高延性水泥基材料高温力学性能研究进展

王振波 韩宇栋

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.中国京冶工程技术有限公司,北京 100088)

混凝土的应变软化特性决定结构开裂后易形成较宽的裂缝,严重降低抗渗性[1],结构性能的衰退不可逆转.高延性水泥基材料(engineered cementitious composites,ECC)正是为克服传统混凝土的脆性、突破其开裂后应变软化属性而发展起来的新型纤维增强水泥基复合材料,通常简称ECC[2-3].ECC是20世纪90年代由美国密歇根大学的Victor C.

Li教授经微细观力学方法设计研发.ECC抗拉应力-应变关系中,应力随应变增大逐渐提高,极限应变达到普通混凝土的几百倍,并且单条裂纹的宽度小于100μm.ECC在抗冲击性能、抗震耗能能力和长期耐久性方面的优势也已被大量的研究证实[4-7].清华大学张君教授课题组近年来先后研发了低干缩ECC[8-9]、强度与延性相匹配的ECC[10-11],极大地发展了ECC,为其推广应用奠定良好基础.目前ECC已被应用于钢箱梁桥面铺装、高速公路面板伸缩缝、建筑外墙保温板等众多基础设施建设[12-14].

随着ECC在土木工程中的扩大应用,其在服役过程中暴露高温、遭遇火灾的风险日益增大.工程结构高温服役的情况非常多见,例如,核废料处置库中的局部热点温度可达191℃,突发事故时最高温度超过600℃[15];建筑火灾中,室内温度更是超1 000℃.建筑火灾在危害人民生命财产安全之外,也极易造成材料性能劣化、结构毁坏甚至倒塌.因此,材料高温(火灾)性能是高延性水泥基材料研究不可回避的重要内容.ECC在高温(火灾)情况下的力学性能如何,其拉伸延性特征和裂缝宽度控制能力能否保留,关乎ECC结构高温(火灾)服役的安全性,是ECC领域研究亟待突破的瓶颈问题.

ECC与混凝土同属水泥基材料,水泥基材料在高温作用下将产生复杂的物理化学变化[16-17].对于普通混凝土,高温作用下的水泥石受热膨胀,同时出现脱水收缩,其收缩程度随着温度升高逐渐超过热膨胀,而骨料又在受热后持续膨胀,材料内部这种严重的变形不协调使得混凝土的高温力学性能迅速劣化乃至失效[18].而ECC与混凝土在材料组成上存在很大区别,例如,ECC中去除了粗骨料,替换以细砂,避免了粗骨料膨胀引发的局部变形问题;又如,ECC通常掺入体积分数约2%的聚乙烯醇(PVA)纤维,这种纤维在200℃以后开始熔化[19],可能导致ECC抗拉应变硬化特征的消失.目前,专门针对ECC高温力学性能的研究仍较为有限,本文首先将围绕传统水泥基材料高温力学性能的共性问题展开综述,在此基础上针对ECC高温力学性能的研究工作进行分析评述.

1 水泥基材料力学性能高温劣化机理

高温(火灾)环境下的损伤劣化直至最终失效是水泥基材料的共性问题,研究发现[20],在300～400℃以后混凝土抗压强度明显降低,600℃时降至常温下的50%左右,800℃时降至20%左右,而1 000℃以后抗压强度基本消失.这是由水泥石脱水、水化产物分解、骨料持续膨胀等复杂的物理化学变化综合作用的结果[16-18].

相比于普通混凝土,高性能混凝土内部结构致密、强度更高,但这些优势在高温情况下往往又可能转化为负面影响[21].据报道[22],高性能混凝土在400℃作用下便产生爆裂.虽然高性能混凝土的高温爆裂机理尚未明确,但高温下形成的内部蒸汽压和温度梯度已被证实是引发爆裂的重要原因[23].据此,一些学者提出掺纤维的方法改善高性能混凝土的耐高温性能.最为常用的纤维是聚丙烯纤维,该纤维约在150℃后熔化,使材料内部形成三维乱向分布的孔道,利于水蒸汽逃逸,从而避免爆裂的发生[24-25].肖建庄等[26]的研究结果显示,掺聚丙烯纤维的高性能混凝土未见高温爆裂现象,其高温后抗压强度的损失率接近于甚至小于普通混凝土.另一常用纤维是钢纤维,钢纤维高温不熔化,可有效桥接热应力引发的微裂纹,其良好的导热性也有助于平衡材料内部的温度梯度,提高混凝土的抗爆裂能力[27-28].已有研究发现[29-30],高强混凝土中掺入钢纤维后未出现爆裂现象,并且力学性能的高温劣化趋势有所缓和.此外,也有学者尝试混杂聚丙烯纤维和钢纤维改善高性能混凝土的高温力学性能,取得良好效果[31-33].

