纖維增強(qiáng)水泥砂漿的耐高溫性能★

高紫陽 蔣曉宇 朱成安 高陳彪 謝子令

(溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

纖維增強(qiáng)水泥砂漿的耐高溫性能★

高紫陽 蔣曉宇 朱成安 高陳彪 謝子令

(溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

通過對普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、鋼纖維制備的不同試樣的實驗測試，測得了不同纖維含量的水泥基復(fù)合材料在高溫后的質(zhì)量損失、超聲波波速損失及力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明：隨溫度升高，其質(zhì)量損失百分比、波速減少百分比均增大，水泥基復(fù)合材料的抗壓、抗折強(qiáng)度不斷減小。

鋼纖維,水泥基材料，纖維摻量，力學(xué)性質(zhì)

0 引言

水泥基材料作為土木工程主體材料已有一百多年歷史了。其優(yōu)良的性能，使得水泥基材料廣泛應(yīng)用于高樓、道路和工廠等地方。水泥基材料是一種非均質(zhì)材料,內(nèi)部缺陷是水泥基復(fù)合材料破壞的主要因素[1]?；馂?zāi)受熱下會產(chǎn)生微觀溫度應(yīng)力，出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，使其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)性能大大削弱，造成巨大財產(chǎn)損失。水泥基材料質(zhì)量減少,形成大量的孔洞和裂紋,導(dǎo)致強(qiáng)度、彈性模量和耐久性急劇下降。因此，其耐高溫性能不夠理想。

隨著建筑的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土的耐久性問題越來越引起國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。大量的研究使得混凝土的各種力學(xué)性能與耐久性都有了很大的改善。但卻沒有使其耐火、耐高溫性能得到相應(yīng)的提高，相反由于密實性的提高而影響高性能混凝土的耐高溫性能。隨著城市火災(zāi)的不斷發(fā)生，而火災(zāi)造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞日益加劇,使得混凝土建筑存在很大的安全隱患。一旦發(fā)生事故，會引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失和傷亡。提高該材料耐高溫性能，有利于建筑物在高溫下強(qiáng)度損失減少，延長建筑物使用年限，有著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

20世紀(jì)60年代中期起，鋼纖維增強(qiáng)混凝土在土木工程中獲得日益廣泛的應(yīng)用，在研究其增強(qiáng)機(jī)理時，人們發(fā)現(xiàn)了鋼纖維與混凝土之間的密切關(guān)系，纖維增強(qiáng)混凝土的研究蓬勃開展起來[2]。摻有鋼纖維的混凝土比普通混凝土有更出色的力學(xué)性能[3]。摻入鋼纖維能夠提高混凝土的韌性和延性，并且已經(jīng)在實際工程中使用[4]。鋼纖維以其優(yōu)良的物理性能在土木、水利建筑更多專業(yè)領(lǐng)域得到逐步推廣和應(yīng)用[5]。

雖然此前已有一些實驗采用低摻量(纖維體積率為1%～2%)的高強(qiáng)高彈聚乙烯醇纖維(簡稱PVA纖維)進(jìn)行了水泥基材料的耐高溫性能影響研究，有一定的研究積累。但對于鋼纖維含量對水泥基材料的耐高溫性能影響，還有待更深入一步研究。鑒于此，本實驗對不同纖維含量的水泥基復(fù)合材料在不同溫度作用后的外觀形貌、質(zhì)量損失、力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度)及超聲波波速的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究，旨在揭示高溫處理后的損傷特性及變化規(guī)律。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗中所采用的水泥為海螺牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；砂為福建中砂，細(xì)度模數(shù)為2.4；粉煤灰(溫州電廠，二級)；鋼纖維：贛州大業(yè)金屬纖維有限公司的鍍銅鋼纖維(抗拉強(qiáng)度大于2 850 MPa，直徑0.2 mm，長度13 mm)。

1.2 試件設(shè)計與制作

試件共分4組，實驗配合比如表1所示。試件采用鋼試模澆鑄成型，兩側(cè)均涂有潤滑油。先稱取好水泥加入攪拌機(jī)，干拌2 min，依次慢慢加入粉煤灰、纖維和砂子干拌2 min，最后加水?dāng)嚢?。攪拌均勻后移至鋼試模中，在振動臺上振動30 s，振動后平面刮平并增補(bǔ)，再重復(fù)振動2次。移至地面養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 實驗配合比 kg

1.3 實驗測試

將每大組試塊分成三小組，每小組試件數(shù)目為3個；三個小組的試塊分別進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 d后，置試塊于爐中，分別升溫至室溫，300 ℃,600 ℃,900 ℃，達(dá)到最高溫度后保溫2 h，打開爐門進(jìn)行冷卻。待試樣冷卻至室溫，取出試塊，稱取高溫后的質(zhì)量，觀察試塊表面有無裂縫，有無脫落。最后對每組試塊進(jìn)行質(zhì)量損失、超聲波波速減少、立方抗壓強(qiáng)度測試、棱柱抗壓強(qiáng)度測試、抗折強(qiáng)度測試等實驗。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 試樣高溫前后表觀特性

