商兴艳,陆洲导

(同济大学 结构工程与防灾研究所，上海 200092)

冷却方式对高温后ECC*

商兴艳,陆洲导†

(同济大学 结构工程与防灾研究所，上海 200092)

研究了冷却方式对高温后ECC(Engineered Cementitious Composites)残余力学性能的影响.将ECC试件加热至不同的温度(200，400，600和800 ℃)，采用不同的方式冷却(自然冷却和浸水冷却)，然后测试其力学性能.结果表明，浸水冷却的试件残余力学性能优于自然冷却的试件，且温度越高，冷却方式的影响越大.高温前后ECC的微观结构可以通过扫描电子显微镜(SEM)法和压汞试验(MIP)分析，微型测试结果可以很好的解释高温后ECC试件力学性能的变化.

冷却方式；力学性能；ECC；高温；微观结构

混凝土是世界上应用最广泛的建筑材料.尽管发明混凝土的最初目的是为了让其承受压力，但是由于建筑荷载、化学侵蚀和温度作用等原因，真实环境中的混凝土经常受到拉应力.混凝土的抗拉强度仅仅是抗压强度的10%，所以当受到拉应力时脆性的混凝土会开裂.

为了改善混凝土的脆性，科研工作者发明了ECC (Engineered Cementitious Composites).基于微观力学原理设计，它的拉应变可以达到普通混凝土的几百倍.ECC产生的裂缝细而密，最大裂缝宽度小于100 μm，单轴拉伸荷载下具有很高的延性和耐久性[1-2].现在，ECC的应用越来越多[3-4]，它经历火灾或在高温中使用的可能性也越来越大.因此，非常有必要研究高温下ECC的性能.

一般的水泥基材料在高温下会发生物理化学变化，导致力学性能(如受压强度和弹性模量)降低.Peng[5]等人研究了高温后纤维混凝土经历不同冷却方式(包括自然冷却、喷淋冷却和浸水冷却)后的残余力学性能，发现冷却方式对混凝土的残余力学性能(如抗压强度和断裂能)影响很大.Gencel[6]研究了恒温时间和冷却方式对高强混凝土残余力学性能的影响，Koksal[7]等人研究了高温后轻质混凝土的力学性能和物理性能.

也有学者开展了高温后ECC力学性能的研究.Sahmaran等人[8]研究了火后ECC的力学特性和微观结构，发现火后ECC没有发生高温爆裂现象，力学性能优于传统纤维混凝土.文献[9]研究了PVA纤维和粉煤灰用量对高温后ECC微观结构和残余力学性能的影响，发现加入PVA纤维是抵抗高温爆裂的有效方法.

高温后ECC的力学性能研究仍有很大的空间，与普通混凝土或高强混凝土类似，不同的冷却方式对火后ECC的力学性能会有很大影响.本文主要研究高温后ECC经历不同冷却方式后的性能.

1 试验研究

1.1 材料、配合比和基本力学性能

生产ECC的原材料有P.I型525水泥(C)，I级粉煤灰(FA)，沙，水(W)，PVA纤维，聚羧酸系高效减水剂(HRWR)和羟丙基甲基纤维素(HPMC).配合情况如表1所示.与一般的纤维混凝土不同，ECC的组成成分和配合比是根据微观力学原理设计的，可以达到期望的应变硬化特性[10].部分水泥被粉煤灰取代，可以提高受拉应变硬化，同时使ECC成为生态友好型材料.PVA纤维直径39 μm，长度8 mm，抗拉强度1 620 MPa，弹性模量42.8 GPa，最大延伸率6.0%.而且，PVA纤维的表面有一层专用油剂，满足纤维和基体的界面特性设计要求.

使用狗骨试件研究ECC材料的直接拉伸行为共3个试件[11]，试件尺寸见图 1.直接拉伸试验由位移控制，加载速率0.005 mm/s.28 d龄期的ECC典型的拉伸应力-应变曲线如图2所示，拉应变是4%，极限抗拉强度是3.8 MPa，方差0.02 MPa2.

表1 ECC的配合情况

图1 狗骨试件尺寸(mm)

应变/%

1.2 试件准备和试验

浇筑1 d后将试件从模具中取出，放在水箱中养护28 d.立方体试件的尺寸是50 mm×50 mm×50 mm[12].常温对比试件有5个，养护到规定时间后立刻受压.炉温由计算机控制，分别加热到200,400,600和800 ℃，升温速率13.3 ℃/min.当炉温达到目标温度之后，恒温1 h，使试件达到热平衡状态.由于试件的尺寸很小，恒温1 h之后，试件中心的温度也达到了目标温度.高温后的试件分别放在空气中自然冷却和浸水冷却5 min.降温后的试件密封7 d后受压.加载由位移控制，加载速率0.6 MPa/s[12]，由计算机数据采集系统记录荷载和变形值.每一组目标温度和冷却方式有4个试件.常温对比试件的抗压强度是30.14 MPa.

