纖維增韌水泥基復(fù)合材料耐火性能研究進(jìn)展

纖維增韌水泥基復(fù)合材料耐火性能研究進(jìn)展

0ecc材料在高溫下的經(jīng)濟(jì)性能加利福尼亞州的密歇根大學(xué)和密歇根大學(xué)的喬治卡隆納漢首次提出了基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理的材料微觀結(jié)構(gòu)的有意識(shí)設(shè)計(jì)和調(diào)整。此外，該配合物在室溫下具有優(yōu)異的耐蔭性，如高耐水性、縫寬能適應(yīng)性、低滲性和良好的耐用性。鑒于ECC材料優(yōu)越的性能,該材料在美國(guó)、歐洲和日本的工程應(yīng)用方面進(jìn)展很快,先后成功地應(yīng)用到了許多實(shí)際工程中。隨著ECC的日益廣泛應(yīng)用,由于ECC中含有PVA纖維和比普通混凝土更多的粉煤灰,PVA纖維在高溫下會(huì)熔融,因此,其在火災(zāi)下的耐火性能是亟需研究的課題。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)其高溫后的性能進(jìn)行了初步的研究,研究成果表明ECC在高溫后的性能有不同于普通混凝土的特點(diǎn),同時(shí)在如何提高ECC的耐火性能方面也進(jìn)行了研究與探索,取得了一些成果。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外ECC耐火性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧,并根據(jù)現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀對(duì)ECC的進(jìn)一步研究提出了展望,為ECC結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究提供參考。1在高溫下，pa纖維增強(qiáng)水泥基材料的物理和化學(xué)性質(zhì)有所增加1.1水化物高溫分解機(jī)理及演化機(jī)理硬化后的水泥基復(fù)合材料是一種具有多相(氣相、液相和固相)和多尺度(微觀、細(xì)觀和宏觀)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體。材料復(fù)雜的宏觀行為反映了微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及相互作用,材料宏觀堆聚、微觀多孔等結(jié)構(gòu)特征與其宏觀力學(xué)行為和耐久性有著密切的關(guān)系,因此,微觀尺度結(jié)構(gòu)形貌、細(xì)觀層次的力學(xué)行為和宏觀唯象對(duì)于研究水泥基復(fù)合材料的復(fù)雜行為十分重要。高溫引起水化物分解和自由水遷移,使得空隙粗化和膠結(jié)性能下降,最后導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料物理力學(xué)性能劣化,并引起材料結(jié)構(gòu)損傷。因此,需要研究水化物高溫分解及其誘發(fā)孔隙粗化的演化機(jī)理。MustafaSahmaran采用壓汞法對(duì)常溫下和高溫后ECC的孔隙率和平均孔隙直徑進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,隨著溫度的升高,ECC材料在高溫后,總的孔隙率增加并產(chǎn)生了孔隙粗化的現(xiàn)象,這是ECC強(qiáng)度和彈性模量降低的主要原因,根據(jù)Rostasy的研究,直徑大于0.1μm的孔是影響混凝土強(qiáng)度的主要原因。壓汞法試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)經(jīng)受400℃及以下的溫度時(shí),直徑大于0.1μm的孔的體積含量是比常溫下降低的,這可能是未水化的水泥顆粒進(jìn)一步水化,未水化的粉煤灰顆粒與石灰石發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣并存在孔隙中,在此溫度范圍內(nèi),ECC的孔隙粗化不明顯。1.2聚丙烯纖維與pva纖維MustafaSahmaran的研究表明:僅在沒(méi)有摻入PVA纖維的試件中觀察到了爆裂和表面開裂,而摻入PVA纖維的試件并沒(méi)有發(fā)生爆裂的現(xiàn)象。根據(jù)混凝土研究結(jié)果,在混凝土中摻入聚丙烯纖維可以有效地防止混凝土高溫爆裂的發(fā)生,提高殘余強(qiáng)度。ECC中的PVA纖維起著與聚丙烯纖維類似的作用,它們也可以融化,并且形成可以讓水蒸汽轉(zhuǎn)移的通道,從而避免內(nèi)部壓力的形成也防止了爆裂的產(chǎn)生。