含濕量對纖維增強水泥基復合材料高溫耐受性的影響

唐世標 甘 偉 姚博宇 王 慶

(1 廣州立墻墻體材料有限公司；2 廣州大學土木工程學院)

0 引言

為了克服傳統混凝土的脆性，近年來一種高性能纖維增強水泥基復合材料被研發使用，稱為纖維增強水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC）[1]，具有應變硬化和多重開裂的性能。在纖維摻量不超過2%的情況下，ECC 具有0.5%～8.0%的拉伸變形能力，相較于傳統混凝土的0.01%極限拉伸變形，ECC具有高出十倍甚至百倍的延展性[4]。這些新型材料應用廣泛，如結構的減震[7]，橋梁的減震[8]和改造[9]等，隨著使用部位和應用領域的推廣，ECC 遭遇火災和高溫作用的概率增大，結構一旦發生火災，材料的性能必將發生改變，其劣化機制值得深入研究。

隨著溫度的升高，混凝土的抗壓強度逐漸降低，混凝土的顏色也隨著變化，并伴隨有多條逐漸增多增大的裂縫，直到1200℃時形成剝落[11]。研究表明，水蒸發產生的水蒸氣壓是混凝土在高溫下剝落的主要原因之一，而高性能混凝土具有致密的微觀結構，其剝落的溫度閾值相對更低，纖維增強水泥基復合材料與高性能混凝土有類似的微觀結構，不同含濕量下材料的高溫耐受性同樣值得探索。本文研究了ECC 在1200℃高溫下的力學性能與微觀結構改變，旨在探討高溫下含濕量對ECC 的影響。

1 試驗方案

采用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，制備了不同含濕量的ECC 試件，水膠比為0.45，砂膠比為0.80，所用細集料最大粒徑為2.5mm。水泥的化學組成見表1，聚乙烯醇（PVA）纖維的物理性質見表2。

表1 水泥的化學組成

表2 PVA 纖維的物理性質

1.1 配合比和試件

為了研究不同含濕量的纖維增強水泥基復合材料在高溫下的性能，ECC 配合比見表3，制備21 個標準立方體試件，分別用于抗壓強度、殘余力學性能和微觀結構測試。試件澆注24h 后拆模，除六個水養護的試件外，其余置于濕度95%和溫度25℃的標準養護室中養護。實測C-0 組7 天抗壓強度為27.6MPa，28d 抗壓強度為35.4MPa。

含濕量（wmc）為試件某時刻所含可蒸發水質量與水養試件剛從水中取出時所含可蒸發水質量的比值。考慮到混凝土內部結構密實，水分移動緩慢，故可忽略試件內部濕度的不均勻性，以試件的總含水量來判斷其含濕量的大小。例如，從水中取出并擦除其表面明水后的試樣被認為具有100%的含水量，而當烘干至恒重時，試樣則被認為含濕量為0[12]。試驗采用不同的預處理方式使得試件具有不同的含濕量，具體見表4。

表3 配合比(kg/m3)

表4 不同含濕量處理方式

1.2 殘余力學性能

本試驗采用KF1400 箱式高溫爐加熱試樣，加熱速率設定為20℃/min，記錄溫度為爐溫。除對照組外，每組所有試件加熱至1200℃并保持恒溫加熱1h，溫度變化控制曲線如圖1 所示。所有試樣在加熱前和冷卻后進行稱重并記錄，冷卻至室溫后，進行殘余力學性能試驗。

圖1 溫度控制曲線

1.3 微觀結構分析

采用熱重分析測定PVA 纖維在高強度ECC 中的比例，高倍率顯微鏡觀測材料高溫作用后的細觀形態，電子掃描顯微鏡研究分析微觀結構，同時還采用X 射線衍射儀（40KV 和40mA Cu X 射線管）對粉末樣品進行XRD分析。

2 試驗結果與討論

2.1 高溫試驗現象

當溫度達到200℃時，PVA 纖維開始熔化并產生刺激性氣味，圖2 為PVA 熱重分析測試結果。在加熱過程中，尤其是800℃以上，試樣在高溫下發出爆裂剝落的聲音。

圖2 PVA 熱重分析結果

圖3 為不同含濕量ECC 經1200℃高溫處理后顏色變化，可以看出經水中養護含濕量高的試件顏色偏深且未出現明顯裂縫，但含濕量低的C-1 和C-3 組顏色偏黃，且出現大量的表面裂縫，其中C-1 組裂縫寬度最大。同時地，在本研究中，未發生類似高性能混凝土試樣嚴重剝落的現象，原因在于PVA 纖維的熔化產生了大量的微孔，減少了內部的熱應力和水蒸氣壓。

圖3 高溫試驗后試件的顏色及表觀形態變化

根據高倍率電子顯微鏡放大200 倍的結果（圖4），可以更加明顯地辨別試件顏色的變化和裂紋的產生。常溫狀態下可觀測到試件表面的短切纖維，而高溫處理后，不論含濕量如何，均未有纖維的存在，且正常養護試件的裂縫較少，水養護試件的裂縫數量明顯增加，而烘干試件的裂縫寬度則最大（C-2）。此外，在1200℃的溫度下，經過水養護后烘干的低強度試件表面出現了明顯的二氧化硅晶體。

圖4 高倍率電子顯微鏡觀測照片（×200）

2.2 殘余力學性能

不同含濕量的試件，經過1200℃高溫處理1h 后，質量損失分別為21.18%，24.86%和23.42%（圖5），水養護試件（C-2）的質量損失均高于室溫養護試件，并隨著含濕量的增加而增大。

圖5 質量損失率

圖6 是高溫后ECC 殘余抗壓強度結果，對比可知，水中養護試件的殘余力學性能比室溫養護試件低，且高溫處理前初始含濕量越大，殘余抗壓強度越低。與質量損失率的結果對比還發現，試件質量損失越大，抗壓強度損失也越大。因此，材料的初始含水狀態直接影響材料的高溫耐受性。

圖6 殘余抗壓強度

2.3 微觀結構

從圖7 掃描電鏡下材料的形貌可知，正常溫度狀態下纖維的形態清晰可見，而高溫作用后，不論含濕量如何，均只留下了纖維的凹痕，水化產物在1200℃的溫度下基本發生分解，且含濕量越低（如C-3），分解越完全。同時，水化產物的形態也遭到破壞，失去本身的晶體結構特征。

圖7 不同含濕量ECC 試件SEM 顯微照片

3 結論

根據試驗結果和微觀分析，可得出以下結論：⑴ECC 的高溫耐受性與含濕量緊密相關。

⑵試樣含濕量越高，1200℃高溫作用后表觀形態損傷越低。

⑶含濕量對試樣質量損失和殘余強度影響顯著，含濕量越高，質量損失越大，且殘余強度越低。

⑷高溫作用后，PVA 纖維在基體中在留下在大量的凹痕，有利于抑制ECC 的高溫剝落及爆裂。