由于纖維添加和有纖維的試樣的表觀特性十分相似，故不分別說明。從圖1中可以看出來，在經(jīng)過300 ℃高溫處理后的試樣與常溫狀態(tài)下的試樣在表觀差異上并不是十分明顯，沒有非常明顯開裂的痕跡，也無貫穿性的裂縫，僅僅孔洞略微的有點(diǎn)擴(kuò)大，表面顏色變淺，主要是在高溫處理的過程中由于地質(zhì)聚合物中的結(jié)合水蒸發(fā)所導(dǎo)致的。但是經(jīng)過600 ℃，900 ℃高溫處理過的試樣卻變化十分明顯。600 ℃處理后的試樣絕大部分面積呈灰白色，添加鋼纖維的試樣中在其表面還能看見一些紅褐色的銹斑，這是由于這批試樣在進(jìn)行自然冷卻的時候正巧遇到下雨天，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣含量高，高溫后的鋼纖維與水蒸氣發(fā)生了氧化反應(yīng)所致。試樣表面的孔洞增多，裂紋也十分清晰，甚至有掉皮的現(xiàn)象，但這僅發(fā)生在試樣的表面，孔洞和裂紋沒有貫穿試樣整體，依舊保持一個試樣的整體性，滿足實驗的要求。900 ℃的試樣較之600 ℃試樣，表面顏色更白一些，孔洞和裂紋也明顯很多，稍微一用力碰觸就有塵土掉落，但仍然滿足進(jìn)行實驗的基本要求。試樣表觀形態(tài)匯總見表2。

表2 不含纖維的水泥試樣的高溫前后表觀特性

纖維的添加對水泥試樣破壞形態(tài)也具有一定的影響。如圖2所示，對比圖2可以清晰的看到，不含纖維的地質(zhì)聚合物試件為脆性破壞，裂縫橫貫試件整體，試件斷成兩截，在儀器上接收入到的圖像為上升的力曲線突然下降。而含有纖維的試件被破壞時，產(chǎn)生一條沒有貫穿整體的裂縫，從裂縫中裸露的纖維我們可以看到鋼纖維仍然相互連接，沒有發(fā)生斷裂，基體在纖維的幫助下保持一個整體，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有一定的韌性。

2.2 質(zhì)量損失

圖3是質(zhì)量損失率—溫度曲線，從圖3中可以看出，試件質(zhì)量損失隨溫度增高而增大，達(dá)到900 ℃時，試塊質(zhì)量損失百分比最高可達(dá)10.62%。水泥基材料的質(zhì)量損失主要由于水分的蒸發(fā)、水化硅酸鈣脫水分解和碳酸鈣的分解。在0 ℃～300 ℃時，試件內(nèi)部自由水大量蒸發(fā)，質(zhì)量損失較大，300 ℃～600 ℃時，自由水、吸附水和層間水蒸發(fā)，水化硅酸鈣脫水分解和碳酸鈣的分解，使得試件的質(zhì)量損失大幅度增大，質(zhì)量損失率達(dá)6.41%，質(zhì)量損失在此溫度區(qū)間較大，而高于600 ℃后質(zhì)量損失仍存在，但由于前階段的水分已大量蒸發(fā)，水化產(chǎn)物已分解等，總體變化較小，質(zhì)量損失百分比只比600 ℃溫度下高出1.9%。通過比對同溫度下不同纖維摻量組的質(zhì)量損失百分比，不難得出，總體曲線趨勢是一致的，質(zhì)量損失百分比最大相差1.2%，差別較小，在實驗誤差之內(nèi)，鋼纖維在加熱前后并沒有太多的質(zhì)量變化，因此不同鋼纖維摻量對水泥基復(fù)合材料加熱前后質(zhì)量損失并無明顯影響。

2.3 超聲波波速性質(zhì)

圖4是超聲波波速損失率—溫度曲線，以圖4可以看出，超聲波波速隨溫度升高有明顯降低，試塊超聲波波速減少百分比最大可達(dá)83.86%。低于300 ℃時波速減少百分比增長較緩慢，最高減少9.59%。在300 ℃～600 ℃波速減少百分比增長迅速，損失高達(dá)72.61%，但高于600 ℃后又緩慢增長，可知當(dāng)溫度在300 ℃～600 ℃時，超聲波波速減少較大。比對各不同鋼纖維摻量組實驗數(shù)據(jù)，總體趨勢沒有改變，且同溫度下不同鋼纖維摻量試塊超聲波波速減少相差最大4.42%。可見不同鋼纖維摻量對水泥基材料加熱前后波速變化影響不大。

2.4 力學(xué)性能

圖5是抗折強(qiáng)度—溫度曲線關(guān)系圖，從圖5可以看出，水泥基復(fù)合材料的抗剪強(qiáng)度隨溫度上升明顯下降，至900 ℃時已經(jīng)接近于0，此時水泥基材料已經(jīng)不可以作為受彎構(gòu)件?？拐蹚?qiáng)度在加熱到300 ℃開始大幅度下降，在300 ℃～600 ℃區(qū)間強(qiáng)度下降45.14%。這是由于與抗壓強(qiáng)度相比，抗折強(qiáng)度對裂紋的敏感性更大；而600 ℃～900 ℃范圍內(nèi)，抗折強(qiáng)度下降只占總下降中的28.77%。比對不同鋼纖維摻量組的實驗數(shù)據(jù)，總體趨勢是一致的，增加纖維的試塊抗折強(qiáng)度數(shù)值明顯提升，最高可提升12.32%。

