PVA纖維增強型水泥基復(fù)合材料高溫后力學(xué)性能試驗

白文琦　呂晶　杜強　白亮　吳函恒

摘要：為了研究聚乙烯醇（PVA）纖維增強型水泥基復(fù)合材料高溫后的力學(xué)性能，對30組共90個試件進行了力學(xué)性能試驗，測得材料的立方體抗壓強度、抗折強度、彈性模量、軸心抗壓強度以及棱柱體單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，并與相應(yīng)基體的力學(xué)性能進行對比分析。結(jié)果表明：當(dāng)加熱溫度低于200 ℃時，PVA纖維的摻入可有效改善水泥基復(fù)合材料的抗折強度和棱柱體單軸受壓峰值荷載后的延性性能和韌性性能，降低彈性模量，對立方體抗壓強度和棱柱體軸心抗壓強度影響不大；溫度高于200 ℃后，抗折強度、彈性模量和峰值荷載后的延性性能與韌性性能與基體接近，立方體抗壓強度和軸心抗壓強度均低于基體，軸心抗壓強度下降幅度遠遠大于立方體抗壓強度。

關(guān)鍵詞：高溫；纖維增強型水泥基復(fù)合材料；聚乙烯醇；力學(xué)性能；應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

中圖分類號：TU528.043 文獻標(biāo)志碼：A

0引 言

PVA纖維增強型水泥基復(fù)合材料（PVA-ECC）是采用聚乙烯醇纖維來改善水泥基材料抗拉強度低、韌性差、抗震和抗沖擊強度較低的一種新型復(fù)合材料。自20世紀90年代Li等[1]提出超高韌性水泥基復(fù)合材料的基本設(shè)計理論以來，各國學(xué)者對該材料基本力學(xué)性能和耐久性進行了一系列試驗研究，取得眾多研究成果[2-7]，并在橋面板的耐久性修補[8]、大壩維修[9]、鐵路高架橋維修[10]、輸水渡槽維修[11]、ECC-鋼混雜結(jié)構(gòu)[12]等實際工程中得到應(yīng)用。

目前，大部分的研究集中在室溫狀態(tài)下的材料性能，主要是由于所使用的結(jié)構(gòu)部位大部分處于室外，無需考慮火災(zāi)對結(jié)構(gòu)物的影響。隨著PVA-ECC應(yīng)用范圍的不斷拓寬，部分學(xué)者在其作為修補材料來提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和作為耗能材料提高結(jié)構(gòu)抗震性等方面開展了大量研究[12-14]，研究結(jié)果表明，該類材料在室溫狀態(tài)時，較普通混凝土具有卓越的力學(xué)性能、良好的抗震性能和耐久性。對高溫后該類材料性能的變化規(guī)律各國鮮有報道，且PVA纖維屬于高分子有機纖維，耐熱性較差，作為結(jié)構(gòu)材料，其高溫后性能尤為重要。在此背景下，本文研究溫度對PVA-ECC力學(xué)性能的影響規(guī)律，為PVA-ECC構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計及火災(zāi)后的診斷、加固提供試驗依據(jù)。

本文對相同配合比PVA-ECC基體（以下簡稱基體）和PVA-ECC在室溫及不同溫度下的立方體抗壓強度、抗折強度、彈性模量、軸心抗壓強度及抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€等進行試驗研究，考察高溫后PVA-ECC及其基體力學(xué)性能的變化規(guī)律和破壞形式，并對試驗結(jié)果進行對比分析，提出高溫后PVA-ECC及其基體各性能的演變規(guī)律。

1試驗概況

1.1試驗原材料

試驗用水泥采用陜西秦嶺水泥廠生產(chǎn)的P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表1。粉煤灰為戶縣電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰；砂為渭河河砂，細砂，細度模數(shù)1.87；PVA纖維為山東泰安同伴纖維有限公司生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)見表2。

PVA纖維的熱分析試驗采用美國TA儀器公

由圖1可知，在100 ℃，200 ℃，400 ℃三個溫度時，PVA纖維均發(fā)生較大的質(zhì)量損失，500 ℃之后PVA纖維質(zhì)量幾乎為0，此時纖維完全分解。因此，本文將加熱溫度設(shè)定為100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃四個溫度，分別研究不同溫度下PVA-ECC及其基體性能的變化規(guī)律。

1.2試驗配合比

試驗配合比設(shè)計采用基于微觀力學(xué)的性能驅(qū)動設(shè)計方法[1]，各組成材料用量如表3所示。

1.3試驗方法

試驗共制作30組試件分別研究PVA-ECC及其基體的立方體抗壓強度、抗折強度、彈性模量以及單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。每組試件分別成型，40 mm×40 mm×160 mm的PVA-ECC及其基體試件各5組，每組3個，70.7 mm×70.7 mm×210 mm的PVA-ECC及其基體試件各10組，每組3個。試驗共制作試件90個。試件成型1 d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后進行試驗。

將養(yǎng)護至齡期的試件表面曬干后，放入SX2-16G系列箱式電阻爐內(nèi)進行加熱處理，加熱制度為：升溫速率為10 ℃·min-1，恒溫6 h，打開爐門冷卻1 h后，取出試件置于室內(nèi)。設(shè)計加熱溫度為100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃。

立方體抗壓、抗折試驗依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[15] 中相關(guān)規(guī)定進行，彈性模量試驗依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009）[16]中相關(guān)規(guī)定進行，采用WAW31000微機控制電液伺服萬能試驗機測試單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載速率為0.5 mm·min-1，試驗力通過試驗機自帶的力傳感器采集，受壓變形通過視頻引伸計采集。

