高溫后HVFA-SHCC的單軸壓縮力學性能及本構關系

趙 軍,牛淼鑫，周甲佳,王 志

(1.鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

應變硬化水泥基復合材料(SHCC)是Li等[1-2]基于微細觀斷裂力學，通過選擇適當的材料和微觀參數所獲得的具有應變硬化行為和多裂縫開裂特征的纖維增強水泥基復合材料.當纖維摻量為2%左右時，其極限拉應變為3%～5%，裂縫寬度小于100μm[3].與普通混凝土相比，SHCC具有優異的延性性能、耐久性能和耗能能力，適用于高層建筑結構、橋梁、道路工程及修復工程中.因此，自其出現后便受到廣泛關注.為減弱SHCC基體的剛度，調節基體的流變性能，改善纖維的分布，實現應變硬化和多裂縫開裂效果，摻加粉煤灰等礦物摻和料，部分取代水泥是較為有效的方法.已有研究表明，大摻量粉煤灰對SHCC的抗拉性能[4]、干縮[5]和耐久性能[6]等均具有改善作用.此外，粉煤灰作為一種工業廢料，當其用于SHCC中，亦可滿足建筑材料可持續性發展的需要.因此，大摻量粉煤灰-應變硬化水泥基復合材料(HVFA-SHCC)被認為是一種綠色的高性能水泥基復合材料.

SHCC材料作為一種新型建筑材料，當其用于實際工程中，尤其是承受高溫環境(如火電廠、冶金工業廠房、核電站等)時，其耐高溫性能勢必要引起足夠重視.2010年，Sahmaran等[7]開創性地進行了高溫后SHCC殘余力學性能和微觀結構的研究.隨后，大量學者從冷卻方式[8]、加熱方式[9]、養護齡期[10]、骨料類型[11]、PVA纖維摻量[12]、尺寸效應[13]、高溫后的滲透性能[14]，以及納米粒子對高溫性能的改善作用[15]等方面對SHCC高溫損傷進行了研究.然而，這些研究主要集中于高溫下粉煤灰與水泥質量比為1.0～2.5的SHCC殘余力學性能方面，針對粉煤灰與水泥質量比大于4.0的HVFA-SHCC高溫后力學性能的研究甚少.目前，僅Yu等[16]對粉煤灰與水泥質量比為4.4的HVFA-SHCC高溫后殘余拉伸性能和抗壓強度進行了研究.

為此，本文在已有研究基礎上，研究了溫度及冷卻方式對粉煤灰與水泥質量比為4.0的HVFA-SHCC試件殘余力學性能(抗壓強度fc、彈性模量E、壓縮韌性)及其微觀結構的影響，并在此基礎上建立相應的本構方程，以期為HVFA-SHCC的抗火設計等提供參考依據.

1 試驗方案

1.1 原材料、配合比和基本力學性能

原材料包括42.5普通硅酸鹽水泥(C)、精制石英砂(SS)、Ⅰ級粉煤灰(FA)、聚羧酸高效減水劑、水(W)和PVA纖維等.PVA纖維的性能參數及HVFA-SHCC配合比如表1、2所示.

表1 PVA纖維的性能參數

表2 HVFA-SHCC的配合比

采用狗骨形試件研究了HVFA-SHCC材料的單軸拉伸行為，其中加載方式為位移控制，加載速率為0.3mm/min.HVFA-SHCC試件的拉伸應力-應變(σ-ε)曲線及多裂縫開展現象如圖1、2所示.

圖1 HVFA-SHCC試件的拉伸應力-應變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curve of HVFA-SHCC specimen

圖2 HVFA-SHCC試件多裂縫開展現象Fig.2 Development of multiple fractures of HVFA-SHCC specimens

1.2 試驗方法

以目標溫度和冷卻方式為變量，制備尺寸均為

40mm×40mm×160mm的8組試件.試件澆筑24h 后拆模，置于標準養護室內養護至28d，待其干燥后進行高溫處理.試驗采用箱式電阻高溫爐進行加熱，加熱溫度分別為100、200、400、600、800℃，另取室溫(20℃)下的試件進行對照試驗.升溫速率為10℃/min，當溫度達到設定溫度后恒溫1h，再進行冷卻.其中100、400、800℃的試件只采用室溫條件下的自然冷卻，200、600℃的試件分別采用室溫條件下的自然冷卻和浸水冷卻(浸水1h).待試件冷卻后，在室溫條件下靜置90d，開展單軸壓縮試驗研究.HVFA-SHCC試件信息見表3.

