王振波 韓宇棟

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2.中國京冶工程技術有限公司,北京 100088)

混凝土的應變軟化特性決定結構開裂后易形成較寬的裂縫,嚴重降低抗?jié)B性[1],結構性能的衰退不可逆轉.高延性水泥基材料(engineered cementitious composites,ECC)正是為克服傳統混凝土的脆性、突破其開裂后應變軟化屬性而發(fā)展起來的新型纖維增強水泥基復合材料,通常簡稱ECC[2-3].ECC是20世紀90年代由美國密歇根大學的Victor C.

Li教授經微細觀力學方法設計研發(fā).ECC抗拉應力-應變關系中,應力隨應變增大逐漸提高,極限應變達到普通混凝土的幾百倍,并且單條裂紋的寬度小于100μm.ECC在抗沖擊性能、抗震耗能能力和長期耐久性方面的優(yōu)勢也已被大量的研究證實[4-7].清華大學張君教授課題組近年來先后研發(fā)了低干縮ECC[8-9]、強度與延性相匹配的ECC[10-11],極大地發(fā)展了ECC,為其推廣應用奠定良好基礎.目前ECC已被應用于鋼箱梁橋面鋪裝、高速公路面板伸縮縫、建筑外墻保溫板等眾多基礎設施建設[12-14].

隨著ECC在土木工程中的擴大應用,其在服役過程中暴露高溫、遭遇火災的風險日益增大.工程結構高溫服役的情況非常多見,例如,核廢料處置庫中的局部熱點溫度可達191℃,突發(fā)事故時最高溫度超過600℃[15];建筑火災中,室內溫度更是超1 000℃.建筑火災在危害人民生命財產安全之外,也極易造成材料性能劣化、結構毀壞甚至倒塌.因此,材料高溫(火災)性能是高延性水泥基材料研究不可回避的重要內容.ECC在高溫(火災)情況下的力學性能如何,其拉伸延性特征和裂縫寬度控制能力能否保留,關乎ECC結構高溫(火災)服役的安全性,是ECC領域研究亟待突破的瓶頸問題.

ECC與混凝土同屬水泥基材料,水泥基材料在高溫作用下將產生復雜的物理化學變化[16-17].對于普通混凝土,高溫作用下的水泥石受熱膨脹,同時出現脫水收縮,其收縮程度隨著溫度升高逐漸超過熱膨脹,而骨料又在受熱后持續(xù)膨脹,材料內部這種嚴重的變形不協調使得混凝土的高溫力學性能迅速劣化乃至失效[18].而ECC與混凝土在材料組成上存在很大區(qū)別,例如,ECC中去除了粗骨料,替換以細砂,避免了粗骨料膨脹引發(fā)的局部變形問題;又如,ECC通常摻入體積分數約2%的聚乙烯醇(PVA)纖維,這種纖維在200℃以后開始熔化[19],可能導致ECC抗拉應變硬化特征的消失.目前,專門針對ECC高溫力學性能的研究仍較為有限,本文首先將圍繞傳統水泥基材料高溫力學性能的共性問題展開綜述,在此基礎上針對ECC高溫力學性能的研究工作進行分析評述.

1 水泥基材料力學性能高溫劣化機理

高溫(火災)環(huán)境下的損傷劣化直至最終失效是水泥基材料的共性問題,研究發(fā)現[20],在300～400℃以后混凝土抗壓強度明顯降低,600℃時降至常溫下的50%左右,800℃時降至20%左右,而1 000℃以后抗壓強度基本消失.這是由水泥石脫水、水化產物分解、骨料持續(xù)膨脹等復雜的物理化學變化綜合作用的結果[16-18].

相比于普通混凝土,高性能混凝土內部結構致密、強度更高,但這些優(yōu)勢在高溫情況下往往又可能轉化為負面影響[21].據報道[22],高性能混凝土在400℃作用下便產生爆裂.雖然高性能混凝土的高溫爆裂機理尚未明確,但高溫下形成的內部蒸汽壓和溫度梯度已被證實是引發(fā)爆裂的重要原因[23].據此,一些學者提出摻纖維的方法改善高性能混凝土的耐高溫性能.最為常用的纖維是聚丙烯纖維,該纖維約在150℃后熔化,使材料內部形成三維亂向分布的孔道,利于水蒸汽逃逸,從而避免爆裂的發(fā)生[24-25].肖建莊等[26]的研究結果顯示,摻聚丙烯纖維的高性能混凝土未見高溫爆裂現象,其高溫后抗壓強度的損失率接近于甚至小于普通混凝土.另一常用纖維是鋼纖維,鋼纖維高溫不熔化,可有效橋接熱應力引發(fā)的微裂紋,其良好的導熱性也有助于平衡材料內部的溫度梯度,提高混凝土的抗爆裂能力[27-28].已有研究發(fā)現[29-30],高強混凝土中摻入鋼纖維后未出現爆裂現象,并且力學性能的高溫劣化趨勢有所緩和.此外,也有學者嘗試混雜聚丙烯纖維和鋼纖維改善高性能混凝土的高溫力學性能,取得良好效果[31-33].