MustafaSahmaran認(rèn)為,由于PVA纖維在大約230℃的溫度下融化,PVA纖維融化后在ECC內(nèi)部產(chǎn)生了大量的細(xì)孔和通道,因此水蒸汽能夠被快速排向外界,避免了爆裂的發(fā)生。1.3ecc質(zhì)量損失率ECC試塊在受高溫后,質(zhì)量將顯著下降。前200℃的質(zhì)量損失速度最快,200℃~400℃的質(zhì)量損失速度略低于前200℃但高于其他溫度段,400℃~600℃的質(zhì)量損失速度小。600℃后質(zhì)量損失速度又開始增加。這是由于前200℃試塊質(zhì)量的損失主要是自由水的蒸發(fā),200℃~400℃為ECC成分中含水鹽類中結(jié)晶水的脫離過(guò)程,且PVA纖維在該階段完成了熔融并揮發(fā),400℃~600℃對(duì)質(zhì)量損失率的影響較小,該階段仍為含結(jié)晶水鹽類的脫水過(guò)程,600℃~800℃為部分水化產(chǎn)物的分解過(guò)程。田露丹還研究不同粉煤灰摻量、砂膠比、水膠比和礦渣含量與高溫后質(zhì)量損失率的關(guān)系,受熱溫度從0至800℃。ECC質(zhì)量損失率的范圍在13%~15.8%。粉煤灰含量增加20%,質(zhì)量損失率降低了28%,降幅達(dá)17.7%。這表明:粉煤灰含量的增加對(duì)于減小由于高溫造成的質(zhì)量損失是有利的。增加砂膠比對(duì)于減小由于高溫造成的質(zhì)量損失效果顯著,這是由于石英砂具備較好的熱穩(wěn)定性,800℃不會(huì)發(fā)生分解。增加水膠比對(duì)于試塊高溫后質(zhì)量損失率的增大是顯著的。分析主要是由于低水膠比的ECC密實(shí)度相對(duì)較差,孔隙率高,在相同條件下所吸收的自由水量較多,因而在0℃~200℃的質(zhì)量損失較大。而對(duì)于礦渣ECC而言,隨著礦渣含量的增加,高溫后質(zhì)量損失牢之問(wèn)的差異不顯著。2在高溫下，pa纖維增強(qiáng)水泥基材料的強(qiáng)度和性能2.1ecc3高溫下殘余彈性模量和力學(xué)性能的變化根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的試驗(yàn)研究,高溫后ECC殘余抗壓強(qiáng)度的衰減是不可避免的。ECC高溫冷卻后的殘余抗壓強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo),它對(duì)高溫(火災(zāi))后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估及鑒定加固具有重要意義。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究,自然冷卻后ECC的殘余抗壓強(qiáng)度的情況如圖1所示。(1)在20℃~200℃時(shí),ECC殘余抗壓強(qiáng)度和彈性模量下降幅度大約在15%,強(qiáng)度和彈性模量的降低可能是由于ECC受熱內(nèi)部產(chǎn)生了細(xì)小的裂紋。(2)在200℃~400℃時(shí),國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果并不相同。MustafaSahmaran的研究表明ECC殘余抗壓強(qiáng)度基本沒(méi)有降低。這是由于PVA纖維受熱融化,在ECC基體內(nèi)部新產(chǎn)生了孔隙和通道,PVA纖維不僅能夠在常溫下使得ECC具有良好的韌性,而且受熱融化產(chǎn)生的孔隙和通道能夠防止爆裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。在200℃和400℃之間抗壓強(qiáng)度沒(méi)有降低的另外一個(gè)原因就是盡管總的孔隙率增加了,但是ECC基體的平均孔隙直徑卻基本沒(méi)有變化。在此溫度范圍內(nèi),ECC殘余彈性模量降低得非常明顯,在400℃時(shí),ECC的殘余彈性模量降低了大約44%。這是由于400℃時(shí),ECC孔隙率的增加使得抗壓強(qiáng)度缺乏對(duì)微裂紋和水分流失的敏感性。田露丹的研究則表明,在此溫度內(nèi)ECC的抗壓強(qiáng)度繼續(xù)降低,在400℃時(shí),ECC的殘余抗壓強(qiáng)度降低了大約20.27%。根據(jù)田露丹對(duì)試驗(yàn)的描述,抗折試塊采用尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體,抗壓試驗(yàn)采用抗折破壞后的殘余部分。在進(jìn)行棱柱體的抗折試驗(yàn)時(shí),棱柱體受到力的作用,對(duì)后續(xù)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果是否有影響還有待研究。(3)在400℃~600℃以及600℃~800℃時(shí),殘余抗壓強(qiáng)度和彈性模量有了明顯的下降。