冷卻方式對(duì)高溫后ECC*

商興艷,陸洲導(dǎo)

(同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

冷卻方式對(duì)高溫后ECC*

商興艷,陸洲導(dǎo)?

(同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

研究了冷卻方式對(duì)高溫后ECC(Engineered Cementitious Composites)殘余力學(xué)性能的影響.將ECC試件加熱至不同的溫度(200，400，600和800 ℃)，采用不同的方式冷卻(自然冷卻和浸水冷卻)，然后測(cè)試其力學(xué)性能.結(jié)果表明，浸水冷卻的試件殘余力學(xué)性能優(yōu)于自然冷卻的試件，且溫度越高，冷卻方式的影響越大.高溫前后ECC的微觀結(jié)構(gòu)可以通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)法和壓汞試驗(yàn)(MIP)分析，微型測(cè)試結(jié)果可以很好的解釋高溫后ECC試件力學(xué)性能的變化.

冷卻方式；力學(xué)性能；ECC；高溫；微觀結(jié)構(gòu)

混凝土是世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料.盡管發(fā)明混凝土的最初目的是為了讓其承受壓力，但是由于建筑荷載、化學(xué)侵蝕和溫度作用等原因，真實(shí)環(huán)境中的混凝土經(jīng)常受到拉應(yīng)力.混凝土的抗拉強(qiáng)度僅僅是抗壓強(qiáng)度的10%，所以當(dāng)受到拉應(yīng)力時(shí)脆性的混凝土?xí)_(kāi)裂.

為了改善混凝土的脆性，科研工作者發(fā)明了ECC (Engineered Cementitious Composites).基于微觀力學(xué)原理設(shè)計(jì)，它的拉應(yīng)變可以達(dá)到普通混凝土的幾百倍.ECC產(chǎn)生的裂縫細(xì)而密，最大裂縫寬度小于100 μm，單軸拉伸荷載下具有很高的延性和耐久性[1-2].現(xiàn)在，ECC的應(yīng)用越來(lái)越多[3-4]，它經(jīng)歷火災(zāi)或在高溫中使用的可能性也越來(lái)越大.因此，非常有必要研究高溫下ECC的性能.

一般的水泥基材料在高溫下會(huì)發(fā)生物理化學(xué)變化，導(dǎo)致力學(xué)性能(如受壓強(qiáng)度和彈性模量)降低.Peng[5]等人研究了高溫后纖維混凝土經(jīng)歷不同冷卻方式(包括自然冷卻、噴淋冷卻和浸水冷卻)后的殘余力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)冷卻方式對(duì)混凝土的殘余力學(xué)性能(如抗壓強(qiáng)度和斷裂能)影響很大.Gencel[6]研究了恒溫時(shí)間和冷卻方式對(duì)高強(qiáng)混凝土殘余力學(xué)性能的影響，Koksal[7]等人研究了高溫后輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能和物理性能.

也有學(xué)者開(kāi)展了高溫后ECC力學(xué)性能的研究.Sahmaran等人[8]研究了火后ECC的力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)火后ECC沒(méi)有發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象，力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)纖維混凝土.文獻(xiàn)[9]研究了PVA纖維和粉煤灰用量對(duì)高溫后ECC微觀結(jié)構(gòu)和殘余力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入PVA纖維是抵抗高溫爆裂的有效方法.

高溫后ECC的力學(xué)性能研究仍有很大的空間，與普通混凝土或高強(qiáng)混凝土類似，不同的冷卻方式對(duì)火后ECC的力學(xué)性能會(huì)有很大影響.本文主要研究高溫后ECC經(jīng)歷不同冷卻方式后的性能.

1 試驗(yàn)研究

1.1 材料、配合比和基本力學(xué)性能

生產(chǎn)ECC的原材料有P.I型525水泥(C)，I級(jí)粉煤灰(FA)，沙，水(W)，PVA纖維，聚羧酸系高效減水劑(HRWR)和羥丙基甲基纖維素(HPMC).配合情況如表1所示.與一般的纖維混凝土不同，ECC的組成成分和配合比是根據(jù)微觀力學(xué)原理設(shè)計(jì)的，可以達(dá)到期望的應(yīng)變硬化特性[10].部分水泥被粉煤灰取代，可以提高受拉應(yīng)變硬化，同時(shí)使ECC成為生態(tài)友好型材料.PVA纖維直徑39 μm，長(zhǎng)度8 mm，抗拉強(qiáng)度1 620 MPa，彈性模量42.8 GPa，最大延伸率6.0%.而且，PVA纖維的表面有一層專用油劑，滿足纖維和基體的界面特性設(shè)計(jì)要求.

