白文琦　吕晶　杜强　白亮　吴函恒

摘要：为了研究聚乙烯醇（PVA）纤维增强型水泥基复合材料高温后的力学性能，对30组共90个试件进行了力学性能试验，测得材料的立方体抗压强度、抗折强度、弹性模量、轴心抗压强度以及棱柱体单轴抗压应力-应变全曲线，并与相应基体的力学性能进行对比分析。结果表明：当加热温度低于200 ℃时，PVA纤维的掺入可有效改善水泥基复合材料的抗折强度和棱柱体单轴受压峰值荷载后的延性性能和韧性性能，降低弹性模量，对立方体抗压强度和棱柱体轴心抗压强度影响不大；温度高于200 ℃后，抗折强度、弹性模量和峰值荷载后的延性性能与韧性性能与基体接近，立方体抗压强度和轴心抗压强度均低于基体，轴心抗压强度下降幅度远远大于立方体抗压强度。

关键词：高温；纤维增强型水泥基复合材料；聚乙烯醇；力学性能；应力-应变全曲线

中图分类号：TU528.043 文献标志码：A

0引 言

PVA纤维增强型水泥基复合材料（PVA-ECC）是采用聚乙烯醇纤维来改善水泥基材料抗拉强度低、韧性差、抗震和抗冲击强度较低的一种新型复合材料。自20世纪90年代Li等[1]提出超高韧性水泥基复合材料的基本设计理论以来，各国学者对该材料基本力学性能和耐久性进行了一系列试验研究，取得众多研究成果[2-7]，并在桥面板的耐久性修补[8]、大坝维修[9]、铁路高架桥维修[10]、输水渡槽维修[11]、ECC-钢混杂结构[12]等实际工程中得到应用。

目前，大部分的研究集中在室温状态下的材料性能，主要是由于所使用的结构部位大部分处于室外，无需考虑火灾对结构物的影响。随着PVA-ECC应用范围的不断拓宽，部分学者在其作为修补材料来提高混凝土结构耐久性和作为耗能材料提高结构抗震性等方面开展了大量研究[12-14]，研究结果表明，该类材料在室温状态时，较普通混凝土具有卓越的力学性能、良好的抗震性能和耐久性。对高温后该类材料性能的变化规律各国鲜有报道，且PVA纤维属于高分子有机纤维，耐热性较差，作为结构材料，其高温后性能尤为重要。在此背景下，本文研究温度对PVA-ECC力学性能的影响规律，为PVA-ECC构件和结构的抗火设计及火灾后的诊断、加固提供试验依据。

本文对相同配合比PVA-ECC基体（以下简称基体）和PVA-ECC在室温及不同温度下的立方体抗压强度、抗折强度、弹性模量、轴心抗压强度及抗压应力-应变全曲线等进行试验研究，考察高温后PVA-ECC及其基体力学性能的变化规律和破坏形式，并对试验结果进行对比分析，提出高温后PVA-ECC及其基体各性能的演变规律。

1试验概况

1.1试验原材料

试验用水泥采用陕西秦岭水泥厂生产的P.C32.5复合硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。粉煤灰为户县电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；砂为渭河河砂，细砂，细度模数1.87；PVA纤维为山东泰安同伴纤维有限公司生产，主要性能指标见表2。

PVA纤维的热分析试验采用美国TA仪器公

由图1可知，在100 ℃，200 ℃，400 ℃三个温度时，PVA纤维均发生较大的质量损失，500 ℃之后PVA纤维质量几乎为0，此时纤维完全分解。因此，本文将加热温度设定为100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃四个温度，分别研究不同温度下PVA-ECC及其基体性能的变化规律。

1.2试验配合比

试验配合比设计采用基于微观力学的性能驱动设计方法[1]，各组成材料用量如表3所示。

1.3试验方法

试验共制作30组试件分别研究PVA-ECC及其基体的立方体抗压强度、抗折强度、弹性模量以及单轴抗压应力-应变曲线。每组试件分别成型，40 mm×40 mm×160 mm的PVA-ECC及其基体试件各5组，每组3个，70.7 mm×70.7 mm×210 mm的PVA-ECC及其基体试件各10组，每组3个。试验共制作试件90个。试件成型1 d后拆模，标准养护28 d后进行试验。

将养护至龄期的试件表面晒干后，放入SX2-16G系列箱式电阻炉内进行加热处理，加热制度为：升温速率为10 ℃·min-1，恒温6 h，打开炉门冷却1 h后，取出试件置于室内。设计加热温度为100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃。

