聚合物水泥砂漿高溫后力學性能研究

蔣杰良 陳建華

（廣東工業大學 土木與交通工程學院）

0 引言

PCM（聚合物水泥砂漿）是近幾十年發展起來的一種新型修補材料，其通過在水泥砂漿中添加各種聚合物來改善普通水泥砂漿的性能[1]，可有效提升水泥砂漿的力學性能[2-3]、耐腐蝕性能[4]等。由于其優異的力學性能和耐腐蝕性能，近年來PCM 逐漸地在結構加固領域中得到應用。有學者提出PCM-FRP 的新型復合加固方法[5-7]，GUO R、JIANG Y 等學者研究了PCM-混凝土、CFRP-PCM等復合加固方式的界面力學性能[8-9]。而Khuram Rashid研究了高溫條件下PCM-混凝土界面的性能，發現PCM和混凝土之間的界面拉伸強度和剪切強度受溫度影響顯著，在高溫下檢測到界面強度大幅下降[10]。這一復合加固方式能有效解決FRP 加固耐高溫性能差、PCM 與混凝土界面粘結性能差的問題，但目前對PCM 高溫下力學性能的研究較少。

本文研究了不同高溫和不同冷卻方式對PCM 力學性能的影響，并對PCM 抗折、抗壓強度隨溫度的退化規律進行了分析，為PCM 的工程應用及高溫下的強度退化提供科學依據。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

聚合物水泥砂漿（PCM）：采用上海環宇建筑工程材料有限公司生產的聚合物水泥砂漿SJ55；其組成為：聚乙烯醇纖維（PVA 纖維）0.1%，水泥45%～55%，砂45%，使用時每千克干粉摻入16%的水攪拌均勻

PCM 在標準條件下養護28 天的力學性能見表1。

表1 PCM的力學性能

1.2 試驗方法及設備

本研究設定了6 個高溫條件，研究高溫后聚合物水泥砂漿（PCM）的抗壓、抗折強度變化，并研究了PCM 試件受自然冷卻（AC）和泡水冷卻（WC）的影響。根據冷卻方式不同，試件分別標記為PCM-AC、PCM-WC。

根據《聚合物改性水泥砂試驗規程》（DL/T5126-200 1），PCM 制備40mm×40mm×160mm 的試件并進行抗折和抗壓強度測試。

本研究采用箱式電爐SX2-28-13 對試件進行高溫處理，升溫速率為5℃/min；本試驗高溫時的恒溫處理時間為3h。

2 試驗結果分析

2.1 高溫及冷卻方式對試件抗折強度的影響

高溫與自然冷卻、泡水冷卻作用后，PCM 試件抗折強度的變化如圖1 所示。其相對剩余抗折強度見表2。

從圖1 和表2 可知，PCM 的抗折強度隨溫度升高呈下降趨勢，在高溫300℃以上時的抗折強度下降尤其顯著。自然冷卻下，200℃前PCM 的抗折強度下降幅度均比200℃后要小。100～200℃時，PCM-AC 的抗折強度下降率＜2%。300～600℃時，PCM-AC 的抗折強度下降率分別為33%、54%、62%、76%。泡水冷卻下，100～200℃時，PCM-WC 的抗折強度下降率分別為19%、13%；300～600℃時，PCM-WC 的抗折強度下降率分別為21%、34%、33%、53%。

圖1 高溫與不同冷卻方式作用后PCM 試件抗折強度變化

表2 高溫與不同冷卻方式作用后PCM試件的相對剩余抗折強度

為研究不同冷卻方式作用對PCM 試件的影響，對試件的相對剩余抗折強度（各溫度下的抗折強度ff,t和常溫下的抗折強度ff,20的比值）進行對比分析如下：

200℃前，PCM-AC 的相對剩余抗折強度要比PCM-WC的高，100℃和200℃時的差值分別為17%和12%，這是因為100～200℃時，與泡水冷卻相比，自然冷卻能使得開始熔融軟化的PVA 纖維恢復更多的強度。

