亚高温下不同粉煤灰掺量高延性混凝土的力学性能 [PDF全文]
(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

为了研究亚高温下粉煤灰掺量对高延性混凝土(ECC)力学性能的影响,对2组不同粉煤灰掺量的ECC试件进行了拉-压性能测试,并从微观尺度探究了亚高温下ECC力学性能的变化机理.试验结果表明,温度在20~200 ℃内时,2组不同粉煤灰掺量的ECC试件的抗压强度均随温度升高而增大,且在受拉时均表现出拉伸高延性.当温度为100和200 ℃时,粉煤灰掺量较低的ECC的初始开裂强度、最大拉伸强度与拉伸应变均出现明显劣化,而粉煤灰掺量较高的ECC则变化趋势相反.在微观尺度,200 ℃时PVA纤维自身的拉伸强度较20 ℃时降低了44%,导致纤维在粉煤灰掺量较低的ECC中易于被拔断.因此,高掺量粉煤灰有利于亚高温下ECC的拉伸力学性能.

Mechanical properties of engineered cementitious composites with different fly ash contents at sub-elevated temperature
Zhang Zhigang1, 2 Zhao Lin2 Zhang Pei2 Zhang Renyi2
(1Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structure of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045,China)

To investigate the influence of fly ash contents on the mechanical properties of engineered cementitious composites(ECC)at the sub-elevated temperature, the tensile and compressive performance of two ECC mixtures with different fly ash contents were tested. The change mechanism of the mechanical performance of ECC at the sub-elevated temperature was also studied. The experimental results show that when the temperature is from 20 to 200 ℃, the compressive strength of the two ECC mixtures with different fly ash contents increases with the increase of the temperature, and both ECCs exhibit high tensile ductility. At 100 and 200 ℃, the first cracking strength, the tensile strength, and the strain capacity of ECC with lower fly ash content present a substantial deterioration, while those of ECC with higher fly ash content show the opposite change tendency. At the micro-scale level, the tensile strength of polyvinyl alcohol(PVA)fiber is reduced by 44% at 200 ℃ compared with that at 20 ℃, making PVA fibers easily be ruptured in ECC with lower fly ash content. Therefore, the high fly ash content is favorable to the tensile performance of ECC at the sub-elevated temperature.

引言

高延性混凝土(ECC)是一种特殊的纤维增强水泥基复合材料,它是由密歇根大学Li等[1]在20世纪90年代初基于微观力学与断裂力学设计理论对水泥基体、纤维、纤维/基体界面性能进行系统设计与优化而成.不同于普通混凝土或纤维混凝土的脆性破坏模式,在直接拉伸荷载下,ECC表现出超高的延性与韧性,其最大拉伸应变可达3%~8%,约为普通混凝土的300~800倍[2-3]; 在受拉过程中,ECC试件表面呈多缝开裂现象,且裂缝宽度可控制在100 μm以下[2,4].ECC所表现出的高延性与极好的裂缝宽度控制能力,使其在作为建筑结构构件时可大幅度提高建筑物的安全性与耐久性.

在实际工程应用时,除机械荷载之外,ECC还可能经受温度荷载,如应用于核电站核废料储存池.核废料储存池的温度通常保持在50 ℃以下,但是在异常恶劣的环境条件下,局部热点温度可达191 ℃; 在极端情况下,周围温度可由140 ℃上升至260 ℃; 事故工况(如液态金属增殖反应堆中大量的钠泄漏)中,温度可能达到或超过600 ℃[5].高温环境中,ECC的基体、纤维、纤维/基体界面性能可能会发生变化,导致其宏观力学性能改变,最终影响到ECC建筑结构物的安全.考虑到聚乙烯醇(PVA)纤维的熔点为230 ℃左右,超过这一温度,ECC内的PVA纤维将会融化,此时缺少纤维的桥接作用,ECC的拉伸力学性能无异于普通砂浆.此外,ECC材料内掺有大量的粉煤灰,不同的粉煤灰掺量下ECC的拉伸行为明显不同.文献[6]指出,随着粉煤灰掺量的增加,PVA纤维与基体之间的化学黏结能降低,界面摩擦力增加,从而导致宏观尺寸下ECC的延性增加且裂缝宽度减小[6].因此,不同粉煤灰掺量的ECC的力学性能在高温环境下可能表现出不同的变化趋势.基于此,本文研究了20~200 ℃亚高温范围内2种粉煤灰掺量的ECC的抗压与拉伸力学性能.

