粉煤灰对高温后UHTCC试块抗折强度的影响

刘振坤 李志昂（东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189）

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composite，简称：UHTCC），作为一种新型的水泥基复合材料，在当今的工程中拥有较好的应用前景。纤维掺量约占体积2%左右的UHTCC具有较高的韧性和分散裂缝的能力，其宏观极限拉应变在3%-5%，当拉应变超过1%时，裂缝宽度会稳定在60μm左右，且表现出稳定状态开裂的特征[1-3]。这使得UHTCC具有超高的韧性、优异的裂缝宽度控制能力、低渗透性和良好的耐久性等特点，UHTCC的使用会使结构更加安全、耐久和经济。而粉煤灰的形态效应、活性效应和微集粒效应，对增加浆体的和易性，改善结构强度和混凝土的抗腐蚀能力，都具有显著作用。

近年来我国每年发生的建筑火灾数万起，损失惨重。高温会使UHTCC材料基体和其内的纤维发生变化，导致其力学性能劣化[4-6]。可见， 进行抗火研究有重要意义。本文主要通过对比不同粉煤灰含量的试块在各阶段高温处理后的质量损失和力学性能，探究粉煤灰和温度对于UHTCC的影响，进而得出UHTCC在高温后耐火性能。

1 试验概况

表1 ECC试块配合比

试验主要是对两种粉煤灰含量的试块进行7个不同温度的处理，观察试块高温后变化，进行UHTCC试块高温前后的质量损失的测量和高温后试块的抗折性能的测试。

1.1 试验材料及配合

UHTCC试块的配合比见表1。其中UHTCC1中粉煤灰含量为60%，UHTCC2中粉煤灰含量为80%。

1.2 试块制作及养护

UHTCC试块的尺寸为40mm×40mm×160mm。试块制作完成后，在标准环境下进行28天的养护，之后从养护室移至通风干燥环境静置一个月，使其自由水分得到充分挥发，再称取其质量并进行高温实验。

2 高温后试块的观察及质量损失

2.1 高温处理及冷却方法

按200℃、1000℃、2000℃、3000℃ 、4000℃、6000℃、8000℃等7个不同温度进行的处理，各试块温度见表2。在将试块放入电阻炉前先用电子秤称量试件质量，然后放置到电阻炉中升温到目标温度，再恒温3个小时，以使得试件内外温度基本一致；完成高温处理后打开炉门，将试块取出，放置通风干燥环境，待其自然冷却。

表2 试块的分组和不同温度处理

2.2 高温后试块的观察

观察试块UHTCC1发现，随着温度的升高，试块的颜色逐渐变浅，并在600℃以上呈现出粉白色。试块表面随着温度的升高也发生了变化：100℃及200℃并没有出现明显的剥落现象；400℃至600℃表面尤其是棱角处出现剥落；800℃试块出现较大的缺角，并且部分试块表面出现微小裂缝。但试块在高温下没有出现类似于混凝土试块的较大的裂缝和爆裂，这是由于在高温下，PVA纤维（聚乙烯醇纤维）熔化并留下许多通道，使得水蒸气及时排除，避免由于内部压力增大而导致的爆裂[7]。但随温度升高，试块表面的硬度下降，表现出一定的疏松。

将高温后的试块进行抗折试验，并将未断裂的试块人为从裂缝处断为两段，用以观察高温后试块断面及基体内部的情况。图1给出了7个温度下的试块UHTCC1的断面情形，在200℃以下，断面上可以看到有PVA纤维呈散乱分布，常温同100℃下断面情形相似，而200℃断面上纤维数量有所减少，纤维呈现棕黄色；而300℃以上，断面上均未发现有PVA纤维，且在600℃及800℃的试块断面周边靠近试块外表面的部分，分别有2～3mm以及4～6mm厚的浅层，质地疏松，内部颜色变深，基体内部的空隙变大，形成联通的孔。由此可以判断出，PVA的熔点大约在200℃和300℃之间，这同材料说明中给出的PVA熔点（PVA软化点约在216℃）较吻合；600℃及以上的温度的试块表面发生化学反应，基体水化产物分解，因而出现颜色差异。

观察试块UHTCC2，其各温度下试块与UHTCC1相似，宏观上观察并没有较大的区别，故在此不再赘述。

图1 各处理温度下试块断面图

2.3 高温后质量损失

在试块高温前后，分别按温度分组称取的质量，并将平均 值记录如表3，质量损失率见图2。以UHTCC1为 例，随着处理温度的增加，质量损失增大。质量损失主要来源于氢氧化钙和其它形式的水泥水化产物中的自由水的蒸发[8]。在200℃时，试块的质量损失率达5.46%，200℃以下质量损失几乎全部为自由水蒸发所导致；200℃到400℃之间，试块的质量损失达7.47%，该温度下的质量损失除了由自由水的蒸发所引起之外，PVA纤维的熔化挥发也会导致一定的质量损失，但其在总损失中所占比重较小；400℃到600℃之间，损失主要为结晶盐脱水；在600℃以上的高温下，水化产物分解，800℃时质量损失达16.16%。

从图2还可以看出，UHTCC2试块的质量损失率曲线在UHTCC1之上，变化基本与之一致。这说明粉煤灰增加会使质量损失率产生小幅度的减少，有利于减少高温下的质量损失。其中800℃时UHTCC2试块的质量损失为14.23%，相对于该温度下UHTCC1试块下降了1.93%。

