武汉大学学报(工学版)   2017, Vol. 50 Issue (6): 950-956, 962

文章信息

郭亚栋, 高淑玲
GUO Yadong, GAO Shuling
减水剂对PVA-ECC高温后力学性能的影响试验
Experimental reasearch on influence of super plasticizier on mechanical properties of PVA-ECC
武汉大学学报(工学版), 2017, 50(6): 950-956, 962
Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(6): 950-956, 962
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-06-023

文章历史

收稿日期: 2017-06-07
减水剂对PVA-ECC高温后力学性能的影响试验
郭亚栋1,3, 高淑玲1,2     
1. 河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401;
2. 河北工业大学河北省土木工程技术研究中心,天津 300401;
3. 中建八局天津公司,天津 300450
摘要:对加入减水剂和未加入减水剂的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)测定了不同温度作用后的立方体抗压、棱柱体抗折及薄板抗弯强度.发现加减水剂PVA-ECC的各项残余力学性能均比无减水剂PVA-ECC的对应值大;室温状态下的立方体抗压强度增加85%,棱柱体抗折强度增加38%,薄板抗弯强度增加60%.与室温值相比,无减水剂试件在200 ℃时的立方体抗压强度和棱柱体抗折强度分别增加3.9%、8.7%,薄板3点抗弯强度下降14.1%,加减水剂试件对应的3项力学性能则分别降低31.4%、55.3%、39.7%.而当达到400 ℃时,无减水剂试件的棱柱体抗折和薄板抗弯强度损失率分别达75.7%和62.5%.600 ℃时,无减水剂薄板只剩1块,其余2块已经剥落.800 ℃时,无减水剂立方体试件已经剥落,加减水剂立方体试件的抗压强度损失率也已达80.1%.
关键词减水剂    聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料    高温性能    
Experimental reasearch on influence of super plasticizier on mechanical properties of PVA-ECC
GUO Yadong1,3, GAO Shuling1,2     
1. School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;
2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;
3. China Construction Eighth Engineering Division.Co., Ltd., Tianjin Branch, Tianjin 300450, China
Abstract: The polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites (PVA-ECC) with super plasticizer(SP) added or not has been tested for compressive, flexural and bending properties after high temperatures. It is found that under the same temperature, PVA-ECC added SP performs better than not added ones; when under room temperature, compressive strength, prism and sheet's bending strengths for PVA-ECC added SP are respectively higher 85%, 38% and 60% than PVA-ECC not added SP; when the temperature reached up to 200 ℃, the not added one's compressive strength and prisim bending strength increase 3.9% and 8.7%; thin sheet bending strength decreases 14.1%; PVA-ECC added SP decrease 31.4%, 55.3% and 39.7% respectively. While at 400 ℃, the bending strength loss rate about not added one's prisim and thin sheet abruptly decrease to 75.7% and 62.5%. At 600 ℃, only one not added SP thin sheet remaines, the two others has spalled. At 800 ℃, all of not added SP cubic specimens have spalled; the added one's compressive strength loss rate also reaches up to 80.1%.
Key words: super plasticizier     polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites (PVA-ECC)     high temperature properties    

混凝土和砂浆的结构细密,遭受高温时内部热量难以快速排出外部,造成结构爆裂,对人民的生命和财产安全带来巨大损失.聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)不仅可以显著提高结构的延性,还可以有效防止结构的高温爆裂现象.Sahmaran等[1]研究了PVA-ECC高温后的力学性能,结果发现随着粉煤灰掺量的增多,残余力学性能也随之增加,PVA纤维的掺入能够有效提高机体抵抗高温爆裂的能力.李丹等[2]测试了不同温度后的PVA-ECC的抗压、抗折和质量损失率,并对高温后的试件进行了微观扫描.结果表明当温度达到800 ℃时,试块仍存在抗压强度和弯曲韧性.高贯鹏[3]对不同温度后PVA-ECC的力学性能进行了系统研究,发现在200~400 ℃间由于自由水、胶凝水的蒸发,加之纤维的融化,试件的质量损失较快;而在400~800 ℃之间,蒸发的主要是结合水,质量损失减慢.温度达到800 ℃时,试件的各项力学性能较常温时仅剩10%左右.赖建中等[4]通过在混凝土中掺入PVA纤维,发现纤维的加入可以改善高性能混凝土的抗爆裂性能,在300 ℃之前抗压强度随温度的升高而增加,400 ℃之后逐渐降低.且相比之普通混凝土具有很高的残余强度.Yu、戴建国、商兴艳、余江滔等[5-8]研究了ECC不同温度作用并采用不同冷却方式后的残余力学性质,最后认为浸水冷却相比空气中冷却确实有助于试件力学性质的恢复.可以看出,针对PVA-ECC的抗高温性能,前人已经做了细致研究,但其配比中的水胶比很小,均掺有高效减水剂,这使得PVA-ECC流动性较高,可以应用于水平施工项目,但无法很好地用于墙面抹灰,而无减水剂PVA-ECC不仅配制相对简便,而且已有学者将无减水剂PVA-ECC应用于砌体墙加固[9-13],试验证明经加固后的墙体具有良好的抗震和变形性能.而作为直接与外部环境相接触的部位,抹灰层难免会遭受高温甚至火灾的侵袭.基于上述,本文对PVA-ECC配比中是否加入减水剂,设计了2种PVA-ECC,研究这2种材料在不同温度后的残余力学性能.