2 ECC高溫力學性能

2.1 抗壓力學性能

目前,有關ECC高溫力學性能的研究主要集中在單摻PVA纖維體系的抗壓力學性能.Sahmaran等[34]研究了ECC在高至800℃后的抗壓力學性能,發(fā)現ECC殘余抗壓強度在400℃以前并無顯著變化,而在600℃和800℃時分別降至常溫抗壓強度的50%和30%左右,這一規(guī)律與傳統混凝土類似.Sahmaran等[35]進一步研究揭示了粉煤灰摻量和PVA纖維對ECC高溫抗壓性能的影響,發(fā)現增加粉煤灰摻量可在200～600℃區(qū)間有效提高材料的殘余抗壓強度,PVA纖維的熔化機制有效避免了基材爆裂.

此后,ECC高溫性能研究開始引起全世界范圍的廣泛關注,相關研究不斷深入.張麗輝等[36]研究了不同強度等級ECC的高溫后力學性能變化規(guī)律,發(fā)現ECC抗壓強度降低是纖維和基體在高溫作用下發(fā)生熔化及物相分解的結果.Yu等[37-38]研究了不同降溫制度和養(yǎng)護齡期對ECC高溫后抗壓性能的影響,試驗顯示,延長加熱時間可在200℃時提高抗壓強度,而在200℃以后則持續(xù)降低抗壓強度,這與高溫后ECC內部復雜的物理化學變化有關[37];浸水冷卻后的殘余力學性能顯著優(yōu)于自然冷卻試件,但隨著齡期增長,浸水冷卻的優(yōu)勢趨于不明顯[38].Erdem等[39]研究了試件尺寸對ECC高溫后力學性能的影響,測得的3個不同尺寸試件的抗壓應力-應變曲線在不同溫度下均較為接近.此外,高翔[40]嘗試通過混雜PVA纖維與鋼纖維改善高韌性水泥基材料的耐高溫性能,試驗表明,鋼纖維在PVA纖維熔化以后可發(fā)揮橋接作用,材料在高溫下仍保持較高的殘余強度.

2.2 抗拉力學性能

Mechtcherine等[41]研究了ECC在高溫環(huán)境中和高溫后的拉伸性能,根據試驗結果,高溫環(huán)境和高溫后的材料抗拉強度均隨著溫度升高而逐漸降低,并且高溫情況下的強度下降幅度更為明顯;高溫后的材料極限拉應變呈線性衰減,而高溫中極限拉應變在22～100℃范圍內得到提高,這得益于纖維、基材及界面特性的綜合演化[41].但該研究施加的測試溫度低于PVA纖維熔點,ECC拉伸性能并未涉及纖維熔化問題.Magalh?es等[42]報道了ECC在高至250℃后的拉伸力學性能,隨溫度升高,抗拉強度由22℃時的2.97 MPa降至190℃的2.42 MPa,降幅并不明顯,而250℃時強度突降至0.92 MPa;材料在22～190℃范圍的極限拉應變持續(xù)衰減,但仍可保持應變硬化特征,250℃時則完全退化為應變軟化.Bhat等[15]進一步提高測試溫度,系統研究ECC在20～600℃范圍內的拉伸性能,結果顯示,材料在低于200℃時始終能夠保持應變硬化特征,只是極限應變有所降低,但200℃時的極限拉應變仍可達普通混凝土的50倍;200～600℃時材料的應變硬化特征則完全消失.

值得注意的是,ECC是經由微細觀力學方法設計的,控制其宏觀力學行為的關鍵因素在于細觀尺度上的纖維橋接特性,因此一些學者嘗試細觀力學方法研究ECC的高溫后纖維橋接規(guī)律.Yu等[43]研究了ECC在20～200℃亞高溫范圍內的拉伸力學行為,測試分析了高溫后的基材斷裂韌性、纖維橋接特性,在細觀尺度上闡釋了ECC高溫后拉伸行為的劣化機理.

2.3 高溫力學性能的影響因素與研究方法分析

1)升降溫制度

材料經歷的熱過程,如升降溫速率、高溫持續(xù)時長等對其高溫力學性能具有重要影響.有關ECC高溫力學性能的研究中,升溫速率大多維持在10～20℃/min區(qū)間,這種溫升過程較為平緩,與實際火災升溫過程相差甚遠.高溫持續(xù)時長以1 h最為多見,這是因為ECC力學試驗通常采用小尺寸試件,短時間暴露足以確保材料內部溫度分布均勻.在冷卻降溫方面,有研究發(fā)現浸水冷卻后的ECC力學性能顯著優(yōu)于自然冷卻試件,且溫度越高,浸水冷卻對強度和剛度的修復效果越明顯[38].

