玄武巖纖維編織網增強混凝土高溫后力學性能及損傷機理

侯振國，何海英，徐 平，孫維東，代峻峰，胡廣欽

(1.中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450004；2.中建七局總承包有限公司，鄭州 450004；3.河南理工大學土木工程學院，焦作 454003)

0 引 言

纖維編織網增強混凝土(textile reinforced concrete，TRC)是由最大骨料粒度在1～2 mm之間的基質、纖維(如碳纖維、玄武巖纖維、耐堿玻璃纖維等)織物網作為增強材料組成的新型纖維增強復合材料[1-2]。由于其輕質高強的特點，在實際工程中常作為加固材料被用于建筑表面[3-5]，當火災發生時，容易直接受到高溫的影響[6]。因此，探究TRC在高溫下的力學性能變化，揭示其微觀損傷劣化機理具有重要意義。

目前，眾多學者對TRC的拉伸性能、彎曲性能和纖維與基體之間黏結界面性能進行了探究。尹世平等[7]通過單束纖維與TRC薄板的單軸拉伸試驗，研究了環氧樹脂浸漬后纖維束的應力-應變關系。此外還探究了纖維編織網在細粒混凝土中的黏結和搭接性能，結果表明纖維編織網的表面處理對纖維編織網和細?；炷恋慕缑骛そY性能有著較為明顯的影響[8]。田穩苓等[9]對TRC薄板進行拉伸試驗和四點彎曲試驗，探討不同水泥基體對TRC抗拉性能的影響和纖維編織網表面粘砂粒徑與聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)短纖維摻量對TRC的彎曲性能的影響，得到其最佳配比。這些研究均表明探究TRC力學性能變化的關鍵在于探究TRC基體材料、纖維本身和纖維與基體之間黏結界面的變化。

由于TRC板材常被用作加固材料用于構件表面，易受高溫直接作用，因此部分學者對高溫下TRC的性能進行了研究。王欣等[10]指出，TRC作為建筑材料，應該滿足其抗火性能和高溫力學性能，通過有限元仿真分析，確定了符合實際的纖維在高溫下的衰減參數。Fürst等[11]發現在火災試驗中，TRC薄板試件的混凝土層大量剝落，材料之間的相互作用喪失。王激揚等[12]將短切鋼纖維摻入TRC薄板中，比較了短切鋼纖維的長徑比和摻量對TRC薄板常溫下及高溫后彎曲性能的影響，研究表明隨著溫度的升高，TRC薄板的承載能力降低。Truong等[13]通過直接拉伸試驗，采用環氧樹脂、氧化鋁粉等方法處理碳纖維織物，研究了高溫下TRC試樣拉伸性能。但是在現階段的研究中，高溫下對TRC力學性能變化的研究還不夠深入，特別是對微觀損傷機理的研究還有欠缺。本文進一步探究了TRC在高溫下力學性能變化，并揭示其損傷機理。

本研究分別采用硅酸鹽水泥和高鋁酸鹽水泥作為基體材料制備TRC，經過200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃高溫處理后，開展了四點彎曲試驗，并進行XRD分析和掃描電鏡分析。探究在不同溫度下TRC的力學性能、水化產物組分和微觀結構的變化，揭示TRC在高溫環境下力學性能下降的損傷機理，為TRC的防火處理和在高溫環境中的設計應用提供了理論支持。

1 實 驗

1.1 試驗材料

水泥：試驗所用兩種水泥，一種是P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，另一種是CA-50高鋁酸鹽水泥。

粉煤灰：試驗所用粉煤灰為河南省鄭州鞏義市生產，粉煤灰多為圓形小顆粒，能改善混凝土的工作性能，富含SiO2等活性成分可發生火山灰反應，提高混凝土的后期強度及耐久性，主要性能指標如表1所示。

硅灰：試驗選用硅灰為河南省鄭州鞏義市生產，作為外摻料可發生火山灰反應，并填充水泥顆粒間孔隙，提高混凝土早期強度和耐久性能，SiO2含量為98%(質量分數)，主要性能指標如表1所示。

表1 粉煤灰和硅灰的物理參數Table 1 Physical parameters of fly ash and silica fume

細骨料：試驗采用的細骨料來自天然河砂，選用0～0.6 mm及0.6～1.2 mm兩種粒級砂。

玄武巖纖維網格：試驗所用纖維網格為江蘇省無錫市某高性能纖維制品公司生產的玄武巖纖維網格，網格孔徑為10 mm×10 mm，且未經任何定型膠處理，具體材料參數見表2。