1 试验概况 1.1 试件设计

针对不同温度(室温、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃),设计了35组共计135块试件.其中抗压试件15组,包括5组边长70.7 mm的加减水剂PVA-ECC立方体试块,每组6个,对应的5组同尺寸的无减水剂的PVA-ECC试块;以及5组边长为100 mm的C35混凝土立方体试块,每组3个.棱柱体3点抗折试件10组,有/无减水剂各5组,每组3个.薄板3点弯曲试件10组,有/无减水剂各5组,每组3个.抗折和抗弯试件的尺寸及加载设置如图 1所示.

图 1 抗折/抗弯试件尺寸及加载示意图(单位:mm) Figure 1 Demensions and loading modes for bending specimens (unit:mm)
1.2 原材料及配合比

原材料选用PO.42.5级普通硅酸盐水泥,80~100目石英砂,I级粉煤灰,自来水,聚羧酸类高效减水剂,日本Kuraray公司生产的REC15KURALON K-Ⅱ新型聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)系列纤维,各项参数如表 1所示.碎石,粒径5~10 mm;海砂,细度模数2.41.具体配比见表 2.

表 1 PVA纤维参数 Table 1 Properties of PVA fiber
密度/(g·cm-3) 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 极限延伸率/% 长度/μm 直径/μm
1.3 1 620 42.8 7.8 12 26
表 2 配合比 Table 2 Mixing ratio of PVA-ECCs and concrete
类型 材料用量
水泥 石英砂 粉煤灰 减水剂 纤维 石子 海砂
加减水剂 PVA-ECC 1.000 0.800 1.200 0.563 0.013 0.038
无减水剂 PVA-ECC 1.000 0.800 1.200 0.887 0.038
C35混凝土 1.000 0.440 2.751 1.179
1.3 试验程序

首先将浇筑好的试件放入标准养护室中养护至28 d龄期,取出,置于通风处1~2 d至其干燥,称其质量,然后放入马弗炉中加热达到设定温度后取出,于空气中降温至室温后再次称其质量,最后测定试件相应的残余力学性能.其中马弗炉膛内尺寸120 mm×200 mm×300 mm,功率4 kW,最高工作温度1 000 ℃.设定升温速率为标准[14]中规定的进行耐火试验时的升温曲线,即

    (1)

式中:T为温度,℃;t为时间,min.抗压速率为0.5 MPa/s,抗折速率为50 N/s,抗弯速率为0.1 mm/s.

2 试验结果

表 2浇筑各组试件,发现在掺入的水泥、石英砂、粉煤灰和纤维的质量相同的情况下,配制出的无减水剂PVA-ECC的体积较加减水剂PVA-ECC的大13.3%,纤维体积掺量经测定分别为1.5%(无减水剂)、1.7%(加减水剂).

2.1 立方体抗压试验

将遭受不同高温后的立方体试件取出降至室温后,发现其表面颜色随温度的不同而不同,如图 23所示.对于加减水剂试件,室温时为灰褐色,温度从室温升至200 ℃后试件表面基本无变化,有些颜色稍深,这是由于内部水分蒸发的结果;当升至400 ℃时,试件表面颜色变为浅褐色,说明此时水分基本已蒸发完,600 ℃时表面开始泛黄,800 ℃时尤为明显.