2)材料組成與強度

試驗表明[35],粉煤灰摻量由55%提高至70%將在200～600℃范圍內有效提高ECC的殘余力學性能,這與氫氧化鈣的含量降低密切相關,但粉煤灰的增強作用在800℃后消失.從材料強度看,低強與高強ECC表現出的高溫力學性能存在明顯差別,30 MPa級的ECC在200℃前抗壓強度逐漸提高,這得益于高溫蒸汽養(yǎng)護作用帶來的增強效果,而200℃后的強度下降也較為顯著,400℃時已降至常溫強度的60%[38,42].相比之下,50～70 MPa的ECC并未在200℃前表現出強度增長,這與高強材料較低的含水量有關,其200℃后的強度下降相對緩和,600℃時仍可達常溫強度的60%[34-35,39].值得說明的是,即使是高強ECC也未在高溫情況下出現爆裂現象,PVA纖維高溫熔化機制利于水蒸汽逃逸,可緩解內部蒸汽壓和溫度差異.

3)研究方法與評價指標

材料的原位高溫與高溫后力學性能存在一定差異,據報道[41],ECC的高溫后殘余抗拉強度和開裂強度高于原位高溫試驗結果,但其高溫后應變能力卻低于原位測試結果,這與纖維-基材的界面粘結特性相關,原位測試時纖維拔出明顯、裂縫張開較大.遺憾的是,現有的ECC高溫力學性能研究仍大多針對高溫預處理的試樣開展,原位高溫力學性能研究十分有限.從受力模式考慮,ECC高溫性能的研究須重點關注拉伸和彎曲力學性能,畢竟拉伸延性和縫寬控制功能才是ECC的突出優(yōu)勢,ECC研究領域亟需回答的問題仍是高溫情況下拉伸延性和縫寬自控能否保留,以及如何改善.

ECC高溫力學性能研究最終均涉及力學指標的評價,除普通混凝土高溫力學性能研究所關注的抗壓強度、彈性模量、峰值應變等常規(guī)參數之外,ECC高溫力學性能研究似乎更關心直接拉伸獲得的開裂強度、抗拉強度、極限拉應變、裂縫寬度等,這是因為上述力學指標的變化直接反應出ECC高溫力學特性的劣化規(guī)律,ECC高溫力學性能的改善效果如何同樣是以這些指標的大小為評判依據.

3 研究評述

綜合以上分析,國內外學者在ECC高溫力學性能研究領域已經做出大量工作,取得了眾多富有價值的研究成果.而為了在更根本層次上揭示ECC高溫力學性能的劣化機理,實現該材料高溫力學性能的有效提升,至少仍存在以下幾個亟待研究的關鍵問題：

1)以往有關ECC高溫性能的研究主要集中在單摻PVA纖維體系,盡管PVA纖維是實現ECC延性和裂縫寬度控制功能的關鍵所在,但是單摻纖維體系始終無法克服纖維熔化導致的延性失效問題,高溫情況下單純依靠PVA纖維維持力學性能顯然行不通.

2)熱過程(如升溫降溫速率、高溫持續(xù)時長等)、材料組成等因素對ECC高溫力學性能的影響機制仍有待開展深入研究,這是形成標準化的ECC升降溫制度、優(yōu)化ECC耐高溫設計方法的必要前提.

3)ECC材料高溫宏觀力學性能退化的本質在于材料內部結構的損傷,歸根結底是纖維、基材和纖維-基材界面特性的綜合演變造成的.但材料微細觀參數與高溫宏觀力學性能之間的定量關系并未建立,仍缺乏能夠聯系材料構成與高溫宏觀力學性能的有效模型.

4 總結與建議

本文從水泥基材料高溫劣化的共性問題出發(fā),圍繞ECC材料的高溫抗壓和抗拉力學性能研究進行了綜述,深入分析了升降溫制度、材料組成和強度等級對ECC高溫力學性能的影響規(guī)律,探討了現有研究方法和評價指標的適用性及問題所在,以期為ECC高溫力學性能的優(yōu)化設計提供借鑒.大量的試驗研究已經表明,摻纖維可有效改善各類混凝土材料的高溫力學性能,而有關ECC中PVA纖維的熔化和基體中的物相分解是造成該材料高溫力學性能劣化的主要因素.ECC在纖維熔化前能夠保持拉伸應變硬化特征,但纖維熔化以后,應變硬化特征則完全消失.這是ECC材料研究領域面臨的重要難題.

結合ECC高溫力學性能研究中存在的若干問題,本文提出以下幾點研究建議：

1)嘗試纖維混雜方法突破單摻纖維ECC在高溫力學性能方面的缺陷,混摻的高熔點、高強度纖維可在高溫后“接力”PVA纖維承擔裂紋間橋接作用,有望實現高延性水泥基材料高溫力學性能的提升.

2)重點采用直接拉伸試驗評價混雜纖維體系的高溫力學性能,獲取直觀的材料力學參數與開裂形態(tài),為混雜纖維ECC高溫性能的提升提供可靠依據.

3)深入挖掘熱過程(升降溫速率、高溫持續(xù)時長等)、材料配合比等因素對ECC高溫力學性能的影響規(guī)律,逐步形成普遍認可的升降溫實驗制度,提煉出行之有效的材料耐高溫設計方法.

4)注重微細觀參數與宏觀高溫力學性能的關系,準確把握材料微細觀劣化機理向宏觀力學性能的傳遞,創(chuàng)新ECC高溫力學性能的優(yōu)化設計方法.