立方体抗压、抗折试验依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[15] 中相关规定进行，弹性模量试验依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）[16]中相关规定进行，采用WAW31000微机控制电液伺服万能试验机测试单轴抗压应力-应变曲线，加载速率为0.5 mm·min-1，试验力通过试验机自带的力传感器采集，受压变形通过视频引伸计采集。

2试验结果分析

本文试验得到40 mm×40 mm×160 mm试件的抗折强度Rf，立方体抗压强度Rc，70.7 mm×70.7 mm×210 mm试件的弹性模量Em，轴心抗压强度fm，峰值应变εm，试验结果见表4。

2.1抗折强度、立方体抗压强度

PVA-ECC的抗折强度、抗压强度是其力学性能中最基本、最重要的两项，常作为基本参数确定材料的强度等级和质量标准，并决定着其他力学性能指标。PVA-ECC在不同温度时的抗折强度、抗压强度也是研究其构件和结构高温性能的基础。试验得到的PVA-ECC及其基体抗折强度、抗压强度如表4所示。不同温度PVA-ECC基体与PVA-ECC抗折强度如图2所示。从图2可以看出，室温状态下，PVA-ECC抗折强度较其基体提高约1.8倍，随着加热温度的提高，二者抗折强度值趋于接近，加热温度超过300 ℃后，PVA-ECC与基体的抗折强度值几乎相等，表明PVA-ECC经300 ℃以上高温处理后，PVA纤维几乎完全失去对复合材料抗拉强度的贡献。

不同温度PVA-ECC基体与PVA-ECC立方体抗压强度如图3所示。从图3可以看出，加热温度在200 ℃以下，PVA-ECC与基体的立方体抗压强度值较为接近，表明在加热温度200 ℃以下PVA纤维的掺入对基体抗压强度影响不大。加热温度超过200 ℃后， PVA-ECC的立方体抗压强度值较其基体下降明显，经400 ℃加热处理后的PVA-ECC的立方体抗压强度值只有其基体的81%，主要原因是加热温度较高时纤维发生熔融，基体内孔隙率增大，抗压强度降低。

2.2弹性模量

弹性模量是混凝土的重要力学性能， 它反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系， 是计算混凝土结构变形、裂缝开展和温度应力所必需的参数之一。试验测得的弹性模量与加热温度的关系如图4所示。对比PVA-ECC及其基体的弹性模量可以看出，随着加热温度的提高，PVA-ECC与基体的弹性模量均降低，PVA-ECC弹性模量均小于其基体，表明PVA纤维的掺入可有效降低基体的刚度，且随着加热温度的提高，降低的幅度逐渐减小。

2.3单轴抗压应力-应变全曲线

单轴受压状态下的应力-应变关系全面地反映了各个受力阶段的变形特点和破坏全过程， 包含了重要的力学性能指标， 是结构和构件设计、非线性分析所必需的材料物理条件。试验得到的棱柱体抗压应力-应变全曲线（由荷载-变形曲线经计算得到）如图5～9所示。从图5～9可以看出，尽管PVA-ECC及其基体的全曲线和混凝土棱柱体抗压应力-应变全曲线类似，亦属于偏态的单峰曲线，但是其塑性变形能力明显优于普通混凝土，PVA-ECC及其基体的峰值应变较为接近，均出现在0.005～0.008之间，但峰值应变后延性性能和韧性性能随加热温

度的不同而差异性较大。加热温度在200 ℃以下，基体在峰值荷载后，均突然发生破坏，表现出明显的脆性破坏，而PVA-ECC在峰值荷载后应力-应变曲线较基体趋于平缓，表现出良好的延性性能和韧性性能。

加热温度超过200 ℃后，PVA-ECC及其基体的抗压应力-应变曲线渐趋扁平，峰值点下降且右移，表明高温轴心抗压强度fm降低，峰值应变εm增大，经400 ℃处理后的PVA-ECC极限抗压强度只有室温状态的一半左右，而PVA-ECC立方体试件抗压强度经400 ℃处理后约为室温状态的85%，这主要是因为试件增大导致试件内部纤维对试件抗压强度的敏感性增大。

3结语

（1）加热温度低于200 ℃时，PVA纤维可有效提高基体的抗折强度，对立方体抗压强度影响较小。加热温度高于200 ℃时，PVA纤维对基体抗折强度的改善作用逐步减小，加热温度高于300 ℃后，PVA-ECC与其基体的抗折强度十分接近，PVA-ECC抗压强度明显低于基体。

（2）室温状态下，PVA纤维的掺入可有效降低基体的弹性模量。随着加热温度的提高，PVA-ECC与其基体的弹性模量均呈下降趋势，且PVA纤维对基体弹性模量的改善效果降低。