表3 HVFA-SHCC試件信息

采用萬能試驗機對高溫處理后的HVFA-SHCC試件進行單軸壓縮試驗，加載方式為位移控制，加載速率為0.3mm/min，采用位移計測量加載過程中試件的變形.為防止試件端部發生局部破壞，在試塊端部采用鋼套管進行加固處理.試驗裝置示意圖如圖3所示.

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of testing machine

2 高溫后HVFA-SHCC試件的物理特征及微觀結構

2.1 質量損失率

高溫后HVFA-SHCC試件的質量損失可采用質量損失率進行評估.圖4為HVFA-SHCC試件的質量損失率與溫度的關系曲線.由圖4可知：HVFA-SHCC試件的質量損失率隨著溫度的升高而逐漸增大；200℃時，試件的平均質量損失率為2.1%，此時自由水的蒸發是引起其質量損失的主要原因；400℃ 時，由于水化產物的結合水脫出、PVA纖維的熔融，HVFA-SHCC試件的質量損失率迅速增加，此時試件的平均質量損失率為11.9%；當溫度繼續上升至600℃時，試件內部水化產物部分分解，HVFA-SHCC試件的平均質量損失率增長相對緩慢；800℃時，試件的平均質量損失率可達15.5%.

圖4 HVFA-SHCC試件的質量損失率與溫度的關系曲線Fig.4 Relationship curve of mass loss rate vs. temperature

2.2 微觀結構特征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察HVFA-SHCC試件在不同溫度和不同冷卻方式下的內部結構，如圖5、6所示.由圖5可知：室溫(20℃)下SHCC微觀組成物質主要由C-S-H凝膠、Ca(OH)2、大量未水化的粉煤灰和水泥顆粒組成；當溫度低于200℃時，HVFA-SHCC試件內部結構沒有發生明顯的變化；400℃時，PVA纖維全部熔化，在纖維熔融位置出現微孔洞，內部結構的密實度有所降低；600℃時，SHCC內部結構較為疏松，在PVA纖維熔融的位置出現了微裂紋；800℃時，HVFA-SHCC試件進一步劣化，水化產物和部分未水化粉煤灰失去其原有的晶體結構特征，SHCC出現大量微裂縫和微孔洞，內部結構更為疏松.

圖5 自然冷卻條件下HVFA-SHCC試件的SEM顯微照片Fig.5 SEM micrographs of HVFA-SHCC specimens under natural cooling method

圖6 浸水冷卻條件下HVFA-SHCC試件的SEM顯微照片Fig.6 SEM micrographs of HVFA-SHCC specimens under water cooling method

由圖6(a)可知，200℃時，浸水冷卻HVFA-SHCC試件的水化產物與自然冷卻條件下基本相同.由圖6(b)可知，與600℃自然冷卻相比，浸水冷卻條件下，HVFA-SHCC試件中部分未水化粉煤灰和水泥進一步水化，生成新的C-S-H凝膠、氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣等，填充了結構內部的微孔洞和微裂縫，使內部微結構得到一定的改善.

3 高溫后HVFA-SHCC試件的單軸壓縮力學響應

3.1 破壞模式

圖7為高溫后HVFA-SHCC試件的單軸壓縮破壞模式.由圖7(a)可知：溫度對試件的破壞模式影響較大；當溫度低于200℃時，試件的破壞模式均為剪切破壞，主裂縫與加載面成一定夾角，此時由于纖維的橋連作用，試件破壞時仍為一個整體；當溫度高于400℃時，試件內部纖維完全熔融，橋連作用消失，試件發生劈裂破壞，出現貫穿裂縫.對比圖7(a)、(b)可知，不同冷卻方式下，相同溫度試件的破壞模式大致相同，這說明冷卻方式對試件破壞模式沒有顯著影響.

