武芳文1,何岚清1,段钧淇1,王广倩1,刘来君1,杨飞2
(1.长安大学 公路学院,西安 710064;2.长安大学 建筑工程学院,西安 710061)
摘要:
为研究工程水泥基复合材料（engineered cementitious composite,ECC）高温后的力学性能和微观特征,对ECC进行了高温后材料力学性能试验和微观特征观测。对常温（25 ℃）、200 ℃、300 ℃、400 ℃及500 ℃自然冷却和喷水冷却后的ECC试件开展了抗压和抗折性能试验,并结合扫描电镜分析了ECC微观结构损伤特征以及探究了ECC高温后损伤机理。实验结果表明:高温后ECC表面未发生剥落,500 ℃以内未见爆裂现象,随着温度升高,纤维由混凝土表面逐渐向内部熔化,且失水增多,最大烧失率13.9%；力学性能方面,ECC自然冷却后抗压强度随温度升高呈现先降低后升高再降低的现象,而喷水冷却后抗压强度随温度的升高单调降低,且强度降低显著；高温后抗折强度随温度升高逐步下降,自然冷却降低幅度较喷水冷却显著；结合微观结构变化,ECC经历高温时,纤维部分熔化导致纤维与基体的黏结性能减弱；随着温度升高水化产物之间逐渐呈现独立存在的分散体,但喷水冷却后未水化颗粒二次水化现象明显,使ECC抗折强度较自然冷却提升17%。ECC具有良好的热稳定性,且冷却方式影响ECC材料的表观特性、力学性能和微观特征。
关键词: 桥梁工程 力学特性 高温试验 ECC 微观结构 冷却方式
DOI：10.11918/202302033
分类号:U444
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金(52378121);国家重点研发计划(2021YFB2601000)；陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2022JZ-32)；中央高校基本科研业务费专项资金(300102212212)
Mechanical properties and microscopic damage mechanism of PVA-ECC after high-temperature cooling
WU Fangwen1,HE Lanqing1,DUAN Junqi1,WANG Guangqian1,LIU Laijun1,YANG Fei2
(1.School of Highway, Chang′an University, Xi′an 710064, China; 2.School of Civil Engineering, Chang′an University, Xi′an 710061, China)
Abstract:
To investigate the mechanical performance and microscopic characteristics of Engineered Cementitious Composite (ECC) after high temperatures, material mechanical tests and microscopic observations of ECC after high temperatures were conducted. The compressive tests and the bending tests of ECC specimens were carried out after natural cooling and spray cooling methods at room temperature (25 ℃), 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, and 500 ℃ and analyzed the failure characteristics of ECC microstructure by scanning electron microscope, and investigated the damage mechanism of ECC after high temperatures. The results show that the concrete on the surface of ECC does not peel off after high temperatures, and there is no burst phenomenon within 500 ℃. As the temperature increases, the fiber gradually melts from the surface of the concrete to the inside, the water loss increases and the maximum burning loss rate is 13.9%. In terms of mechanical properties, the compressive strength of ECC after natural cooling decreases first then increases, and then decreases with the increase in temperature. After water spray cooling, the compressive strength decreases monotonously with the increase in temperature, and the strength decreases significantly. The flexural strength after high temperature decreases gradually with the increase in temperature, and the decrease of natural cooling is more significant than that of water cooling. Combined with the change of microstructure, when ECC undergoes high temperature, the partial melting of the fiber leads to the weakening of the bonding performance between the fiber and the matrix. With the increase in temperature, the hydration products gradually show independent dispersion. However, the secondary hydration of unhydrated particles after water spray cooling is evident, which makes the flexural strength of ECC increase by 17% compared with natural cooling. ECC has excellent thermal stability, and cooling methods influence the apparent characteristics, mechanical properties, and microscopic characteristics of ECC.
Key words: bridge engineering mechanical properties high-temperature experiment engineered cementitious composite microstructure cooling modes
武芳文, 何岚清, 段钧淇, 王广倩, 刘来君, 杨飞. PVA-ECC高温冷却后力学特性与微观损伤机理[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2024, 56(9): 140-149. DOI: 10.11918/202302033.
WU Fangwen, HE Lanqing, DUAN Junqi, WANG Guangqian, LIU Laijun, YANG Fei. Mechanical properties and microscopic damage mechanism of PVA-ECC after high-temperature cooling[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2024, 56(9): 140-149. DOI: 10.11918/202302033.