在600℃和800℃時(shí),殘余抗壓強(qiáng)度分別大約降低了47%和76%,彈性模量分別大約降低了65%和78%。微觀結(jié)構(gòu)的分析表明,600℃時(shí)力學(xué)性能急劇降低主要是由于物理變化(孔隙率、平均孔隙直徑和裂縫密度的增加)造成的。800℃時(shí)砂漿基體在高溫下穩(wěn)定性將變差,部分水化產(chǎn)物在高溫下將發(fā)生分解,試塊膠砂界面處本來(lái)穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞,力學(xué)性能降低。MustafaSahmaran研究了粉煤灰與水泥質(zhì)量之比(FA/C)分別為1.2和2.2時(shí),ECC高溫后的殘余彈性模量與抗壓強(qiáng)度,如圖2、圖3所示。經(jīng)歷200℃后,ECC2(FA/C=2.2)相比ECC1(FA/C=1.2)表現(xiàn)出了更好的耐火性能。ECC2只損失了差不多5%的抗壓強(qiáng)度,這主要是粉煤灰顆粒與石灰石反應(yīng)生成水化硅酸鈣,這種水化物比C-S-H凝膠的強(qiáng)度高2~3倍。從圖中可以看出,粉煤灰含量越高,試件的高溫后力學(xué)性能損失越小。這是由于ECC1的孔隙結(jié)構(gòu)更致密,導(dǎo)致受熱后蒸汽壓力比ECC2高,內(nèi)部更容易產(chǎn)生裂縫。ECC2在所有溫度下表現(xiàn)出了比ECC1更好的性能。國(guó)外學(xué)者研究表明,加入粉煤灰可以提高水泥凈漿的殘余抗壓強(qiáng)度,這種提高在400℃以上時(shí)表現(xiàn)得更加明顯。在400℃以后,CH發(fā)生分解,并且游離的CH再次發(fā)生水化反應(yīng),體積增加了44%,這使得內(nèi)部裂紋增加,降低了水泥凈漿的殘余抗壓強(qiáng)度。由于粉煤灰顆粒與石灰石發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣。因此,ECC中含有的粉煤灰減少了ECC內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生并改善了力學(xué)性能。但是另一方面,當(dāng)經(jīng)受800℃的高溫后,粉煤灰摻量的影響就很小。2.2ecc纖維的力學(xué)性能現(xiàn)有對(duì)ECC高溫后殘余抗折強(qiáng)度的研究還比較少,田露丹對(duì)高溫后ECC的抗折強(qiáng)度研究結(jié)果如圖4所示。當(dāng)受熱溫度在20℃~200℃時(shí),試塊的抗折強(qiáng)度下降速率較慢,200℃~400℃內(nèi)的抗折強(qiáng)度下降最快,400℃~600℃內(nèi)的下降速度不顯著,600℃以后下降的速率急增。ECC的抗折強(qiáng)度和纖維在基體中產(chǎn)生的橋接力相關(guān),且主要由纖維自身抗拉強(qiáng)度和界面化學(xué)黏結(jié)力控制。由于PVA纖維的干熱軟化點(diǎn)為216℃,200℃不能使PVA纖維熔融,因而20℃~200℃抗折強(qiáng)度的下降分析是由于纖維本體抗拉強(qiáng)度或者纖維與砂漿基體之間的化學(xué)黏結(jié)力下降造成的。200℃~400℃時(shí),PVA纖維發(fā)生熔融并揮發(fā),ECC抗折強(qiáng)度驟降,400℃抗折強(qiáng)度損失率幾乎是200℃的3倍。400℃后,ECC內(nèi)的PVA纖維已經(jīng)揮發(fā)至盡,剩余的是孔隙率較大的基體,蜂巢似的基體結(jié)構(gòu)依然具備一定的承載力,但溫度升高所致的孔隙直徑的增大與孔隙之問(wèn)的貫通也將導(dǎo)致強(qiáng)度的下降。而當(dāng)受熱溫度從600℃增至800℃時(shí),抗折強(qiáng)度驟降,該溫度段強(qiáng)度的損失主要是由于砂漿基體的部分水化產(chǎn)物發(fā)生了分解,原先穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。3ecc高溫下的力學(xué)性能研究(1)國(guó)內(nèi)外有關(guān)ECC高溫后的力學(xué)性能的研究結(jié)果尚少,部分結(jié)論還存在一定的不一致,應(yīng)進(jìn)一步開展該方面的研究。(2)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)ECC的研究主要集中在高溫后,對(duì)高溫下ECC的力學(xué)性能以及熱工性能研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道,對(duì)高溫下ECC的力學(xué)性能以及熱工性能亟需研究。(3)對(duì)ECC材料的研究需開展從材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變到宏觀熱損傷的多尺度研究,