试件命名方式如下：最高温度-冷却方式.例如：400A(W)，式中A指自然冷却，W指浸水冷却5 min.

2 试验结果分析

2.1 试件表面特征

评估火后损伤混凝土结构首先要观察其颜色变化、表面开裂和剥离的情况[13].当ECC构件受到高温作用时，会发生一些颜色上的变化.图3展示了经历不同温度和冷却方式的ECC试件颜色的变化，对于自然冷却的试件，由于失水和化学分解，在20 ℃时是灰色，800 ℃时变为浅黄色.800 ℃的试件浸水冷却后颜色变成了深灰色，这可能是由于发生了进一步的化学分解的缘故.

观察高温后试件表面的开裂情况.试件在400 ℃时开始出现比较明显的细丝般的裂缝，到800 ℃时，微裂缝的尺寸变大，这与试件孔结构的变化是一致的.但是，浸水冷却后的试件由于进一步的化学分解会愈合部分表面裂缝，这可能严重影响孔结构的特征和ECC试件的力学性能.

图3 高温后试件表面特征

2.2 烧失量

通过烧失量来评估高温后试件的损伤情况.ECC试件烧失量(M0-Mi)/M0和温度的关系如图4所示，其中，Mi是试件高温后的质量，M0是初始质量.从图4中可以看出，烧失量随温度的升高而增加，这主要是由于自由水和结合水的蒸发.当温度变得比较高，达到600 ℃ 和800 ℃时，主要是水泥浆脱水分解所致[14].400 ℃以后，纤维熔化损失的质量也对烧失量有影响.

图4中还给出了高温后ECC试件浸水冷却5 min后的吸水率.200 ℃时，吸水率与烧失量相同，这是因为200 ℃时试件质量损失主要是自由水和物理结合水的蒸发.400 ℃时，吸水率略低于烧失量，这是由于400 ℃时试件的质量损失部分是水化产物的分解和化学结合水的蒸发.最终，随着温度的增加，吸水率明显高于烧失量，这是因为600 ℃和800 ℃时试件产生大量的微裂缝.

温度/℃

2.3 微观结构特征

孔结构控制着复合材料中水的排出，孔结构的变化反应了高温后材料性能的退化[15-16].本文中，用扫描式电子显微镜(SEM)观察试件的微观结构，采用压汞试验(MIP)确定常温和高温后ECC试件孔隙率的变化和孔径分布.微观试验的结果很好地解释了高温后ECC试件宏观行为的变化.

2.3.1 SEM观察

为了研究高温后纤维和基体的微观结构，用SEM观察高温后的ECC试件.SEM的型号是JSM-6380LV.试件400A,400W,800A和800W的SEM微观图像如图5所示.图5(a)和(b)是200A和400A试件的SEM显微图像.200 ℃时，纤维没有熔化，400 ℃时，纤维完全熔化，基体中产生了许多连通孔隙和小管道.因此，PVA纤维明显影响高温后ECC试件的孔隙率.图5(c)和(d)分别是ECC试件400W和800W的显微图像，可以看出，试件水中冷却后出现晶体结构，新晶体的出现有助于试件强度的增加.而且，试件800W比400W产生更多晶体，这导致试件800W的强度刚度增加很多.

然而，SEM法很难定量地判断经历不同温度和冷却方式的试件微观结构的不同.所以，高温后试件微观结构的不同将通过MIP试验进一步判断.

(a) 200A

(b) 400A

(c) 400W

(d) 800W

2.3.2 高温后ECC试件的孔结构特点

MIP试验可以提供很多关于孔结构的信息(包括ECC的孔隙率、平均孔径和孔径分布).测试仪器为Pascal 240孔径分析仪.

表2中总孔隙率的增加证实了高温后ECC结构整体性的破坏.如表中所示，冷却方式相同时，温度升高，ECC试件的平均孔径变大，总孔隙率增加(200 ℃除外)；温度相同时，浸水冷却试件的平均孔径和总孔隙率要比自然冷却的试件小.

表2 ECC试件总孔隙率的变化

高温200 ℃的试件的总孔隙率降低1.6%，这导致其强度和刚度的略微增加.试件200W, 400W,600W和800W的孔隙率都比相同温度下自然冷却的试件分别降低2.4%,4.7%,8.0% 和7.2%；平均半径分别减小了2.9%,4.5%,10.1%和13.3%.尤其是较高的600 ℃和800 ℃时，降低幅度更加明显.这是因为试件吸水后会发生进一步的水化反应，生成更多的CSH凝胶和晶体，沉积在孔隙里，导致其强度和刚度的增加.而温度较高时，由于试件微裂缝数量较多，吸收的水分比较多(见图4)，所以影响更大.