使用狗骨試件研究ECC材料的直接拉伸行為共3個(gè)試件[11]，試件尺寸見(jiàn)圖 1.直接拉伸試驗(yàn)由位移控制，加載速率0.005 mm/s.28 d齡期的ECC典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，拉應(yīng)變是4%，極限抗拉強(qiáng)度是3.8 MPa，方差0.02 MPa2.

表1 ECC的配合情況

圖1 狗骨試件尺寸(mm)

應(yīng)變/%

1.2 試件準(zhǔn)備和試驗(yàn)

澆筑1 d后將試件從模具中取出，放在水箱中養(yǎng)護(hù)28 d.立方體試件的尺寸是50 mm×50 mm×50 mm[12].常溫對(duì)比試件有5個(gè)，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定時(shí)間后立刻受壓.爐溫由計(jì)算機(jī)控制，分別加熱到200,400,600和800 ℃，升溫速率13.3 ℃/min.當(dāng)爐溫達(dá)到目標(biāo)溫度之后，恒溫1 h，使試件達(dá)到熱平衡狀態(tài).由于試件的尺寸很小，恒溫1 h之后，試件中心的溫度也達(dá)到了目標(biāo)溫度.高溫后的試件分別放在空氣中自然冷卻和浸水冷卻5 min.降溫后的試件密封7 d后受壓.加載由位移控制，加載速率0.6 MPa/s[12]，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄荷載和變形值.每一組目標(biāo)溫度和冷卻方式有4個(gè)試件.常溫對(duì)比試件的抗壓強(qiáng)度是30.14 MPa.

試件命名方式如下：最高溫度-冷卻方式.例如：400A(W)，式中A指自然冷卻，W指浸水冷卻5 min.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件表面特征

評(píng)估火后損傷混凝土結(jié)構(gòu)首先要觀察其顏色變化、表面開(kāi)裂和剝離的情況[13].當(dāng)ECC構(gòu)件受到高溫作用時(shí)，會(huì)發(fā)生一些顏色上的變化.圖3展示了經(jīng)歷不同溫度和冷卻方式的ECC試件顏色的變化，對(duì)于自然冷卻的試件，由于失水和化學(xué)分解，在20 ℃時(shí)是灰色，800 ℃時(shí)變?yōu)闇\黃色.800 ℃的試件浸水冷卻后顏色變成了深灰色，這可能是由于發(fā)生了進(jìn)一步的化學(xué)分解的緣故.

觀察高溫后試件表面的開(kāi)裂情況.試件在400 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的細(xì)絲般的裂縫，到800 ℃時(shí)，微裂縫的尺寸變大，這與試件孔結(jié)構(gòu)的變化是一致的.但是，浸水冷卻后的試件由于進(jìn)一步的化學(xué)分解會(huì)愈合部分表面裂縫，這可能?chē)?yán)重影響孔結(jié)構(gòu)的特征和ECC試件的力學(xué)性能.

圖3 高溫后試件表面特征

2.2 燒失量

通過(guò)燒失量來(lái)評(píng)估高溫后試件的損傷情況.ECC試件燒失量(M0-Mi)/M0和溫度的關(guān)系如圖4所示，其中，Mi是試件高溫后的質(zhì)量，M0是初始質(zhì)量.從圖4中可以看出，燒失量隨溫度的升高而增加，這主要是由于自由水和結(jié)合水的蒸發(fā).當(dāng)溫度變得比較高，達(dá)到600 ℃ 和800 ℃時(shí)，主要是水泥漿脫水分解所致[14].400 ℃以后，纖維熔化損失的質(zhì)量也對(duì)燒失量有影響.

圖4中還給出了高溫后ECC試件浸水冷卻5 min后的吸水率.200 ℃時(shí)，吸水率與燒失量相同，這是因?yàn)?00 ℃時(shí)試件質(zhì)量損失主要是自由水和物理結(jié)合水的蒸發(fā).400 ℃時(shí)，吸水率略低于燒失量，這是由于400 ℃時(shí)試件的質(zhì)量損失部分是水化產(chǎn)物的分解和化學(xué)結(jié)合水的蒸發(fā).最終，隨著溫度的增加，吸水率明顯高于燒失量，這是因?yàn)?00 ℃和800 ℃時(shí)試件產(chǎn)生大量的微裂縫.