2試驗結(jié)果分析

本文試驗得到40 mm×40 mm×160 mm試件的抗折強度Rf，立方體抗壓強度Rc，70.7 mm×70.7 mm×210 mm試件的彈性模量Em，軸心抗壓強度fm，峰值應(yīng)變εm，試驗結(jié)果見表4。

2.1抗折強度、立方體抗壓強度

PVA-ECC的抗折強度、抗壓強度是其力學(xué)性能中最基本、最重要的兩項，常作為基本參數(shù)確定材料的強度等級和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并決定著其他力學(xué)性能指標(biāo)。PVA-ECC在不同溫度時的抗折強度、抗壓強度也是研究其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)高溫性能的基礎(chǔ)。試驗得到的PVA-ECC及其基體抗折強度、抗壓強度如表4所示。不同溫度PVA-ECC基體與PVA-ECC抗折強度如圖2所示。從圖2可以看出，室溫狀態(tài)下，PVA-ECC抗折強度較其基體提高約1.8倍，隨著加熱溫度的提高，二者抗折強度值趨于接近，加熱溫度超過300 ℃后，PVA-ECC與基體的抗折強度值幾乎相等，表明PVA-ECC經(jīng)300 ℃以上高溫處理后，PVA纖維幾乎完全失去對復(fù)合材料抗拉強度的貢獻。

不同溫度PVA-ECC基體與PVA-ECC立方體抗壓強度如圖3所示。從圖3可以看出，加熱溫度在200 ℃以下，PVA-ECC與基體的立方體抗壓強度值較為接近，表明在加熱溫度200 ℃以下PVA纖維的摻入對基體抗壓強度影響不大。加熱溫度超過200 ℃后， PVA-ECC的立方體抗壓強度值較其基體下降明顯，經(jīng)400 ℃加熱處理后的PVA-ECC的立方體抗壓強度值只有其基體的81%，主要原因是加熱溫度較高時纖維發(fā)生熔融，基體內(nèi)孔隙率增大，抗壓強度降低。

2.2彈性模量

彈性模量是混凝土的重要力學(xué)性能， 它反映了混凝土所受應(yīng)力與所產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系， 是計算混凝土結(jié)構(gòu)變形、裂縫開展和溫度應(yīng)力所必需的參數(shù)之一。試驗測得的彈性模量與加熱溫度的關(guān)系如圖4所示。對比PVA-ECC及其基體的彈性模量可以看出，隨著加熱溫度的提高，PVA-ECC與基體的彈性模量均降低，PVA-ECC彈性模量均小于其基體，表明PVA纖維的摻入可有效降低基體的剛度，且隨著加熱溫度的提高，降低的幅度逐漸減小。

2.3單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

單軸受壓狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全面地反映了各個受力階段的變形特點和破壞全過程， 包含了重要的力學(xué)性能指標(biāo)， 是結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計、非線性分析所必需的材料物理條件。試驗得到的棱柱體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€（由荷載-變形曲線經(jīng)計算得到）如圖5～9所示。從圖5～9可以看出，盡管PVA-ECC及其基體的全曲線和混凝土棱柱體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€類似，亦屬于偏態(tài)的單峰曲線，但是其塑性變形能力明顯優(yōu)于普通混凝土，PVA-ECC及其基體的峰值應(yīng)變較為接近，均出現(xiàn)在0.005～0.008之間，但峰值應(yīng)變后延性性能和韌性性能隨加熱溫

度的不同而差異性較大。加熱溫度在200 ℃以下，基體在峰值荷載后，均突然發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，而PVA-ECC在峰值荷載后應(yīng)力-應(yīng)變曲線較基體趨于平緩，表現(xiàn)出良好的延性性能和韌性性能。

加熱溫度超過200 ℃后，PVA-ECC及其基體的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線漸趨扁平，峰值點下降且右移，表明高溫軸心抗壓強度fm降低，峰值應(yīng)變εm增大，經(jīng)400 ℃處理后的PVA-ECC極限抗壓強度只有室溫狀態(tài)的一半左右，而PVA-ECC立方體試件抗壓強度經(jīng)400 ℃處理后約為室溫狀態(tài)的85%，這主要是因為試件增大導(dǎo)致試件內(nèi)部纖維對試件抗壓強度的敏感性增大。

3結(jié)語

（1）加熱溫度低于200 ℃時，PVA纖維可有效提高基體的抗折強度，對立方體抗壓強度影響較小。加熱溫度高于200 ℃時，PVA纖維對基體抗折強度的改善作用逐步減小，加熱溫度高于300 ℃后，PVA-ECC與其基體的抗折強度十分接近，PVA-ECC抗壓強度明顯低于基體。

（2）室溫狀態(tài)下，PVA纖維的摻入可有效降低基體的彈性模量。隨著加熱溫度的提高，PVA-ECC與其基體的彈性模量均呈下降趨勢，且PVA纖維對基體彈性模量的改善效果降低。

（3）試驗測得PVA-ECC及其基體在室溫、100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃處理后的單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€， 并對兩者進行了對比分析，結(jié)果表明：加熱溫度在200 ℃以下PVA纖維的添加使基體的韌性大幅度提高，并將抗壓破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變成延性破壞；當(dāng)加熱溫度超過200 ℃時，隨著加熱溫度的提高，PVA纖維對基體韌性的改善作用逐步降低，軸心抗壓強度較基體發(fā)生大幅度下降。

（4）200 ℃可以作為PVA-ECC正常使用的極限溫度，PVA-ECC工作的環(huán)境溫度超過200 ℃時，該類材料的各項性能會發(fā)生較大的改變，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要慎重考慮。

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