图 2 不同高温后加减水剂PVA-ECC立方体试块 Figure 2 PVA-ECC cubes with superplasticizer after different high temperatures
图 3 不同高温后无减水剂PVA-ECC立方体试块 Figure 3 PVA-ECC cubes without superplasticizer after different high temperatures

对于无减水剂试件,室温及200 ℃时均为浅灰色;当温度升至400 ℃后,颜色变为黑褐色,且有部分试件表面出现开裂现象;600 ℃时颜色继续加深,达800 ℃时颜色变为白黄色,有些试件已经剥落完全成碎渣,无法加压,基本丧失承载能力.

对于混凝土试件,室温和200 ℃时表面基本无变化,但当升温至400 ℃时,试件突然发生爆裂(图 4).可见对于混凝土,400 ℃是其耐高温的上限.

图 4 混凝土立方体试块 Figure 4 Concrete cubes after high temperatures

图 4~6是受压后试件的破坏形态,测得各组的残余抗压强度和烧失量汇总,得出的结果如表 3图 7所示.可以看出,随着温度的上升,加减水剂PVA-ECC(CS组)、无减水剂PVA-ECC(CW组)以及混凝土(CC组)的烧失量均逐渐增大,但由于减水剂的使用,水胶比较小,CS组各温度时的烧失量值均较同温度时的CW组的小;除600 ℃外,由于减水剂的使用,CS组各温度时的立方体抗压强度值均比同温度作用后CW的大.对于加减水剂组,抗压强度在200 ℃时(CS-200)较室温已减少31.4%,而对应的CW-200则较室温值(CW-S)还略微增加(-3.9%).但当温度升至400 ℃以后时,CS组和CW组的抗压强度均为下降趋势.至800 ℃时,CS组除2个试件由于部分剥落未进行抗压外,测得的其余2个试件的抗压强度损失率已达80.1%,但还有残余抗压强度;而CW组由于完全剥落已经无法测得抗压强度,从剥落处可以看到白色斑点,触摸即成粉末,说明石英砂已经烧坏.对照组的混凝土试件,200 ℃时其抗压强度较室温值增加幅度达26.6%,而接近400 ℃时则突然爆裂.

图 5 加减水剂PVA-ECC立方体试块 Figure 5 PVA-ECC cubes with superplasticizer
图 6 无减水剂PVA-ECC立方体试块 Figure 6 PVA-ECC cubes without superplasticizer
表 3 PVA-ECC立方体试块试验结果 Table 3 Test results for PVA-ECC cubes
编号 平均抗压强度/MPa 抗压强度损失率/% 平均烧失量/%
CS-S 38.2 0 0
CS-200 26.2 31.4 1.13
CS-400 22.9 40.1 12.17
CS-600 12.2 68.1 14.76
CS-800 7.6 80.1 23.82
CW-S 20.7 0 0
CW-200 21.5 -3.9 1.40
CW-400 17.4 15.9 16.68
CW-600 15.2 26.6 23.21
CW-800 100 29.85
CC-S 35.7 0 0
CC-200 45.2 -26.6 0.45
CC-400 爆裂
CC-S 38.2 0 0
CC-200 26.2 31.4 1.13
注:表中编号首字母C代表抗压;次字母S代表掺入减水剂,W表示未加减水剂,C代表混凝土;最后字母S(室温)或数字代表温度.
图 7 强度损失及烧失量随温度变化情况 Figure 7 Changes of compression strength and loss on ignitions with different temperatures

总体而言,就本次试验所设置的温度段,CS组的残余抗压强度值下降幅度较大,但当达到800 ℃后仍能继续承压,400 ℃是其抗压强度转变的关键点;CW组的残余抗压强度值下降幅度较缓,但800 ℃后不能继续承压,600 ℃是其抗压的极限温度;混凝土200 ℃时的抗压强度不降反升,但无法承受400 ℃高温,200 ℃是其抗压的极限温度.