溫度/℃

2.3 微觀結(jié)構(gòu)特征

孔結(jié)構(gòu)控制著復(fù)合材料中水的排出，孔結(jié)構(gòu)的變化反應(yīng)了高溫后材料性能的退化[15-16].本文中，用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察試件的微觀結(jié)構(gòu)，采用壓汞試驗(yàn)(MIP)確定常溫和高溫后ECC試件孔隙率的變化和孔徑分布.微觀試驗(yàn)的結(jié)果很好地解釋了高溫后ECC試件宏觀行為的變化.

2.3.1 SEM觀察

為了研究高溫后纖維和基體的微觀結(jié)構(gòu)，用SEM觀察高溫后的ECC試件.SEM的型號(hào)是JSM-6380LV.試件400A,400W,800A和800W的SEM微觀圖像如圖5所示.圖5(a)和(b)是200A和400A試件的SEM顯微圖像.200 ℃時(shí)，纖維沒(méi)有熔化，400 ℃時(shí)，纖維完全熔化，基體中產(chǎn)生了許多連通孔隙和小管道.因此，PVA纖維明顯影響高溫后ECC試件的孔隙率.圖5(c)和(d)分別是ECC試件400W和800W的顯微圖像，可以看出，試件水中冷卻后出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)，新晶體的出現(xiàn)有助于試件強(qiáng)度的增加.而且，試件800W比400W產(chǎn)生更多晶體，這導(dǎo)致試件800W的強(qiáng)度剛度增加很多.

然而，SEM法很難定量地判斷經(jīng)歷不同溫度和冷卻方式的試件微觀結(jié)構(gòu)的不同.所以，高溫后試件微觀結(jié)構(gòu)的不同將通過(guò)MIP試驗(yàn)進(jìn)一步判斷.

(a) 200A

(b) 400A

(c) 400W

(d) 800W

2.3.2 高溫后ECC試件的孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

MIP試驗(yàn)可以提供很多關(guān)于孔結(jié)構(gòu)的信息(包括ECC的孔隙率、平均孔徑和孔徑分布).測(cè)試儀器為Pascal 240孔徑分析儀.

表2中總孔隙率的增加證實(shí)了高溫后ECC結(jié)構(gòu)整體性的破壞.如表中所示，冷卻方式相同時(shí)，溫度升高，ECC試件的平均孔徑變大，總孔隙率增加(200 ℃除外)；溫度相同時(shí)，浸水冷卻試件的平均孔徑和總孔隙率要比自然冷卻的試件小.

表2 ECC試件總孔隙率的變化

高溫200 ℃的試件的總孔隙率降低1.6%，這導(dǎo)致其強(qiáng)度和剛度的略微增加.試件200W, 400W,600W和800W的孔隙率都比相同溫度下自然冷卻的試件分別降低2.4%,4.7%,8.0% 和7.2%；平均半徑分別減小了2.9%,4.5%,10.1%和13.3%.尤其是較高的600 ℃和800 ℃時(shí)，降低幅度更加明顯.這是因?yàn)樵嚰髸?huì)發(fā)生進(jìn)一步的水化反應(yīng)，生成更多的CSH凝膠和晶體，沉積在孔隙里，導(dǎo)致其強(qiáng)度和剛度的增加.而溫度較高時(shí)，由于試件微裂縫數(shù)量較多，吸收的水分比較多(見(jiàn)圖4)，所以影響更大.

圖6表示的是dV/dlogD和logD的關(guān)系，其中V是累計(jì)壓入汞體積，D是孔徑.試件800A和常溫試件數(shù)量最多的孔徑范圍分別是20～40 μm和0.05～0.11 μm，這表明了高溫對(duì)孔結(jié)構(gòu)的粗化作用.試件400W和800W數(shù)量最多的孔徑范圍分別是0.06～0.15 μm和16～35 μm，均比自然冷卻的試件孔徑小，這證實(shí)了由于水化作用導(dǎo)致的浸水冷卻對(duì)孔結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用.

圖7是累計(jì)壓入汞體積與孔徑的關(guān)系.冷卻方式相同時(shí)，累計(jì)壓入汞體積隨著溫度的升高而增加，200 ℃除外；相同溫度下，浸水冷卻的試件比自然冷卻的試件累計(jì)壓入汞體積小，800 ℃時(shí)尤為明顯，這說(shuō)明800 ℃的高溫作用后，試件的力學(xué)性能對(duì)冷卻方式更加敏感.