1 试验

本试验中,ECC的原材料包括CEM-42.5R型硅酸盐水泥、Class F一级粉煤灰(活性系数为92%)、石英砂、聚羧酸系减水剂和PVA纤维.试验所采用的石英砂尺寸大小等级为120目,即所有石英砂颗粒均可通过120 μm大小的筛孔.采用的纤维为PVA短切纤维,长度为12 mm,直径为39 μm,拉伸强度为1 620 MPa.采用2种不同粉煤灰掺量的ECC的配合质量比见表1,其中PVA纤维的体积占浆体体积的2%.

表1 ECC配合比(质量分数)

表1 ECC配合比(质量分数)

分别采用立方体与狗骨试件研究ECC在亚高温(20、50、100、200 ℃)条件下的抗压与拉伸力学行为.抗压立方体试件尺寸为50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm,抗压试验操作步骤参照美国材料与试验协会标准规范ASTM C109[7].单轴拉伸试验采用位移控制加载方式,狗骨试件的具体尺寸与加载装置

参考文献[8].为保证准静态加载过程,加载速率为0.5 mm/min,ECC狗骨试件的拉伸变形数据由附着在试件表面的2个外接位移引伸计(LVDT)采集,结果取2个LVDT读数的平均值.

为研究ECC的拉伸性能在不同温度下的变化机理,测试了不同温度下ECC基体的断裂韧性与单根PVA(长丝)纤维的残余拉伸强度.采用单纤维拔出试验测试了20 ℃下PVA纤维与基体之间的界面特性,测试装置见图1.试验所用微型力传感器的最大量程为10 N,具体试件准备与试验步骤可参见文献[4,9].

图1 单纤维拔出试验装置示意图(单位:mm)

图1 单纤维拔出试验装置示意图(单位:mm)

ECC的基体韧性测试试件、立方体抗压与狗骨抗拉试件在浇注结束后用塑料薄膜覆盖,以避免浆体内水分蒸发,待24 h后拆模; 然后,将试件放置温度为(25±3)℃、相对空气湿度为(50±5)%的环境中养护28 d.

待28 d龄期后,将ECC抗压、拉伸、基体韧性测试试件和PVA长丝纤维放置在电炉中分别加热到20、50、100、200 ℃,电炉内部升温速度为6 ℃/min.达到目标温度时,抗压与抗拉试件在炉内保持该温度2 h,以保证达到稳定的热状态.将试件从电炉中拿出,立刻在室温下对试件进行抗压与单轴拉伸试验,每个温度工况测试3个试件.测量PVA(长丝)纤维的残余拉伸强度时,每个温度工况下至少测量6根.

2 试验结果与讨论2.1 抗压强度

图2给出了2组不同粉煤灰掺量的ECC在不同温度下的抗压强度.由图可知,粉煤灰掺量较高的ECC的抗压强度明显低于粉煤灰掺量较低的ECC.常温20 ℃下,试件M1和M2的抗压强度分别为46.3和21.5 MPa,相比于试件M1,试件M2的抗压强度降低了53%,说明粉煤灰掺量较高的ECC的基体较弱.究其原因在于,粉煤灰掺量增加大大减少了ECC内水泥掺量,从而使水化产物减少,导致抗压强度降低.此外,尽管粉煤灰的火山灰效应可使强度在后期有所增加,但是在28 d龄期时粉煤灰颗粒在ECC内基本还仅为惰性填充料.

图2 ECC在不同温度下的抗压强度

图2 ECC在不同温度下的抗压强度

另一方面,随着温度的增加,2组不同粉煤灰掺量的ECC的抗压强度均逐渐增长.200 ℃时,试件M1和M2的抗压强度分别为59.8和30.8 MPa,相比于20 ℃时分别增长了29%和43%.究其原因在于,高温环境促使未水化水泥继续水化生成水化硅酸钙,激发了ECC内粉煤灰的火山灰活性,粉煤灰与水泥水化产生的氢氧化钙发生火山灰反应,生成水化硅酸钙产物.此外,高温还使得ECC内的自由水蒸发,水泥凝胶层变紧密,增加了范德华力,强化了已经硬化的水泥浆体[10].

2.2 拉伸行为

2组不同粉煤灰掺量的ECC三个试件在不同温度下的拉伸应力-应变关系曲线见图3.由图可知,ECC在拉伸荷载下表现出3个受力阶段.在初始受力阶段,没有裂缝产生,ECC的拉伸应力呈线弹性增长,直至ECC试件出现第1条微裂缝; 随后进入类金属-应变硬化阶段,试件出现多缝开裂现象,随着拉伸应变的增长,裂缝宽度基本保持不变,裂缝条数逐渐增多; 试件上某一条微裂缝出现集中扩展,直至发生断裂破坏,曲线进入应变松弛阶段.曲线中与弹性阶段结束点对应的拉伸应力即为ECC的初始开裂强度,最大拉伸应力定义为ECC的拉伸强度,与最大应力点对应的拉伸应变值为ECC的最大拉伸应变.