表2 玄武巖纖維網格的材料參數Table 2 Material parameters of basalt fiber textile

減水劑：試驗所用減水劑為河南鄭州生產的ST-01A聚羧酸系高效減水劑，呈淡黃色或透明液體，pH值為6～8，無氯低堿，固含量為25%，減水率為25%～40%。

1.2 試件制備

為了探究不同膠凝材料的TRC薄板在不同溫度下的力學性能，本文分別采用硅酸鹽水泥和高鋁酸鹽水泥制備TRC薄板。杜運興等[14]研究發現，纖維編織網層數是影響玄武巖纖維TRC板拉伸性能的重要因素，3～5層纖維編織網的TRC板表現出明顯的應變硬化性能。因此，本文設置了三層纖維編織網TRC薄板進行試驗研究。P和PT分別表示未布設和布設三層纖維編織網的硅酸鹽水泥基TRC薄板，CA和CAT分別表示未布設和布設三層纖維編織網的高鋁酸鹽水泥基TRC薄板。為了使基體混凝土具有良好的自密實性能及較高的流動性能，更易于基體混凝土滲透纖維編織網中，用于TRC的基體混凝土不同于普通混凝土，基體中無粗骨料，僅采用0～0.6 mm和0.6～1.2 mm兩種粒徑的細骨料，具體配合比見表3。

表3 TRC配合比Table 3 Mix proportion of TRC /(kg·m-3)

試驗中所有試件尺寸均為280 mm×50 mm×12 mm，試驗模具為定制的不銹鋼模具，如圖1(a)所示。P組和CA組直接澆筑制成，PT組和CAT組需布設未浸樹脂膠的玄武巖纖維編織網格，纖維網格上下保護層厚度為3 mm，各層纖維間距為3 mm，如圖1(b)所示。每組試件制作2個，將澆筑好的試件放入溫度為(20±3)℃，相對濕度為90%以上的養護箱中進行養護，28 d后取出進行后續試驗研究，澆筑完成的試塊和拆模后的試塊見圖1(c)和(d)。

圖1 試件模具和試件制備Fig.1 Mold and preparation of specimens

1.3 測試方法

1.3.1 高溫處理和質量損失測定

為研究TRC高溫后的力學性能，需對制備好的試件進行高溫處理。試驗所使用的加熱儀器是北京德志環?？萍加邢薰旧a的TDL-1400F型高溫爐，如圖2所示。

圖2 高溫爐外觀及內部Fig.2 Exterior and interior of high temperature furnace

首先將試塊放入烘干箱，經35 ℃恒溫烘干3 h以確保試件在初始狀態統一。試件烘干后，分別將試件放入高溫爐，升溫速率為10 ℃/min，將試件分別加熱到200 ℃、400 ℃、600 ℃及800 ℃，待試件加載到目標溫度后，恒溫60 min。試件高溫處理后立即取出，待其自然冷卻至室溫后進行質量損失測定。

質量損失率的測定主要是在高溫處理前后測得每個試塊的質量，前后的質量變化率即為所測試塊的質量損失率。每組試塊取平均值作為此組試件的質量損失率。

1.3.2 四點彎曲試驗

質量損失測定完成后，分別對試件進行四點彎曲試驗，測得TRC薄板的極限撓度與極限荷載，從而分析其彎曲性能。試驗機為濟南聯工測試技術有限公司生產的CMT-20型電子式萬能試驗機，最大試驗力為20 kN，精度為0.5級。加載位置參數分別為板跨240 mm、純彎80 mm、剪跨80 mm，加載模型圖如圖3所示。試驗采用的加載方式為位移加載法，加載速率為0.5 mm/min。

圖3 四點彎曲試驗加載裝置(單位：mm)Fig.3 Loading device for four-point bending test (unit:mm)

2 結果與討論

2.1 玄武巖纖維編織網增強混凝土高溫后宏觀變化

圖4為800 ℃處理后的P組、PT組、CA組和CAT組裂縫情況。經過對裂縫測量可知：未布設玄武巖纖維網格的薄板P組最深裂縫可達3～4 mm，而布設玄武巖纖維網格薄板的PT組最深裂縫小于1 mm，明顯低于P組；對比CA組和CAT組可知，布設玄武巖纖維網格薄板的CAT組裂縫數量和深度均比CA組小。因此可初步判定玄武巖纖維網格的布設會降低高溫下TRC薄板裂縫的發展。通過觀察裸露的部分玄武巖纖維可以看出，在800 ℃后由褐色變成黑色，并且變脆明顯，說明在較高溫度下玄武巖纖維網格性質發生改變。