2 ECC高温力学性能

2.1 抗压力学性能

目前,有关ECC高温力学性能的研究主要集中在单掺PVA纤维体系的抗压力学性能.Sahmaran等[34]研究了ECC在高至800℃后的抗压力学性能,发现ECC残余抗压强度在400℃以前并无显著变化,而在600℃和800℃时分别降至常温抗压强度的50%和30%左右,这一规律与传统混凝土类似.Sahmaran等[35]进一步研究揭示了粉煤灰掺量和PVA纤维对ECC高温抗压性能的影响,发现增加粉煤灰掺量可在200～600℃区间有效提高材料的残余抗压强度,PVA纤维的熔化机制有效避免了基材爆裂.

此后,ECC高温性能研究开始引起全世界范围的广泛关注,相关研究不断深入.张丽辉等[36]研究了不同强度等级ECC的高温后力学性能变化规律,发现ECC抗压强度降低是纤维和基体在高温作用下发生熔化及物相分解的结果.Yu等[37-38]研究了不同降温制度和养护龄期对ECC高温后抗压性能的影响,试验显示,延长加热时间可在200℃时提高抗压强度,而在200℃以后则持续降低抗压强度,这与高温后ECC内部复杂的物理化学变化有关[37];浸水冷却后的残余力学性能显著优于自然冷却试件,但随着龄期增长,浸水冷却的优势趋于不明显[38].Erdem等[39]研究了试件尺寸对ECC高温后力学性能的影响,测得的3个不同尺寸试件的抗压应力-应变曲线在不同温度下均较为接近.此外,高翔[40]尝试通过混杂PVA纤维与钢纤维改善高韧性水泥基材料的耐高温性能,试验表明,钢纤维在PVA纤维熔化以后可发挥桥接作用,材料在高温下仍保持较高的残余强度.

2.2 抗拉力学性能

Mechtcherine等[41]研究了ECC在高温环境中和高温后的拉伸性能,根据试验结果,高温环境和高温后的材料抗拉强度均随着温度升高而逐渐降低,并且高温情况下的强度下降幅度更为明显;高温后的材料极限拉应变呈线性衰减,而高温中极限拉应变在22～100℃范围内得到提高,这得益于纤维、基材及界面特性的综合演化[41].但该研究施加的测试温度低于PVA纤维熔点,ECC拉伸性能并未涉及纤维熔化问题.Magalhães等[42]报道了ECC在高至250℃后的拉伸力学性能,随温度升高,抗拉强度由22℃时的2.97 MPa降至190℃的2.42 MPa,降幅并不明显,而250℃时强度突降至0.92 MPa;材料在22～190℃范围的极限拉应变持续衰减,但仍可保持应变硬化特征,250℃时则完全退化为应变软化.Bhat等[15]进一步提高测试温度,系统研究ECC在20～600℃范围内的拉伸性能,结果显示,材料在低于200℃时始终能够保持应变硬化特征,只是极限应变有所降低,但200℃时的极限拉应变仍可达普通混凝土的50倍;200～600℃时材料的应变硬化特征则完全消失.

值得注意的是,ECC是经由微细观力学方法设计的,控制其宏观力学行为的关键因素在于细观尺度上的纤维桥接特性,因此一些学者尝试细观力学方法研究ECC的高温后纤维桥接规律.Yu等[43]研究了ECC在20～200℃亚高温范围内的拉伸力学行为,测试分析了高温后的基材断裂韧性、纤维桥接特性,在细观尺度上阐释了ECC高温后拉伸行为的劣化机理.

2.3 高温力学性能的影响因素与研究方法分析

1)升降温制度

材料经历的热过程,如升降温速率、高温持续时长等对其高温力学性能具有重要影响.有关ECC高温力学性能的研究中,升温速率大多维持在10～20℃/min区间,这种温升过程较为平缓,与实际火灾升温过程相差甚远.高温持续时长以1 h最为多见,这是因为ECC力学试验通常采用小尺寸试件,短时间暴露足以确保材料内部温度分布均匀.在冷却降温方面,有研究发现浸水冷却后的ECC力学性能显著优于自然冷却试件,且温度越高,浸水冷却对强度和刚度的修复效果越明显[38].