图3 不同温度下ECC的拉伸应力-应变曲线

图3 不同温度下ECC的拉伸应力-应变曲线

与普通混凝土的脆性断裂模式不同,在拉伸荷载下,2组不同粉煤灰掺量的ECC在20~200 ℃范围内均表现出高延性特性,初始弹性阶段结束后均呈现出明显的应变硬化现象.如图3所示,温度为20和50 ℃时,试件M1的初始开裂强度和拉伸强度明显高于试件M2,这是由于粉煤灰掺量的增加导致内部水泥掺量减少,基体的断裂韧性降低,基体更容易开裂,同时PVA纤维与基体之间的界面变弱,导致拉伸强度降低.然而,当温度升高至100和200 ℃时,试件M1和M2的初始开裂强度与拉伸强度之间的差值逐步缩小,200 ℃下其拉伸强度基本相同.与20 ℃相比,200 ℃下试件M1的拉伸强度与最大拉伸应变均显著降低,而试件M2的变化不明显.在20、50 ℃下试件M1和M2的最大拉伸应变差异不明显,但是在100和200 ℃下试件M2的最大拉伸应变明显高于试件M1.

图4给出了2组不同粉煤灰掺量的ECC在不同温度条件下的拉伸性能.如图4(a)所示,随温度的升高,试件M1的初始开裂强度由20 ℃下的3.6 MPa逐渐降低至200 ℃下的2.5 MPa.在50 ℃下,其初始开裂强度为3.5 MPa,与20 ℃相比虽稍有降低,但仍处于试验误差范围之内.50 ℃下,试件M1的最大拉伸强度由20 ℃下的5.1 MPa增加至5.6 MPa,增长了10%,在100 ℃下回落至5.3 MPa,仍然相比于20 ℃时稍有增长,在200 ℃下则出现了明显下降,降低至4.0 MPa,较20 ℃时降低了25%.试件M1在20、50、100、200 ℃下的最大拉

图4 不同温度条件下ECC的拉伸性能

图4 不同温度条件下ECC的拉伸性能

伸应变分别为3.67×10-2、3.89×10-2、2.64×10-2、0.98×10-2.由此可见,100、200 ℃下,试件M1的最大拉伸应变大幅度下降,较20 ℃时分别降低了28%与73%.综上,尽管在50 ℃下试件M1的拉伸性能有所变化,但仍在试验误差范围之内,因此可认为暴露在50 ℃对试件M1的拉伸性能没有产生影响; 但是暴露在100、200 ℃下,其拉伸性能则产生了明显的劣化.

图4(b)可知,在亚高温下,试件M2的拉伸性能变化趋势和试件M1有着较大不同.试件M2的初始开裂强度在20~200 ℃范围内几乎没有变化,但其最大拉伸强度与拉伸应变则变化明显.50、100 ℃下试件M2的最大拉伸强度由20 ℃时的3.48 MPa分别增长到4.19与4.54 MPa,分别增长了20%与30%; 当温度达到200 ℃时试件M2的拉伸强度有所回落,但依然比20 ℃时增长了15%.此外,与20 ℃时相比,试件M2的最大拉伸应变在50 ℃时基本没有变化,但在100 ℃时增长了30%, 200 ℃时又降低回20、50 ℃时的应变水平.

对比2组不同粉煤灰掺量的ECC的拉伸性能可知,粉煤灰掺量对ECC在亚高温下的拉伸性能有较大影响,即试件M1的初始开裂强度、最大拉伸强度与拉伸应变在100、200 ℃下出现明显的劣化趋势,而试件M2则有所增强.以上2组不同粉煤灰掺量的ECC在亚高温下表现出了不同的拉伸性能,其变化机理可从微观尺度进行解释,即可能是因为ECC基体的断裂韧性、PVA纤维自身的拉伸强度、PVA纤维与基体界面在不同温度下发生了变化.

