粉煤灰對高溫后UHTCC試塊抗折強度的影響

劉振坤 李志昂（東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

超高韌性水泥基復合材料（ultra high toughness cementitious composite，簡稱：UHTCC），作為一種新型的水泥基復合材料，在當今的工程中擁有較好的應(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[1-3]。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，UHTCC的使用會使結(jié)構(gòu)更加安全、耐久和經(jīng)濟。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，導致其力學性能劣化[4-6]?？梢?， 進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)量損失和力學性能，探究粉煤灰和溫度對于UHTCC的影響，進而得出UHTCC在高溫后耐火性能。

1 試驗概況

表1 ECC試塊配合比

試驗主要是對兩種粉煤灰含量的試塊進行7個不同溫度的處理，觀察試塊高溫后變化，進行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 試驗材料及配合

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 試塊制作及養(yǎng)護

UHTCC試塊的尺寸為40mm×40mm×160mm。試塊制作完成后，在標準環(huán)境下進行28天的養(yǎng)護，之后從養(yǎng)護室移至通風干燥環(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)量并進行高溫實驗。

2 高溫后試塊的觀察及質(zhì)量損失

2.1 高溫處理及冷卻方法

按200℃、1000℃、2000℃、3000℃ 、4000℃、6000℃、8000℃等7個不同溫度進行的處理，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，放置通風干燥環(huán)境，待其自然冷卻。

表2 試塊的分組和不同溫度處理

2.2 高溫后試塊的觀察

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)部壓力增大而導致的爆裂[7]。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的熔點大約在200℃和300℃之間，這同材料說明中給出的PVA熔點（PVA軟化點約在216℃）較吻合；600℃及以上的溫度的試塊表面發(fā)生化學反應(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。

圖1 各處理溫度下試塊斷面圖

2.3 高溫后質(zhì)量損失

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)[8]。在200℃時，試塊的質(zhì)量損失率達5.46%，200℃以下質(zhì)量損失幾乎全部為自由水蒸發(fā)所導致；200℃到400℃之間，試塊的質(zhì)量損失達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%。

表3 高溫前后試塊的質(zhì)量

圖2 高溫后試塊質(zhì)量損失率

3 抗折試驗

3.1 試驗方法

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試塊力學性能的影響。

3.2 抗折試驗結(jié)果分析

表4和圖3記錄了UHTCC1、 UHTCC2兩種配合比試塊的抗折強度，圖4為兩種配合比試塊高溫后抗折強度殘余率。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，試塊的抗折強度有所提升，高于常溫下的抗折強度，UHTCC1和UHTCC2兩組試塊在100℃溫度處理后抗折強度的提升率分別為5.9%和9.2%；200℃到300℃之間，試塊的抗折強度下降較快；600℃之后，試塊的抗折強度繼續(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度損失率分別為77.7%和71.8%。

表4 試塊抗折強度

圖3 抗折強度和溫度的關(guān)系

圖4 抗折強度殘余率

在100℃時，兩種配合比的UHTCC試塊抗折強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度不減反增的現(xiàn)象，可以解釋為溫度的升高促進了未水化顆粒的水化作用。毛細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度略有提升。這也使得200℃時兩種試塊抗折強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度的降低。粉煤灰的摻入雖降低了試塊的抗折強度，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)出較低的抗折強度損失；因此，在200℃時，UHTCC1的抗折強度下降率為7.5%，而粉煤灰含量相對較多的UNTCC2抗折強度僅下降了2.7%?？梢哉f，在200℃以下，UHTCC2具有可靠的抗折強度和較高的耐火性。

200℃到400℃之間，兩種配合比的試塊都有較大幅度的抗折強度的損失，400℃時損失率分別達到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度驟降的主要原因；另一方面，空隙的出現(xiàn)還導致內(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)進一步被破壞，抗折強度繼續(xù)下降，但下降有所減緩；溫度達600℃時，UHTCC2試塊抗折強度的損失率為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，增強了基體結(jié)構(gòu)，避免抗折強度的下降。

600℃以上，水化產(chǎn)物在高溫下分解，導致基體質(zhì)量的損失，且抗折強度有所下降。800℃時UHTCC1和UHTCC2的抗折強度殘余率分別為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 結(jié) 語

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，不同溫度段損失率略有區(qū)別。800℃時，UHTCC1的質(zhì)量損失大于UHTCC2?？梢?，粉煤灰的適量增加可以在一定程度上減小高溫后的質(zhì)量損失率。

高溫還造成基體力學性能的劣化，抗折強度下降，800℃后基本喪失承載力，但各溫度梯度內(nèi)略有差別。值得注意的是，100℃時溫度促進基體顆粒進一步水化，抗折強度有所提升。就總體而言，粉煤灰含量適量增加可以減緩抗折強度下降率，起到了一定的耐火性。

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