圖7 高溫后試件破壞模式Fig.7 Failure mode of specimens after exposure to different temperatures

此外，在高溫作用下HVFA-SHCC試件并未出現爆裂行為.這是因為：當溫度低于200℃時，PVA纖維的橋連作用會增強基體的抗爆裂及抗剝落能力；當溫度超過200℃時，PVA纖維熔融而形成的通道促進了試件內部水蒸氣的排出，減小了試件的內部壓力[17].

3.2 應力-應變關系曲線

圖8為高溫后HVFA-SHCC試件的應力-應變曲線.

圖8 高溫后HVFA-SHCC試件受壓應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of HVFA-SHCC specimens after subject to high temperatures

由圖8(a)可知：HVFA-SHCC試件的應力-應變曲線(600、800℃除外)大致可分為線性上升段、非線性上升段、下降段和殘余軟化段；當溫度低于200℃時，HVFA-SHCC試件的峰值應力、峰值應變及曲線斜率等宏觀力學性能均未發生明顯變化，這是因為當溫度低于200℃時，HVFA-SHCC內部結構無明顯變化；當溫度高于400℃時，隨著溫度的升高，HVFA-SHCC試件內部微結構逐漸劣化，試件的峰值應力和曲線斜率均有明顯降低.

由圖8(b)可知：當溫度為200℃時，與自然冷卻相比，浸水冷卻試件的強度和曲線斜率略有提升；當溫度為600℃時，浸水冷卻試件的強度和曲線斜率均較自然冷卻時有明顯提高.這與商興艷等[17]、Yu等[8]的研究結果及本文微觀試驗結果相吻合，浸水冷卻有助于試件進一步水化，使結構更加密實，改善了試件的殘余力學性能.

3.3 抗壓強度和彈性模量

圖9為HVFA-SHCC試件的壓縮力學參數與溫度的關系.由圖9(a)可知：(1)試件的抗壓強度隨著溫度的升高呈現出先略微增加后顯著降低的趨勢；(2)當溫度升高至200℃時，較高的溫度加速了大量未水化粉煤灰顆粒與CH的反應，所生成的C-S-H凝膠利于試件抗壓強度的提升.在基體力學性能的提高和界面黏結性能退化的共同作用下，試件的抗壓強度較常溫提高了6.8%；(3)200～400℃時，纖維的熔融使材料內部的微孔洞增加，內部結構出現一定程度劣化，試件抗壓強度明顯降低；(4)400～600℃ 時，試件抗壓強度下降了26.4%～39.3%；(5)600～800℃時，由于水化產物分解加速，試件抗壓強度繼續降低，降低速率相對較快，800℃時，試件抗壓強度降低了60.1%.

通過數據擬合得到HVFA-SHCC試件抗壓強度隨溫度的變化，其表達式如下：

fc,T/fc,20=-0.4315(lgT)3+
2.177(lgT)2-3.5404lgT+2.87

(1)

式中：fc,T為高溫后試件的殘余抗壓強度，MPa；fc,20為20℃時的抗壓強度，MPa；T為溫度，℃.

參照美國ASTM C469/C469M-14《Standard test method for static modulus of elasticity and Poisson’s ratio of concrete in compression》，試件彈性模量E(GPa)可通過下式計算得到：

(2)

式中：σ0.4為應力-應變曲線中40%峰值應力處的應力值，MPa；ε0.4為σ0.4所對應的應變值；σ1和ε1分別為1kN 荷載所對應的應力值和應變值.

由圖9(b)可以看出，曲線大致可分為2個階段：第1階段(20～200℃)，試件的彈性模量略微提升，200℃時，彈性模量相比常溫下增加了2.5%；第2階段(200℃后)，試件的彈性模量出現明顯下降，400、600、800℃時，試件的彈性模量較常溫下分別下降了8.5%、56.4%、67.7%.

HVFA-SHCC試件彈性模量隨溫度的變化表達式如下：

ET/E20=-0.9409(lgT)3+
5.3071(lgT)2-9.6917lgT+6.6969

(3)

式中：ET為高溫后試件的殘余彈性模量，GPa；E20為20℃時試件的彈性模量，GPa.