圖6是棱柱抗壓強(qiáng)度—溫度曲線圖，從圖6中可以看出，棱柱抗壓強(qiáng)度在溫度低于300 ℃時，抗壓強(qiáng)度值反而上升7.31%；高于300 ℃后，抗壓強(qiáng)度下降速率明顯增大。300 ℃～600 ℃強(qiáng)度數(shù)值下降25.68%，600 ℃后抗壓強(qiáng)度下降尤為明顯，水泥基材料內(nèi)部的水分幾乎完全蒸發(fā)、水化硅酸鈣脫水分解和碳酸鈣的分解，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，棱柱抗壓強(qiáng)度也隨之大幅度下降，此溫度區(qū)間棱柱抗壓強(qiáng)度下降占總體下降的69.50%。

圖7是立方抗壓強(qiáng)度—溫度關(guān)系曲線。從圖7可以看出，與抗折強(qiáng)度與棱柱抗壓強(qiáng)度不同，立方抗壓時對于試塊裂縫的敏感度較低，因此溫度低于300 ℃時，立方抗壓強(qiáng)度值反而上升6.38%；高于300 ℃后，立方抗壓強(qiáng)度下降尤為明顯，300 ℃～600 ℃強(qiáng)度數(shù)值下降39.83%，表明此溫度區(qū)間強(qiáng)度下降占總強(qiáng)度下降中的72.47%。600 ℃～900 ℃，立方抗壓強(qiáng)度仍保持高速下降的趨勢。所以混凝土的立方抗壓強(qiáng)度主要在300 ℃～900 ℃損失。摻入鋼纖維的材料明顯在抗壓數(shù)值上有所增大，隨纖維摻量的增大，立方抗壓強(qiáng)度提升的數(shù)值也升高，立方抗壓強(qiáng)度最高可以提升27.01%。從數(shù)據(jù)中可以看出，纖維的加入對于試塊的抗折強(qiáng)度提升高于立方抗壓強(qiáng)度提升。由于抗折強(qiáng)度對于裂縫的敏感較大，而纖維的加入有助于阻止裂縫的擴(kuò)張，減少了材料的內(nèi)部缺陷，提高了材料的初裂強(qiáng)度，延遲了裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)了材料的韌性。隨鋼纖維含量增大，水泥基復(fù)合材料的立方抗壓、抗折強(qiáng)度都不斷增大，其中抗折強(qiáng)度最高提升25.32%，立方抗壓強(qiáng)度最高提升27.01%。因此纖維對水泥基材料的強(qiáng)度有明顯的提升。

3 結(jié)語

1)水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失隨作用溫度的增高而增大；超

聲波波速損失隨作用溫度的升高而明顯增大；抗壓及抗折強(qiáng)度隨溫度上升明顯下降。2)同一溫度下，隨鋼纖維含量增多，水泥基復(fù)合材料的試塊立方抗壓強(qiáng)度明顯有所提高，抗折強(qiáng)度也有所提升，且纖維的加入對于試塊的抗折強(qiáng)度提升相對值高于抗壓強(qiáng)度。但高溫后的質(zhì)量及超聲波波速損失對纖維摻量的變化不敏感。

[1] 賈 哲，姜 波，程光旭，等.纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展.混凝土,2007(8):65-67.

[2] 李國維，高 磊，黃志懷，等.全長黏結(jié)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物錨桿破壞機(jī)制拉拔模型試驗.巖土力學(xué)與工程學(xué)報,2007(8):1654-1655.

[3] 劉永勝，王肖鈞，金 挺，等.鋼纖維混凝土力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系研究.中國科技大學(xué)學(xué)報,2007(7):719-723.

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High-temperature-resistant performance of fiber-reinforced cement mortar★

Gao Ziyang Jiang Xiaoyu Zhu Cheng’an Gao Chenbiao Xie Ziling

(CollegeofBuildingEngineering,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)

The paper applies common portland cement, fly ash and steel fiber for fabricating various fiber parameters testing examples, and measures the quality loss, supersonic velocity loss and mechanical properties of cement-based composites with different fiber contents after high temperature. Results show that: with the temperature rising, both the quality loss percentage and the supersonic velocity reducing percentage increase, cement-foundation composite material pressure-resisting strength and bending-resisting strength continuously reduce.

steel fiber, cement-foundation composite material, fiber parameter, mechanical properties

2015-09-11★：溫州大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”(項目編號：DC2014079)

高紫陽(1994- )，男，在讀本科生； 蔣曉宇(1995- )，男，在讀本科生； 朱成安(1994- )，男，在讀本科生； 高陳彪(1995- )，男，在讀本科生； 謝子令(1978- )，男，講師

1009-6825(2015)33-0122-03

TU525

A