图5给出了2组不同粉煤灰掺量的ECC基体在20~200 ℃下的断裂韧性Km.由图可知,各温度下试件M2的基体断裂韧性均远低于试件M1.20 ℃下,试件M2的基体断裂韧性为0.24 MPa·m1/2,说明其基体较弱.随着温度的升高,2组不同粉煤灰掺量的ECC的基体断裂韧性逐步增加,这是因为高温激发了ECC基体中未水化的水泥颗粒与粉煤灰的活性,使其发生水化反应继而生成水化硅酸钙,增加了基体的强度.这一现象也解释了试件M2的初始开裂强度随温度升高而增加的趋势(见图4),究其原因是ECC的初始开裂强度与其基体断裂韧性呈正比关系.然而,不同温度下试件M1的初始开裂强度与其基体断裂韧性的变化趋势不同,这可能是因为ECC内的自由水在100、200 ℃下开始汽化产生蒸汽压力,导致试件M1中某些截面产生细小裂纹,使其基体在受拉力时较容易开裂; 而试件M2的基体较弱,具有较高的渗透性[11],使得汽化的蒸汽及时排出,从而避免产生蒸汽压力引起的细小裂纹.

图5 不同温度下ECC基体的断裂韧性

图5 不同温度下ECC基体的断裂韧性

PVA纤维自身在不同温度下也发生了变化.如图6所示,20 ℃时PVA纤维呈淡黄色,100 ℃时变为白色,200 ℃时则呈黄褐色,说明PVA纤维的物理特性(如拉伸强度)在亚高温下发生了变化.图7给出了PVA纤维在不同温度下的拉伸强度.由图可知,PVA纤维的拉伸强度在20、50、100 ℃时没有显著变化,200 ℃时则出现明显劣化,由20 ℃时的1 456 MPa降低至816 MPa,降低了44%.出现裂缝后,ECC的拉伸强度取决于裂缝间的纤维桥接作用,在基体或纤维/基体界面较强的情况下,200 ℃下的PVA纤维在拔出过程中容易发生断裂,从而减弱纤维的桥接作用,最终导致宏观尺度ECC拉伸强度的降低.

除了基体韧性与纤维自身特性外,ECC的拉伸

图6 不同温度下的PVA纤维照片

图6 不同温度下的PVA纤维照片

图7 不同温度条件下PVA纤维的拉伸强度

图7 不同温度条件下PVA纤维的拉伸强度

行为还取决于纤维与基体之间的相互作用,即纤维/基体的界面性能.PVA纤维在基体中拔出时首先要克服界面之间的化学黏结能Gd,如果Gd太大容易导致纤维被拉断.完全克服化学黏结能后,纤维需克服界面摩擦力τ0,并在基体中慢慢被拔出.拔出过程中,由于基体的硬度较大,纤维表面会受到损伤形成倒刺[4,12],使得纤维更难于拔出,进而需克服更大的摩擦力,由此可得到纤维滑移硬化系数β.纤维/基体界面特性参数的计算方法可参照文献[9].

表2给出了试件M1与试件M2在20 ℃时的纤维/基体界面性能.由表可知,纤维/基体界面的Gd与τ0随着粉煤灰掺量的增大而减小; 试件M2的Gd值仅为0.18 J/m2,远远小于试件M1,说明试件M2中PVA纤维与基体之间的化学黏结能较弱,即使200 ℃时也可保证PVA纤维在克服化学黏结能过程中不易被拔断.然而,试件M1的Gd 值较大,高温下大大增加了PVA纤维被拔断的几率,从而降低了纤维桥接作用的剩余能J'b.此外,试件M1基体的断裂韧性较强,导致试件M1的裂缝尖端韧性(Jtip)较大.在ECC设计理论中ECC的延性往往与应变硬化系数成正比关系[13],高温时试件M1中的J'b值较低,同时又具有较高的Jtip值,导致ECC的应变硬化系数与延性降低.综上可得,高温条件下PVA纤维性能的劣化会导致试件M1的拉伸强度与延性降低.

表2 20 ℃时PVA纤维/基体界面特性

表2 20 ℃时PVA纤维/基体界面特性

3 结论

1)当温度为20~200 ℃时,粉煤灰掺量增加可使试件的抗压强度降低.随温度的升高,2组不同粉煤灰掺量的ECC的抗压强度逐渐增加.

2)在宏观尺度,2组不同粉煤灰掺量的ECC在20~200 ℃范围均表现出了明显的应变硬化现象.相比于20 ℃时,试件M1的初始开裂强度、最大拉伸强度与拉伸应变在50 ℃下变化不大,在100、200 ℃下则出现了明显劣化.试件M2的拉伸性能在高温时则有所增强.

3)在微观尺度,2组不同粉煤灰掺量的ECC的基体断裂韧性在20~200 ℃范围内随温度升高而增大.与20 ℃时相比,PVA纤维自身的拉伸强度在200 ℃下降低了44%,导致纤维在试件M1中更容易被拔断,拉伸性能出现劣化.较高的粉煤灰掺量导致试件M2的基体与纤维/基体界面黏结较弱,即使在200 ℃下也不易被拔断,因而其拉伸性能没有发生劣化.

参考文献