2.2 棱柱体3点抗折试验

表 4为抗折试验结果.可以看出,室温状态下加减水剂PVA-ECC的平均抗折强度为15.9 MPa,比未加减水剂的PVA-ECC的11.5 MPa高;但随着温度的升高,达到200 ℃时,加减水剂PVA-ECC的抗折强度骤降至7.1 MPa,下降幅度高达55.3%,而无减水剂PVA-ECC的抗折强度反而从11.5 MPa略升至12.5 MPa;温度继续升至400 ℃时,加减水剂PVA-ECC的抗折强度继续下降,但趋于平缓,而无减水剂PVA-ECC的抗折强度值则从12.5 MPa骤降至2.8 MPa,下降幅度高达77.6%,此时其平均烧失量也由1.35%骤升至21.55%,升温过程中发现炉体外有大量水分,而在200 ℃时则未出现,说明内部自由水的大量蒸发是烧失量骤升的主要因素;温度继续升高,试件的抗折强度继续降低,至800 ℃时,与室温值相比,加减水剂组抗折强度损失率已达86.2%,无减水剂组抗折强度损失率也已达90.4%,此时观察2组试件的断裂面,有大量白色斑点分布,说明此时石英砂已经被高温煅烧分解.

表 4 抗折试件试验结果 Table 4 Test results of bending specimens
编号 平均抗压强度/MPa 抗压强度损失率/% 平均烧失量/%
BS-S 15.9 0 0
BS-200 7.1 55.3 4.86
BS-400 4.8 72.5 7.17
BS-600 3.0 81.1 14.54
BS-800 2.2 86.2 19.28
BW-S 11.5 0 0
BW-200 12.5 -8.7 1.35
BW-400 2.8 75.7 21.55
BW-600 2.2 80.9 23.30
BW-800 1.1 90.4 26.99
注:表中首字母B代表抗折;次字母S代表加减水剂,W代表未加减水剂;最后字母S(室温)或数字代表温度.

由以上分析可以看出,加减水剂组PVA-ECC的抗折强度值均大于同温度作用后的无减水剂PVA-ECC的抗折强度值.由于减水剂的使用,其平均烧失量也较同温度作用下的低.对于加减水剂PVA-ECC,200 ℃是其抗折强度的关键点;对于无减水剂PVA-ECC,由于内部大量结合水的存在,使其承受高温能力较强,400 ℃是其抗折强度的关键点.

图 8 加减水剂PVA-ECC抗折试件 Figure 8 Bending specimens for PVA-ECC with superplasticizer
图 9 无减水剂PVA-ECC抗折试件 Figure 9 Bending specimens for PVA-ECC without superplasticizer
2.3 薄板3点弯曲试验

图 10是试验加载时试件的破坏形态,可以明显地看到薄板跨中纤维的拔出现象.在实际加温过程中,加减水剂PVA-ECC薄板在遭受高温后均能保持试件的整体性,并能进行下一步的受弯试验(图 11).而对于未加减水剂PVA-ECC薄板(图 12),当遭受600 ℃高温后,3块薄板中仅剩余1块完整试件,其余2块均已剥落;800 ℃高温3块试件均已剥落完全,无法进行残余受弯性能的测试,且其表面已经泛黄,从剥落处可以看见大量白色斑点,用手触摸即成粉末,说明石英砂已经煅烧完全.

图 10 3点弯曲试验及纤维的拔出 Figure 10 Three points bending test and extraction of PVA fibers
图 11 加减水剂组PVA-ECC薄板 Figure 11 PVA-ECC sheets with superplasticizer
图 12 无减水剂组PVA-ECC薄板 Figure 12 PVA-ECC sheets without superplasticizer

图 13是采集得到的各组的荷载-挠度曲线.其首字母S(W)代表加(无)减水剂,次字母表示承受高温度数(×100 ℃), 其中次字母S表示室温.在实际加载过程中,由于在加载初期荷载较小,且试件重量较小,容易导致有的试件在支座处有略微滑移,从而使得其挠度值在加载初期就比较大.因此,不能单纯采用极限挠度的绝对值来衡量试件的弯曲韧性,又考虑到高温涉及到能量问题,故选用荷载(F)-挠度(δ)曲线下的面积来衡量各试件的残余韧性,最后得出的结果见表 5.