圖9 HVFA-SHCC試件的壓縮力學參數與溫度的關系Fig.9 Relationship between compressive mechanical parameter and temperature of HVFA-SHCC specimen

3.4 壓縮韌性

材料的壓縮韌性是材料受壓變形性能的重要指標之一.為獲得高溫對HVFA-SHCC材料壓縮韌性的影響，參考SHCC壓縮韌性指數的定義方法[19]，本研究采用曲線下降段(從應力峰值至50%應力峰值)面積與曲線上升段面積的比值來計算高溫后HVFA-SHCC試件的壓縮韌性指數，如圖10所示.需要說明的是，對于溫度超過400℃的試件，由于其破壞模式為脆性破壞，應力-應變曲線的下降段下降程度較小，并未達到50%峰值點，因此采用曲線下降段面積與上升段面積之比來計算其壓縮韌性指數，計算結果見圖11.由圖11可知：(1)自然冷卻條件下，20～200℃時，隨著溫度的升高，HVFA-SHCC試件的壓縮韌性指數略微增加；而在200～800℃時，隨著溫度的升高，PVA纖維的熔融使HVFA-SHCC試件的內部微結構進一步劣化，其在受壓時逐漸表現出脆性特征，壓縮韌性指數從1.25降至0.69；(2)與自然冷卻相比，相同溫度下，浸水冷卻1h 可以改善HVFA-SHCC試件的壓縮韌性.

圖10 HVFA-SHCC試件壓縮韌性指數計算示意圖Fig.10 Definition of compressive toughness index of HVFA-SHCC specimen

圖11 溫度和冷卻方式對HVFA-SHCC試件壓縮韌性指數的影響Fig.11 Effects of high temperature and cooling methods on toughness index of HVFA-SHCC specimen

4 高溫后HVFA-SHCC單軸壓縮本構關系

由試驗獲得的高溫后HVFA-SHCC試件單軸壓應縮力-應變曲線可知，該曲線上升段和下降段的曲線形狀差異性較大.若采用單一公式進行擬合，很難獲得理想效果，因此本文擬采用文獻[20]中的模型(式(4))定義其本構方程.該模型符合SHCC應力-應變曲線的基本幾何特征，且形式簡單，便于工程應用.

(4)

式中：y=σ/fc,x=ε/ε0,fc為峰值荷載，ε0為峰值荷載對應的應變值；A、B、C、D、b為與溫度有關的材料參數，可通過對試驗結果進行回歸分析獲得，如表4所示.

表4 本構模型參數

試驗結果與理論結果對比如圖12所示，其中，曲線上升段的線性相關系數在0.95～0.99之間，曲線下降段的線性相關系數在0.80～0.90之間，說明本文所提出的本構模型能夠較好地預測高溫下HVFA-SHCC試件的單軸壓縮應力應變響應.

5 結論

(1)HVFA-SHCC試件的質量損失率隨著溫度的升高而增加.

(2)400℃時，PVA纖維熔融，導致試件承載力明顯下降；600～800℃時，水化產物分解加速，內部結構進一步劣化，出現更多的微裂紋和微孔洞，密實度降低；浸水冷卻在一定程度上改善了材料的內部微結構.

(3)隨著溫度的增加，HVFA-SHCC試件的破壞形態由常溫以及亞高溫(100、200℃)下的剪切破壞轉變為高溫下的劈裂破壞.冷卻方式對試件的破壞模式影響較小.

(4)20～200℃時，溫度對HVFA-SHCC試件力學性能的影響較小；400～800℃時，HVFA-SHCC試件抗壓強度、彈性模量和壓縮韌性明顯下降，微觀結構受損嚴重；浸水冷卻后HVFA-SHCC試件殘余力學性能得到一定程度的恢復.

圖12 HVFA-SHCC試件單軸壓縮應力-應變曲線與理論模型的對比Fig.12 Comparison between uniaxial compressive stress-strain curve and theoretical model of HVFA-SHCC specimens

(5)基于試驗結果，提出了高溫后HVFA-SHCC單軸壓縮本構模型.