圖4 高溫引起的裂縫Fig.4 Cracks caused by high temperature

圖5為800 ℃高溫處理后各組TRC薄板的變形情況。由圖5可得，各組TRC薄板均出現了不同程度的翹曲變形，可能的原因是TRC基體本身的不均勻性，導致各部分膨脹系數不同，因此在受熱時，不均勻的膨脹引起板材內部出現溫度應力，產生翹曲變形。其中P組變形明顯，出現兩端向薄板內側彎曲的現象，CA組也出現輕微的彎曲，PT組和CAT組相較于P組和CA組變形程度明顯降低。因此，玄武巖纖維網格的布設可以減小不同水泥基材料TRC薄板在高溫下的變形，主要原因是TRC薄板在高溫環境中產生變形時，內置玄武巖纖維網格抵消了部分因變形產生的溫度應力，從而降低了薄板的變形程度。此外，與普通硅酸鹽水泥基薄板相比，無論是否布設玄武巖纖維網格，高鋁酸鹽水泥基薄板的變形程度均較低，說明采用高鋁酸鹽水泥可以大幅減小TRC薄板的高溫變形損傷。

圖5 高溫引起的變形Fig.5 Deformations caused by high temperature

2.2 玄武巖纖維編織網增強混凝土高溫后質量損失

圖6為四組TRC薄板在不同溫度下的質量損失率。由圖6可知，各組TRC薄板的質量損失率均隨著溫度的升高而增大，當目標溫度小于400 ℃時，各組薄板的質量損失率增長速度較快，且各組之間無明顯差異。這說明當溫度低于400 ℃時，TRC薄板的主要質量損失并不是源自水泥基材料的不同，主要原因是TRC薄板基體材料內部孔隙中的自由水和水泥基材料毛細孔中的吸附水在高溫環境中受熱蒸發所致。當目標溫度在600 ℃與800 ℃之間時，各組TRC薄板的質量損失增長速度均變慢，主要原因是TRC薄板水泥基材料中結合水高溫分解所致，結合水相較于自由水更難析出。此外，在高溫狀態下，高鋁酸鹽水泥基薄板較普通硅酸鹽水泥基TRC薄板在較高溫度下質量損失率更小，這說明在高溫狀態下，高鋁酸鹽水泥基材料的TRC耐高溫性能較好。

圖6 TRC薄板的質量損失率Fig.6 Mass loss rate of TRC sheets

2.3 玄武巖纖維編織網增強混凝土四點彎曲性能

對各組TRC薄板進行四點彎曲試驗后，取試件的最大荷載作為各溫度下的極限荷載，分別對其進行二次多項式擬合。圖7為不同溫度下各組TRC試件的極限荷載試驗值及其擬合曲線。由圖7可得，四組TRC薄板的極限荷載均隨著溫度的升高而降低，且大致呈線性趨勢降低。取擬合曲線800 ℃高溫前后的極限荷載計算極限荷載降低率，可得P組、PT組、CA組和CAT組的極限荷載的降低率分別為90.36%、86.05%、88.33%和76.21%，均達到75%以上，這說明高溫在很大程度上降低了TRC薄板的承載能力，可能的原因是高溫對TRC基體和玄武巖纖維編織物造成了較大的破壞。

圖7 各組TRC薄板極限荷載Fig.7 Ultimate load of TRC sheets

對比P組和CA組，布設玄武巖纖維網格的PT組和CAT組的極限荷載降低率均有所下降；對比P組和PT組，采用高鋁酸鹽水泥基的CA組和CAT組的極限荷載降低率也有所下降。這兩點說明布設玄武巖纖維網格和采用高鋁酸鹽水泥基材料兩種方式對TRC薄板的耐高溫性能有一定的提升作用。結合圖6可以判斷，可能的原因是相較于普通硅酸鹽水泥基，高鋁酸鹽水泥基在高溫環境下的質量損失偏小，內部基體材料損傷及孔隙率都相對較低，因此抗彎能力較好。且玄武巖纖維網格的布設在一定程度上提高了TRC薄板的延展性。

3 微觀損傷機理分析

3.1 XRD分析

為進一步探究TRC板高溫后的微觀物象變化，先制備不同溫度下與P組和CA組相同水膠比的凈漿，將各組試樣研磨后進行XRD分析，測試結果如圖8所示。

由圖8(a)可知，在常溫狀態下，P組TRC基體的主要礦物成分是C2S、C3S、C3A和C4AF，根據衍射波峰可以看出C2S和C3S含量較多，C3A和C4AF含量較少，其中C2S和C3S在硅酸鹽水泥水化的過程中多以C-S-H凝膠的形式存在。隨著溫度的升高，C2S和C3S的波峰逐漸降低，說明C-S-H凝膠在高溫作用下開始脫水分解。溫度達到800 ℃后，C-S-H凝膠含量更低，說明脫水較為完全。在高溫下分解產生的氣體逸散，促使混凝土內部變疏松并伴隨微裂縫的產生，也進一步揭示了在高溫下TRC薄板質量損失的原因。