2)材料组成与强度

试验表明[35],粉煤灰掺量由55%提高至70%将在200～600℃范围内有效提高ECC的残余力学性能,这与氢氧化钙的含量降低密切相关,但粉煤灰的增强作用在800℃后消失.从材料强度看,低强与高强ECC表现出的高温力学性能存在明显差别,30 MPa级的ECC在200℃前抗压强度逐渐提高,这得益于高温蒸汽养护作用带来的增强效果,而200℃后的强度下降也较为显著,400℃时已降至常温强度的60%[38,42].相比之下,50～70 MPa的ECC并未在200℃前表现出强度增长,这与高强材料较低的含水量有关,其200℃后的强度下降相对缓和,600℃时仍可达常温强度的60%[34-35,39].值得说明的是,即使是高强ECC也未在高温情况下出现爆裂现象,PVA纤维高温熔化机制利于水蒸汽逃逸,可缓解内部蒸汽压和温度差异.

3)研究方法与评价指标

材料的原位高温与高温后力学性能存在一定差异,据报道[41],ECC的高温后残余抗拉强度和开裂强度高于原位高温试验结果,但其高温后应变能力却低于原位测试结果,这与纤维-基材的界面粘结特性相关,原位测试时纤维拔出明显、裂缝张开较大.遗憾的是,现有的ECC高温力学性能研究仍大多针对高温预处理的试样开展,原位高温力学性能研究十分有限.从受力模式考虑,ECC高温性能的研究须重点关注拉伸和弯曲力学性能,毕竟拉伸延性和缝宽控制功能才是ECC的突出优势,ECC研究领域亟需回答的问题仍是高温情况下拉伸延性和缝宽自控能否保留,以及如何改善.

ECC高温力学性能研究最终均涉及力学指标的评价,除普通混凝土高温力学性能研究所关注的抗压强度、弹性模量、峰值应变等常规参数之外,ECC高温力学性能研究似乎更关心直接拉伸获得的开裂强度、抗拉强度、极限拉应变、裂缝宽度等,这是因为上述力学指标的变化直接反应出ECC高温力学特性的劣化规律,ECC高温力学性能的改善效果如何同样是以这些指标的大小为评判依据.

3 研究评述

综合以上分析,国内外学者在ECC高温力学性能研究领域已经做出大量工作,取得了众多富有价值的研究成果.而为了在更根本层次上揭示ECC高温力学性能的劣化机理,实现该材料高温力学性能的有效提升,至少仍存在以下几个亟待研究的关键问题：

1)以往有关ECC高温性能的研究主要集中在单掺PVA纤维体系,尽管PVA纤维是实现ECC延性和裂缝宽度控制功能的关键所在,但是单掺纤维体系始终无法克服纤维熔化导致的延性失效问题,高温情况下单纯依靠PVA纤维维持力学性能显然行不通.

2)热过程(如升温降温速率、高温持续时长等)、材料组成等因素对ECC高温力学性能的影响机制仍有待开展深入研究,这是形成标准化的ECC升降温制度、优化ECC耐高温设计方法的必要前提.

3)ECC材料高温宏观力学性能退化的本质在于材料内部结构的损伤,归根结底是纤维、基材和纤维-基材界面特性的综合演变造成的.但材料微细观参数与高温宏观力学性能之间的定量关系并未建立,仍缺乏能够联系材料构成与高温宏观力学性能的有效模型.

4 总结与建议

本文从水泥基材料高温劣化的共性问题出发,围绕ECC材料的高温抗压和抗拉力学性能研究进行了综述,深入分析了升降温制度、材料组成和强度等级对ECC高温力学性能的影响规律,探讨了现有研究方法和评价指标的适用性及问题所在,以期为ECC高温力学性能的优化设计提供借鉴.大量的试验研究已经表明,掺纤维可有效改善各类混凝土材料的高温力学性能,而有关ECC中PVA纤维的熔化和基体中的物相分解是造成该材料高温力学性能劣化的主要因素.ECC在纤维熔化前能够保持拉伸应变硬化特征,但纤维熔化以后,应变硬化特征则完全消失.这是ECC材料研究领域面临的重要难题.

结合ECC高温力学性能研究中存在的若干问题,本文提出以下几点研究建议：

1)尝试纤维混杂方法突破单掺纤维ECC在高温力学性能方面的缺陷,混掺的高熔点、高强度纤维可在高温后“接力”PVA纤维承担裂纹间桥接作用,有望实现高延性水泥基材料高温力学性能的提升.

2)重点采用直接拉伸试验评价混杂纤维体系的高温力学性能,获取直观的材料力学参数与开裂形态,为混杂纤维ECC高温性能的提升提供可靠依据.

3)深入挖掘热过程(升降温速率、高温持续时长等)、材料配合比等因素对ECC高温力学性能的影响规律,逐步形成普遍认可的升降温实验制度,提炼出行之有效的材料耐高温设计方法.

4)注重微细观参数与宏观高温力学性能的关系,准确把握材料微细观劣化机理向宏观力学性能的传递,创新ECC高温力学性能的优化设计方法.