300～600℃時，PCM-WC 的相對剩余抗折強度卻要比PCM-AC 的高，差值分別為12%、20%、29%、23%。這是因為當處理溫度從300℃上升至600℃，PVA 纖維將會逐漸熔化并揮發，試件泡水冷卻后重新生成凝膠和晶體填補PVA 纖維熔融揮發產生的孔隙，一定程度上減小了抗折強度下降幅度。

2.2 高溫及冷卻方式對試件抗壓強度的影響

高溫與自然冷卻、泡水冷卻作用后，PCM 試件抗壓強度的如圖2 所示，PCM 試件的相對剩余抗壓強度見表3。

圖2 高溫與不同冷卻方式作用后PCM 試件抗壓強度

表3 高溫與不同冷卻方式作用后PCM試件的相對剩余抗壓強度

從圖2 和表3 可知，高溫后PCM 試件的抗壓強度隨溫度升高呈下降趨勢。自然冷卻下，200℃前PCM 的抗壓強度下降幅度均比200℃后要小。100～200℃時，PCM-AC 的抗壓強度下降率＜3%。300～600℃時，PCM-AC的抗壓強度下降率分別為25%、31%、43%、54%。泡水冷卻下，100～200℃時，PCM-WC 的抗壓強度下降率分別為12%、10%。300～600℃時，PCM-WC 的抗壓強度下降率分別為23%、27%、32%、53%。

為研究不同冷卻方式作用對PCM 試件的影響，對試件的相對剩余抗壓強度（各溫度下的抗壓強度fc,t和常溫下的抗壓強度fc,20的比值）進行對比分析如下：

100～300℃時，PCM-AC 的相對剩余抗壓強度比PCM-WC 高，分別提高了9%、8%、8%。這是因為100～300℃時，與泡水冷卻相比，自然冷卻能使得開始熔融軟化的PVA 纖維恢復更多的強度。

400～600℃時，泡PCM-WC 的相對剩余抗壓強度比PCM-AC 高，分別提高了4%、11%、1%。這是因為400℃～600℃時，試件泡水冷卻后重新生成凝膠和晶體填補PVA 纖維熔融揮發產生的孔隙，其相對剩余抗壓強度要比自然冷卻后的高。

2.3 高溫后的強度退化規律

基于以上的試驗研究可以發現，PCM 試件在常溫到600℃范圍內，經過自然冷卻和泡水冷卻兩種方式作用后，其抗折強度與抗壓強度存在著線性關系（如圖3 所示），且抗折強度、抗壓強度都隨著溫度的升高而降低。隨著抗壓強度的下降，自然冷卻后PCM 的抗折強度下降速率比泡水冷卻的高。

圖3 PCM 的抗壓強度與抗折強度關系

3 結論

⑴高溫后PCM 的力學性能呈下降趨勢，且溫度越高，強度損失越大。100～200℃高溫后，PCM 的抗折抗壓強度下降幅度均較小，自然冷卻的最大降幅僅為3%；300℃～600℃高溫后，PCM 強度顯著下降，自然冷卻的抗折強度下降率達33%～76%，抗壓強度下降率達15%～54%；泡水冷卻的強度下降趨勢與自然冷卻的類似。

⑵冷卻方式對PCM 力學性能的影響隨溫度區間不同而不同。100～300℃高溫后，使用自然冷卻的方式有利于保持PCM 的力學性能，其相對剩余抗折強度比泡水冷卻的方式提高了12%～17%，相對剩余抗壓強度提高了8%～9%；而400～600℃高溫后，使用泡水冷卻的方式有利于保持PCM 的力學性能，其相對剩余抗折強度比自然冷卻的方式提高了20%～29%，相對剩余抗壓強度比自然冷卻的方式高1%～11%。

⑶高溫后PCM 的抗折抗壓強度仍存在線性關系，隨著抗壓強度的下降，自然冷卻后PCM 的抗折強度下降速率比泡水冷卻的高。