由圖8(b)可知，在常溫下，高鋁酸鹽水泥的主要礦物成分是CAH10、SiO2、C2AS、C3AH6及AH3，其中C3AH6與AH3為穩定態。隨著溫度的升高，CAH10會逐漸向穩定態的C3AH6轉變。當溫度在200 ℃時，CAH10、C3AH6與AH3波峰下降明顯，基本沒有波峰，說明這三種產物基本脫水完全。當溫度達400 ℃后，C12A7出現，這是由C3AH6脫水后的產物。脫水過程中產生的水蒸氣增加了基體內應力，使密實的混凝土變松散，對混凝土內部產生損傷，這也是高鋁酸鹽水泥在400℃之前強度下降明顯的原因之一。

圖8 P組和CA組不同溫度下的XRD譜Fig.8 XRD patterns of group P and CA at different temperatures

3.2 掃描電鏡分析

為了更直觀地分析高溫后TRC薄板內部微觀結構的變化，對P組和CA組在常溫和800 ℃的試樣及高溫前后的玄武巖纖維分別進行了掃描電鏡分析，試驗結果如圖9所示。

由圖9(a)與(b)可以看出，在常溫狀態下，無論是普通硅酸鹽水泥基體混凝土還是高鋁酸鹽水泥基體混凝土，都表現出水化產物質密，且對粉煤灰的包裹緊密，未出現微裂縫及孔洞。800 ℃后，由圖9(c)和(d)可知兩者表面均出現裂縫，且采用普通硅酸鹽水泥基P組更為嚴重，裂縫呈龜裂狀開展并且整體變得十分疏松，甚至脫落，通過觀察混凝土中粉煤灰的包裹情況可以看出高鋁酸鹽水泥混凝土的包裹性明顯要優于普通硅酸鹽水泥混凝土。通過對兩種不同水泥基材料的微觀分析可知，隨著溫度的升高，高鋁酸鹽水泥基微觀結構具有更好的穩定性，這也是其在較高溫度下具有更好力學性能的原因。

圖9(e)和(f)分別為常溫下及800 ℃下PT組的玄武巖纖維網格微觀界面黏結形態。在常溫下，TRC基體和玄武巖纖維表面無損傷，且與基體混凝土包裹緊密；經過800 ℃高溫處理后，水泥水化產物由膠凝狀變為松散狀，玄武巖纖維不僅出現了不可恢復的彎曲變形，而且出現了部分微裂縫，與玄武巖纖維網格的黏結處也出現大量貫穿式裂縫，黏結損傷更為嚴重，這是TRC薄板在高溫下力學性能下降的主要原因之一。

圖9 不同溫度下TRC薄板的微觀形貌Fig.9 Microstructures of TRC sheets at different temperatures

4 結 論

本文采用改變基體混凝土的膠凝材料制備TRC基體混凝土，開展不同溫度下基體混凝土的質量損失和四點彎曲性能試驗研究，結合XRD和掃描電鏡分析，揭示了TRC混凝土高溫后性能變化和破壞機理，主要結論如下：

(1)TRC薄板的質量損失率隨著溫度的升高而升高。當溫度小于400 ℃時，不同水泥基材料對TRC薄板的質量損失率無明顯影響；當溫度位于400 ℃至800 ℃之間時，高鋁酸鹽水泥基薄板比普通硅酸鹽水泥基薄板質量損失率更小。

(2)TRC薄板的極限荷載隨著溫度的升高而降低，溫度達到800 ℃時，極限荷載降低率均達到75%以上。布設玄武巖纖維網格和采用高鋁酸鹽水泥基材料兩種方式對TRC薄板的耐高溫性能有一定的提高，對于高溫下的變形和裂縫發展也有一定的控制作用。

(3)基體材料的高溫損傷是TRC在高溫下極限承載能力降低的重要原因。一方面是隨著溫度的升高，以Ca(OH)2、CaCO3、C3AH6和AH3為代表的水化產物本身分解，使基體內部松動，另一方面是高溫氣體的釋放增加了TRC基體的內應力，使內部出現微裂縫。

(4)玄武巖纖維高溫劣化和纖維與基體材料之間的黏結劣化是TRC在高溫下極限承載能力降低的重要原因。高鋁酸鹽水泥基TRC比硅酸鹽水泥基TRC具有更好的致密性，更適合在高溫環境中應用。