图6表示的是dV/dlogD和logD的关系，其中V是累计压入汞体积，D是孔径.试件800A和常温试件数量最多的孔径范围分别是20～40 μm和0.05～0.11 μm，这表明了高温对孔结构的粗化作用.试件400W和800W数量最多的孔径范围分别是0.06～0.15 μm和16～35 μm，均比自然冷却的试件孔径小，这证实了由于水化作用导致的浸水冷却对孔结构的增强作用.

图7是累计压入汞体积与孔径的关系.冷却方式相同时，累计压入汞体积随着温度的升高而增加，200 ℃除外；相同温度下，浸水冷却的试件比自然冷却的试件累计压入汞体积小，800 ℃时尤为明显，这说明800 ℃的高温作用后，试件的力学性能对冷却方式更加敏感.

可见，MIP的试验结果可以很好地解释ECC的力学性能随温度的升高而降低(200 ℃除外)，和浸水冷却对试件强度刚度的恢复作用.

LogD/μm

LogD/μm

2.4 残余抗压强度

图8是浸水冷却试件与自然冷却试件的强度比、刚度比和位移比.与自然冷却的试件相比，200 ℃时，水中冷却的试件抗压强度和刚度分别增加了2%和10%，位移降低了2%；到800 ℃时，强度和刚度分别增加了13%和62%，位移降低了24%，这与微观试验结果相吻合.试件吸收的水有助于进一步水化产生更多的CSH凝胶和晶体(见图5(b)和(d))，减少了中间裂缝.结果进一步说明了刚度比强度对微裂缝更敏感[17-18].随着温度升高，冷却方式的影响越大.这可能是由于温度高时，试件的吸水率增加，见图4，产生更多的晶体和CSH凝胶，所以更易受其影响.

图8 浸水冷却试件与自然冷却试件的强度比、刚度比和位移比

2.5 应力-应变曲线

ECC试件的应力-应变曲线如图9所示.从图9可以看出受压应力-应变曲线的变化趋势类似，冷却方式相同时，峰值应力随温度的增加而降低，而与峰值应力对应的应变却随温度的升高而增加(200 ℃除外).随着温度的增加，应力-应变曲线的坡度变缓，表明ECC试件的刚度降低.水中冷却有助于残余力学性能的恢复.相同温度下，浸水冷却后试件的强度和刚度都略有恢复，应力-应变曲线下的面积也增加了，表明吸收能量的增加.

应变/%

3 结 论

本文主要研究冷却方式对高温后ECC试件力学性能和微观结构的影响.基于试验结果，得到以下结论：

1)ECC试件的颜色由20 ℃的灰色变为800 ℃的浅黄色，浸水冷却后变为深灰色.400 ℃时试件开始出现细丝状的微裂缝，浸水冷却会修复部分表面裂缝.烧失量和吸水率均随温度的升高而增加.

2) 采用SEM法观察ECC试件的微观结构，发现当温度达到400 ℃时，PVA纤维完全融化， 600和800 ℃时几乎所有的水化产物都失去了晶体结构特征.试件水中冷却后出现晶体结构，新晶体的出现有助于试件强度的增加.采用MIP试验测试孔隙率，结果表明高温后孔结构粗化，孔隙率增加(200 ℃除外)，浸水冷却试件的平均孔径和总孔隙率要比自然冷却的试件小.

3)浸水冷却的试件的残余力学性能要比自然冷却的试件好，且温度越高，冷却方式的影响越大.试件刚度对温度和冷却方式的变化更加敏感.

4) 所有试件的受压应力-应变曲线的变化趋势类似，冷却方式相同时，峰值应力随温度的增加而降低，200 ℃除外.水中冷却有助于残余力学性能的恢复.

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Influence of Cooling Regimes on the Mechanical Properties of ECC After High Temperatures

SHANG Xing-yan, LU Zhou-dao†

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji Univ, Shanghai 200092, China)

This paper studied the influence of cooling regimes on the residual mechanical properties of ECC (Engineered Cementitious Composites) after high temperatures. The ECC specimens were heated to different temperatures (200, 400, 600 and 800 ℃) and cooled in different regimes (cooling in air and quenching in water). The residual mechanical properties were tested. The results indicated that the specimens quenching in water gained better mechanical properties than the one cooling in air and the influence of cooling regimes increased with temperature. The micro structural characterization was examined before and after exposure to fire deterioration by using scanning electron microscopy (SEM) and mercury intrusion porosimetry (MIP) test. The results from the micro test explained the mechanical property variation of post-fire specimens.

cooling regimes; mechanical properties; ECC; high temperature; microstructure

1674-2974(2015)07-0081-06

影响

2014-07-16

国家自然科学基金资助项目(51378397)，National Natural Science Foundation of China(51378397)

商兴艳(1989-)， 女, 山东滨州人，同济大学博士研究生

†通讯联系人，E-mail:lzd@tongji.edu.cn

TU528.572

A