可見(jiàn)，MIP的試驗(yàn)結(jié)果可以很好地解釋ECC的力學(xué)性能隨溫度的升高而降低(200 ℃除外)，和浸水冷卻對(duì)試件強(qiáng)度剛度的恢復(fù)作用.

LogD/μm

LogD/μm

2.4 殘余抗壓強(qiáng)度

圖8是浸水冷卻試件與自然冷卻試件的強(qiáng)度比、剛度比和位移比.與自然冷卻的試件相比，200 ℃時(shí)，水中冷卻的試件抗壓強(qiáng)度和剛度分別增加了2%和10%，位移降低了2%；到800 ℃時(shí)，強(qiáng)度和剛度分別增加了13%和62%，位移降低了24%，這與微觀試驗(yàn)結(jié)果相吻合.試件吸收的水有助于進(jìn)一步水化產(chǎn)生更多的CSH凝膠和晶體(見(jiàn)圖5(b)和(d))，減少了中間裂縫.結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了剛度比強(qiáng)度對(duì)微裂縫更敏感[17-18].隨著溫度升高，冷卻方式的影響越大.這可能是由于溫度高時(shí)，試件的吸水率增加，見(jiàn)圖4，產(chǎn)生更多的晶體和CSH凝膠，所以更易受其影響.

圖8 浸水冷卻試件與自然冷卻試件的強(qiáng)度比、剛度比和位移比

2.5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示.從圖9可以看出受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)類似，冷卻方式相同時(shí)，峰值應(yīng)力隨溫度的增加而降低，而與峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變卻隨溫度的升高而增加(200 ℃除外).隨著溫度的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的坡度變緩，表明ECC試件的剛度降低.水中冷卻有助于殘余力學(xué)性能的恢復(fù).相同溫度下，浸水冷卻后試件的強(qiáng)度和剛度都略有恢復(fù)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積也增加了，表明吸收能量的增加.

應(yīng)變/%

3 結(jié) 論

本文主要研究冷卻方式對(duì)高溫后ECC試件力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響.基于試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)ECC試件的顏色由20 ℃的灰色變?yōu)?00 ℃的淺黃色，浸水冷卻后變?yōu)樯罨疑?400 ℃時(shí)試件開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)絲狀的微裂縫，浸水冷卻會(huì)修復(fù)部分表面裂縫.燒失量和吸水率均隨溫度的升高而增加.

2) 采用SEM法觀察ECC試件的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，PVA纖維完全融化， 600和800 ℃時(shí)幾乎所有的水化產(chǎn)物都失去了晶體結(jié)構(gòu)特征.試件水中冷卻后出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)，新晶體的出現(xiàn)有助于試件強(qiáng)度的增加.采用MIP試驗(yàn)測(cè)試孔隙率，結(jié)果表明高溫后孔結(jié)構(gòu)粗化，孔隙率增加(200 ℃除外)，浸水冷卻試件的平均孔徑和總孔隙率要比自然冷卻的試件小.

3)浸水冷卻的試件的殘余力學(xué)性能要比自然冷卻的試件好，且溫度越高，冷卻方式的影響越大.試件剛度對(duì)溫度和冷卻方式的變化更加敏感.

4) 所有試件的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)類似，冷卻方式相同時(shí)，峰值應(yīng)力隨溫度的增加而降低，200 ℃除外.水中冷卻有助于殘余力學(xué)性能的恢復(fù).

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Influence of Cooling Regimes on the Mechanical Properties of ECC After High Temperatures

SHANG Xing-yan, LU Zhou-dao?

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji Univ, Shanghai 200092, China)

This paper studied the influence of cooling regimes on the residual mechanical properties of ECC (Engineered Cementitious Composites) after high temperatures. The ECC specimens were heated to different temperatures (200, 400, 600 and 800 ℃) and cooled in different regimes (cooling in air and quenching in water). The residual mechanical properties were tested. The results indicated that the specimens quenching in water gained better mechanical properties than the one cooling in air and the influence of cooling regimes increased with temperature. The micro structural characterization was examined before and after exposure to fire deterioration by using scanning electron microscopy (SEM) and mercury intrusion porosimetry (MIP) test. The results from the micro test explained the mechanical property variation of post-fire specimens.

cooling regimes; mechanical properties; ECC; high temperature; microstructure

1674-2974(2015)07-0081-06

影響

2014-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378397)，National Natural Science Foundation of China(51378397)

商興艷(1989-)， 女, 山東濱州人，同濟(jì)大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail:lzd@#edu.cn

TU528.572

A