图 13 薄板3点弯曲荷载-跨中挠度曲线 Figure 13 Relationships between load and mid-span deflection of PVA-ECC sheets
表 5 薄板3点弯曲试验结果 Table 5 Test results of PVA-ECC sheets
编号 平均抗弯强度/MPa 平均抗弯强度损失率/% A=∫δFdδ平均值/(N·mm) 平均烧失量/%
S-S 17.23 0 3 474.2 0
S-2 10.39 39.7 1 779.4 7.34
S-4 3.99 76.8 97.6 11.19
S-6 3.89 77.4 94.8 12.65
S-8 0.92 94.7 36.4 16.32
W-S 10.78 0 4 452.3 0
W-2 9.26 14.1 4 670.4 3.31
W-4 4.04 62.5 93.3 15.24
W-6(仅1件) 0.74 93.1 38.27 18.78

表 5可以看出,各温度状态下加减水剂PVA-ECC(编号S开头组)的平均抗弯强度较未加减水剂PVA-ECC(编号W开头组)的高,但其A值在室温和200 ℃时较低,说明减水剂的掺入一方面使得纤维掺量增加,增加了断面的桥接应力,从而提升了试件的抗弯强度;而另一方面也减少了材料内部的结合水,增大了纤维与基体之间的摩擦力,使得试件向“脆性”发展.另外,与室温时相比,无减水剂组的A值在200 ℃时反而有所增加.且总体看来,W组试件的抗弯强度损失率普遍低于同温度时S组相应值.但W组的抗高温极限能力仅到400 ℃,相比之下,S组在遭受800 ℃高温后仍能保持试件的完整性.因此,对于加减水剂PVA-ECC薄板和无减水剂薄板,200 ℃均是其抗弯性能转折的关键点,而600 ℃则是无减水剂PVA-ECC薄板的抗弯极限温度.

图 13中选取具有代表性的曲线,组合在一起得出图 14所示的曲线.可以看出,随着温度的升高,2种PVA-ECC的极限弯曲荷载逐渐减小,整个曲线亦逐渐向原点靠拢,说明其耗能能力的下降,抗高温能力愈来愈小.但总体上来看,同温度条件下,加减水剂PVA-ECC组均较未加减水剂组的极限载荷和抗高温能力高.

图 14 不同温度下PVA-ECC薄板受弯荷载-挠度曲线 Figure 14 Load-deflection relationships of PVA-ECC sheets after different high temperatures
3 结论

1) 其他材料用量不变的情况下,减水剂的掺入可以降低水的用量,使得配制出的PVA-ECC的体积减小12%,纤维体积掺量增大13%,室温状态下的立方体抗压强度增加85%,棱柱体抗折强度增加38%,薄板抗弯强度增加60%.

2) 加减水剂PVA-ECC的水胶比为0.27,无减水剂的水胶比为0.41,C35混凝土的水灰比为0.44.温度升至200 ℃高温时,与室温时相比,无减水剂PVA-ECC的立方体抗压强度和棱柱体抗折强度分别增加3.9%、8.7%,薄板3点抗弯强度下降14.1%;而减水剂的PVA-ECC对应的3项力学性能指标则分别降低31.4%、55.3%、39.7%;C35混凝土立方体的抗压强度也较室温值增加达26.6%.说明温升至200 ℃高温时,温度的增长促进了无减水剂PVA-ECC和混凝土内部的水化反应;而加减水剂PVA-ECC由于自由水较少,抵御高温能力相对较弱,力学性能显著降低.

3) 当温度达到400 ℃时,混凝土在升温过程中即发生爆裂;加减水剂PVA-ECC和无减水剂PVA-ECC的棱柱体抗折强度和薄板3点抗弯强度均明显下降.400 ℃是混凝土的耐高温极限值,是有/无减水剂PVA-ECC的抗折/弯强度的关键点.

4) 600 ℃时,无减水剂PVA-ECC薄板已经只剩1块,其余2块已经剥落,600 ℃是无减水剂薄板抗弯的上限温度;800 ℃时,无减水剂PVA-ECC立方体试件已经剥落,加减水剂PVA-ECC立方体试件的抗压强度损失率也已达80.1%,已经基本丧失承载力.

5) 不同高温作用后加减水剂PVA-ECC的各项残余力学性能均比无减水剂PVA-ECC的对应值大.整个升温过程中,与混凝土内部水蒸汽压力过大发生爆裂不同,由于纤维融化给水蒸汽提供了足够的通道,使得有/无减水剂试件均未发生爆裂现象.纤维孔道和石英砂煅烧使结构内部由密实逐渐变为稀松是PVA-ECC各项力学性能降低的主要原因.

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