表3 高温前后试块的质量

图2 高温后试块质量损失率

3 抗折试验

3.1 试验方法

抗折试验主要以不同的温度及粉煤灰含量为变量，测试各试块的抗折性能，判断高温及粉煤灰含量对UHTCC试块力学性能的影响。

3.2 抗折试验结果分析

表4和图3记录了UHTCC1、 UHTCC2两种配合比试块的抗折强度，图4为两种配合比试块高温后抗折强度残余率。随着温度的升高，试块的抗折性能总体呈现下降的趋势，但是在100℃时，试块的抗折强度有所提升，高于常温下的抗折强度，UHTCC1和UHTCC2两组试块在100℃温度处理后抗折强度的提升率分别为5.9%和9.2%；200℃到300℃之间，试块的抗折强度下降较快；600℃之后，试块的抗折强度继续下降，但相较于400℃之前下降速度较缓；800℃时两组试块相较于常温下抗折强度损失率分别为77.7%和71.8%。

表4 试块抗折强度

图3 抗折强度和温度的关系

图4 抗折强度残余率

在100℃时，两种配合比的UHTCC试块抗折强度相较于常温下都略有提升，升高率分别为5.9%和9.2%，这种加热处理后抗折强度不减反增的现象，可以解释为温度的升高促进了未水化颗粒的水化作用。毛细通道的堵塞使得高粉煤灰含量UHTCC的水化过程在两周之后明显变得缓慢，而未水化粉煤灰微粒中含有游离氧化钙，当温度升高时游离氧化钙的水化作用反应更加剧烈，这种高温促进未水化颗粒的水化过程，在一定程度上使得经100℃温度处理后试块的抗折强度略有提升。这也使得200℃时两种试块抗折强度的减损率相对较小。

200℃以下可以观察到断面存在未融化的纤维，试块抗折强度的降低并非由于PVA的熔化引起，可能的原因是纤维和基体的桥接力削弱或是纤维本身的抗拉强度的降低。粉煤灰的掺入虽降低了试块的抗折强度，但由于其“滚珠润滑”作用，，提高了水泥浆体的流动性能，使得基体更加均匀，基体结构差异相对减小。粉煤灰珠型颗粒的堆积增强了基体与纤维之间的摩擦力，削弱了由于桥接力下降引起的抗折强度的损失，在纤维尚未熔化的温度区段，含较高粉煤灰的试块表现出较低的抗折强度损失；因此，在200℃时，UHTCC1的抗折强度下降率为7.5%，而粉煤灰含量相对较多的UNTCC2抗折强度仅下降了2.7%。可以说，在200℃以下，UHTCC2具有可靠的抗折强度和较高的耐火性。

200℃到400℃之间，两种配合比的试块都有较大幅度的抗折强度的损失，400℃时损失率分别达到47.8%和39.6%。伴随着内部结合水的蒸发和PVA的熔化挥发，基体内部产生了较多的空隙，水蒸气在空隙的聚集使得压力随温度升高而变大，导致一些微小裂纹。裂纹和空隙以及PVA的消失是这个阶段抗折强度骤降的主要原因；另一方面，空隙的出现还导致内部结构的变化，削弱了界面过渡区，也会使试块的抗折强度降低。

400℃到600℃之间，PVA已经挥发尽，随着温度的升高，内部的空隙联通变大，微裂纹也随之增加，基体内部结构进一步被破坏，抗折强度继续下降，但下降有所减缓；温度达600℃时，UHTCC2试块抗折强度的损失率为54.2%，要低于粉煤灰含量少UHTCC1试块的62.7%，该现象的原因如下：400℃到600℃之间，一部分已经分解了的氢氧化钙再次发生水化，其水化产物的体积增加，导致基体中产生更多的微裂纹，而粉煤灰的火山灰效应可反应一部分再水化的氢氧化钙，这有效地阻止了微裂纹的发展，增强了基体结构，避免抗折强度的下降。

600℃以上，水化产物在高温下分解，导致基体质量的损失，且抗折强度有所下降。800℃时UHTCC1和UHTCC2的抗折强度残余率分别为22.3%和28.2%。水泥含量较多的试块中，空隙更加密集，空隙中的水蒸气压力更大，因而产生裂缝或剥落的可能性也更大，故UHTCC1更低一些。

4 结 语

UHTCC试块在高温下，由于内部有PVA纤维熔化留下空隙，可及时排除水蒸气，不会发生爆裂，但随温度的升高，表面剥落加剧，表面颜色逐渐变浅；PVA纤维在200℃—300℃之间基本消失，600℃以上由于基体成分分解，疏散性加剧。

高温后质量损失主要由水化产物中自由水的蒸发引起，不同温度段损失率略有区别。800℃时，UHTCC1的质量损失大于UHTCC2。可见，粉煤灰的适量增加可以在一定程度上减小高温后的质量损失率。

高温还造成基体力学性能的劣化，抗折强度下降，800℃后基本丧失承载力，但各温度梯度内略有差别。值得注意的是，100℃时温度促进基体颗粒进一步水化，抗折强度有所提升。就总体而言，粉煤灰含量适量增加可以减缓抗折强度下降率，起到了一定的耐火性。

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