600℃对质量损失率的影响较小,该阶段仍为含结晶水盐类的脱水过程,600℃~800℃为部分水化产物的分解过程。田露丹还研究不同粉煤灰掺量、砂胶比、水胶比和矿渣含量与高温后质量损失率的关系,受热温度从0至800℃。ECC质量损失率的范围在13%~15.8%。粉煤灰含量增加20%,质量损失率降低了28%,降幅达17.7%。这表明:粉煤灰含量的增加对于减小由于高温造成的质量损失是有利的。增加砂胶比对于减小由于高温造成的质量损失效果显著,这是由于石英砂具备较好的热稳定性,800℃不会发生分解。增加水胶比对于试块高温后质量损失率的增大是显著的。分析主要是由于低水胶比的ECC密实度相对较差,孔隙率高,在相同条件下所吸收的自由水量较多,因而在0℃~200℃的质量损失较大。而对于矿渣ECC而言,随着矿渣含量的增加,高温后质量损失牢之问的差异不显著。2在高温下，pa纤维增强水泥基材料的强度和性能2.1ecc3高温下残余弹性模量和力学性能的变化根据国内外学者的试验研究,高温后ECC残余抗压强度的衰减是不可避免的。ECC高温冷却后的残余抗压强度是一项重要的力学性能指标,它对高温(火灾)后混凝土结构的损伤评估及鉴定加固具有重要意义。根据国内外学者的研究,自然冷却后ECC的残余抗压强度的情况如图1所示。(1)在20℃~200℃时,ECC残余抗压强度和弹性模量下降幅度大约在15%,强度和弹性模量的降低可能是由于ECC受热内部产生了细小的裂纹。(2)在200℃~400℃时,国内外的研究结果并不相同。MustafaSahmaran的研究表明ECC残余抗压强度基本没有降低。这是由于PVA纤维受热融化,在ECC基体内部新产生了孔隙和通道,PVA纤维不仅能够在常温下使得ECC具有良好的韧性,而且受热融化产生的孔隙和通道能够防止爆裂现象的产生。在200℃和400℃之间抗压强度没有降低的另外一个原因就是尽管总的孔隙率增加了,但是ECC基体的平均孔隙直径却基本没有变化。在此温度范围内,ECC残余弹性模量降低得非常明显,在400℃时,ECC的残余弹性模量降低了大约44%。这是由于400℃时,ECC孔隙率的增加使得抗压强度缺乏对微裂纹和水分流失的敏感性。田露丹的研究则表明,在此温度内ECC的抗压强度继续降低,在400℃时,ECC的残余抗压强度降低了大约20.27%。根据田露丹对试验的描述,抗折试块采用尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体,抗压试验采用抗折破坏后的残余部分。在进行棱柱体的抗折试验时,棱柱体受到力的作用,对后续的抗压强度试验结果是否有影响还有待研究。(3)在400℃~600℃以及600℃~800℃时,残余抗压强度和弹性模量有了明显的下降。在600℃和800℃时,残余抗压强度分别大约降低了47%和76%,弹性模量分别大约降低了65%和78%。微观结构的分析表明,600℃时力学性能急剧降低主要是由于物理变化(孔隙率、平均孔隙直径和裂缝密度的增加)造成的。800℃时砂浆基体在高温下稳定性将变差,部分水化产物在高温下将发生分解,试块胶砂界面处本来稳定的分子结构发生了破坏,力学性能降低。MustafaSahmaran研究了粉煤灰与水泥质量之比(FA/C)分别为1.2和2.2时,ECC高温后的残余弹性模量与抗压强度,如图2、图3所示。经历200℃后,ECC2(FA/C=2.2)相比ECC1(FA/C=1.2)表现出了更好的耐火性能。ECC2只损失了差不多5%的抗压强度,这主要是粉煤灰颗粒与石灰石反应生成水化硅酸钙,这种水化物比C-S-H凝胶的强度高2~3倍。从图中可以看出,粉煤灰含量越高,试件的高温后力学性能损失越小。这是由于ECC1的孔隙结构更致密,导致受热后蒸汽压力比ECC2高,内部更容易产生裂缝。ECC2在所有温度下表现出了比ECC1更好的性能。国外学者研究表明,加入粉煤灰可以提高水泥净浆的残余抗压强度,这种提高在400℃以上时表现得更加明显。在400℃以后,CH发生分解,并且游离的CH再次发生水化反应,体积增加了44%,这使得内部裂纹增加,降低了水泥净浆的残余抗压强度。由于粉煤灰颗粒与石灰石发生反应生成水化硅酸钙。因此,ECC中含有的粉煤灰减少了ECC内部裂纹的产生并改善了力学性能。但是另一方面,当经受800℃的高温后,粉煤灰掺量的影响就很小。2.2ecc纤维的力学性能现有对ECC高温后残余抗折强度的研究还比较少,田露丹对高温后ECC的抗折强度研究结果如图4所示。当受热温度在20℃~200℃时,试块的抗折强度下降速率较慢,200℃~400℃内的抗折强度下降最快,400℃~600℃内的下降速度不显著,600℃以后下降的速率急增。ECC的抗折强度和纤维在基体中产生的桥接力相关,且主要由纤维自身抗拉强度和界面化学黏结力控制。由于PVA纤维的干热软化点为216℃,200℃不能使PVA纤维熔融,因而20℃~200℃抗折强度的下降分析是由于纤维本体抗拉强度或者纤维与砂浆基体之间的化学黏结力下降造成的。200℃~400℃时,PVA纤维发生熔融并挥发,ECC抗折强度骤降,400℃抗折强度损失率几乎是200℃的3倍。400℃后,ECC内的PVA纤维已经挥发至尽,剩余的是孔隙率较大的基体,蜂巢似的基体结构依然具备一定的承载力,但温度升高所致的孔隙直径的增大与孔隙之问的贯通也将导致强度的下降。而当受热温度从600℃增至800℃时,抗折强度骤降,该温度段强度的损失主要是由于砂浆基体的部分水化产物发生了分解,原先稳定的界面结构发生了破坏。3ecc高温下的力学性能研究(1)国内外有关ECC高温后的力学性能的研究结果尚少,部分结论还存在一定的不一致,应进一步开展该方面的研究。(2)目前国内外对ECC的研究主要集中在高温后,对高温下ECC的力学性能以及热工性能研究还未见相关报道,对高温下ECC的力学性能以及热工性能亟需研究。(3)对ECC材料的研究需开展从材料微细观结构演变到宏观热损伤的多尺度研究,