（3）试验测得PVA-ECC及其基体在室温、100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃处理后的单轴抗压应力-应变全曲线， 并对两者进行了对比分析，结果表明：加热温度在200 ℃以下PVA纤维的添加使基体的韧性大幅度提高，并将抗压破坏模式由脆性破坏转变成延性破坏；当加热温度超过200 ℃时，随着加热温度的提高，PVA纤维对基体韧性的改善作用逐步降低，轴心抗压强度较基体发生大幅度下降。

（4）200 ℃可以作为PVA-ECC正常使用的极限温度，PVA-ECC工作的环境温度超过200 ℃时，该类材料的各项性能会发生较大的改变，在结构设计中需要慎重考虑。

参考文献：

References：

[1] LI V C，LEUNG C K Y.Steady-state and Multiple Cracking of Short Random Fiber Composites[J].Journal of Engineering Mechanics，1992，118（11）：2246-2264.

[2]李贺东.超高韧性水泥基复合材料试验研究[D].大连：大连理工大学，2008.

LI He-dong.Experimental Research on Ultra High Toughness Cementitious Composites[D].Dalian：Dalian University of Technology，2008.

[3]KAMAL A，KUNIEDA M，UEDA N，et al.Evaluation of Crack Opening Performance of a Repair Material with Strain Hardening Behavior[J].Cement and Concrete Composites，2008，30（10）：863-871.

[4]FISCHER G，LI V C.Effect of Matrix Ductility on Deformation Behavior of Steel-reinforced ECC Flexural Members Under Reversed Cyclic Loading Conditions[J].ACI Structural Journal，2002，99（6）：781-790.

[5]LEPECH M，LI V C.Preliminary Findings on Size Effect in ECC Structural Members in Flexure[C]//BRANDT A M，LI V C，MARSHALL I H.Proceedings of the Seventh International Symposium on Brittle Matrix Composites.Warsaw：ZTUREK RSI and Woodheas Publication，2003：57-66.

[6]WANG X G，WITTMANN F H，ZHAO T J.Comparative Study of Test Methods to Determine Fracture Energy of Strain Hardening Cement-based Composites （SHCC）[J].Restoration of Buildings and Monuments，2006，12（2）：169-178.

[7]AHMED S F U，MIHASHI H.A Review on Durability Properties of Strain Hardening Fiber Reinforced Cementitious Composites （SHFRCC）[J].Cement and Concrete Composites，2007，29（5）：365-376.

[8]LI V C，LEPECH M.Crack Resistant Concrete Material for Transportation Construction[C]//TRB.Proceedings of Transportation Research Board 83rd Annual Meeting.Washington DC：TRB，2004：1-10.

[9]KOJIMA S，SAKATA N，KANDA T，et al.Application of Direct Sprayed ECC for Retrofitting Dam Structure Surface：Application for Mitaka-dam[J].JCI Concrete Journal，2004，42（5）：135-139.

[10]INAGUMA H，SEKI M，SUDA K，et al.Experimental Study on Crack-bridging Ability of ECC for Repair Under Train Loading[C]//FICSHER G，LI V C.Proceedings of International RILEM Workshop on HPFRCC in Structural Applications.Hawaii：RILEM Publications SARL，2005：499-508.

[11]ROKOGO K，KANDA T.Presentation “Recent HPFRCC R&D Progress in Japan”[C]//RILEM Publications SARL.Proceedings of International Workshop on HPFRCC in Structural Applications.Bagneux：RILEM Publications SARL，2005：23-26.

[12]FISCHER G，FUKUYAMA H，LI V C.Effect of Matrix Ductility on the Performance of Reinforced ECC Column Members Under Reversed Cyclic Loading Conditions[C]//ROKUGO K，FUKUYAMA H.JCI International Workshop on Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composites （DFRCC）.Takayama：JCI，2002：269-278.

[13]PARRA-MONTESINOS G，WIGHT J K.Seismic Re-sponse of Exterior RC Column-to-steel Beam Connections[J].Journal of Structural Engineering，2000，126（10）：1113-1121.

[14]KESNER K，BILLINGTON S L.Investigation of Infill Panels Made from Engineered Cementitious Composites for Seismic Strengthening and Retrofit[J].Journal of Structural Engineering，2005，131（11）：1712-1720.

[15]GB/T 17671—1999，水泥胶砂强度检验方法（ISO法）[S].

GB/T 17671—1999，Method of Testing Cements-determination of Strength[S].

[16]JGJ/T 70—2009，建筑砂浆基本性能试验方法标准[S].

JGJ/T 70—2009，Standard for Test Method of Basic Properties of Construction Mortar[S].