基金项目 国家自然科学基金(52378121);国家重点研发计划(2021YFB2601000); 陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2022JZ-32); 中央高校基本科研业务费专项资金(300102212212) 作者简介 武芳文(1980—)，男，副教授，博士生导师 通信作者 杨飞，f.yang@chd.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2023-02-17
Abstract Full text Figures/Tables PDF
PVA-ECC高温冷却后力学特性与微观损伤机理
武芳文1, 何岚清1, 段钧淇1, 王广倩1, 刘来君1, 杨飞2
1. 长安大学 公路学院，西安 710064;
2. 长安大学 建筑工程学院，西安 710061
收稿日期: 2023-02-17; 录用日期: 2023-03-20; 网络首发日期: 2024-05-14
基金项目: 国家自然科学基金(52378121);国家重点研发计划(2021YFB2601000); 陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2022JZ-32); 中央高校基本科研业务费专项资金(300102212212)
作者简介: 武芳文(1980—)，男，副教授，博士生导师
通信作者: 杨飞，f.yang@chd.edu.cn
摘要: 为研究工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite，ECC)高温后的力学性能和微观特征，对ECC进行了高温后材料力学性能试验和微观特征观测。对常温(25 ℃)、200 ℃、300 ℃、400 ℃及500 ℃自然冷却和喷水冷却后的ECC试件开展了抗压和抗折性能试验，并结合扫描电镜分析了ECC微观结构损伤特征以及探究了ECC高温后损伤机理。实验结果表明：高温后ECC表面未发生剥落，500 ℃以内未见爆裂现象，随着温度升高，纤维由混凝土表面逐渐向内部熔化，且失水增多，最大烧失率13.9%；力学性能方面，ECC自然冷却后抗压强度随温度升高呈现先降低后升高再降低的现象，而喷水冷却后抗压强度随温度的升高单调降低，且强度降低显著；高温后抗折强度随温度升高逐步下降，自然冷却降低幅度较喷水冷却显著；结合微观结构变化，ECC经历高温时，纤维部分熔化导致纤维与基体的黏结性能减弱；随着温度升高水化产物之间逐渐呈现独立存在的分散体，但喷水冷却后未水化颗粒二次水化现象明显，使ECC抗折强度较自然冷却提升17%。ECC具有良好的热稳定性，且冷却方式影响ECC材料的表观特性、力学性能和微观特征。
关键词: 桥梁工程 力学特性 高温试验 ECC 微观结构 冷却方式
Mechanical properties and microscopic damage mechanism of PVA-ECC after high-temperature cooling
WU Fangwen1, HE Lanqing1, DUAN Junqi1, WANG Guangqian1, LIU Laijun1, YANG Fei2
1. School of Highway, Chang′an University, Xi′an 710064, China;
2. School of Civil Engineering, Chang′an University, Xi′an 710061, China
Abstract: To investigate the mechanical performance and microscopic characteristics of Engineered Cementitious Composite (ECC) after high temperatures, material mechanical tests and microscopic observations of ECC after high temperatures were conducted. The compressive tests and the bending tests of ECC specimens were carried out after natural cooling and spray cooling methods at room temperature (25 ℃), 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, and 500 ℃ and analyzed the failure characteristics of ECC microstructure by scanning electron microscope, and investigated the damage mechanism of ECC after high temperatures. The results show that the concrete on the surface of ECC does not peel off after high temperatures, and there is no burst phenomenon within 500 ℃. As the temperature increases, the fiber gradually melts from the surface of the concrete to the inside, the water loss increases and the maximum burning loss rate is 13.9%. In terms of mechanical properties, the compressive strength of ECC after natural cooling decreases first then increases, and then decreases with the increase in temperature. After water spray cooling, the compressive strength decreases monotonously with the increase in temperature, and the strength decreases significantly. The flexural strength after high temperature decreases gradually with the increase in temperature, and the decrease of natural cooling is more significant than that of water cooling. Combined with the change of microstructure, when ECC undergoes high temperature, the partial melting of the fiber leads to the weakening of the bonding performance between the fiber and the matrix. With the increase in temperature, the hydration products gradually show independent dispersion. However, the secondary hydration of unhydrated particles after water spray cooling is evident, which makes the flexural strength of ECC increase by 17% compared with natural cooling. ECC has excellent thermal stability, and cooling methods influence the apparent characteristics, mechanical properties, and microscopic characteristics of ECC.
Keywords: bridge engineering mechanical properties high-temperature experiment engineered cementitious composite microstructure cooling modes
工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite，ECC)是一种基于微观力学和断裂力学原理设计的具有超高韧性和多缝开裂特点的高性能复合材料[1]。其拉伸应变能力是普通混凝土的300倍以上[2-3]，常用于桥梁受拉侧外表面，可以减少铺装层厚度，降低结构自重。ECC常用粉煤灰作为矿物掺和料，粉煤灰是发电厂燃烧煤炭产生的副产物，添加粉煤灰既能提高基体流动性，改善ECC的工程性能，还能有效利用工业废料[4]。另外，由于ECC内部结构致密，使ECC具有高耐久性[5-6]，加之其自愈合特性，能有效防止外部侵蚀介质对结构层造成破坏，减少后期维养投入，从而降低碳排放，在长期使用性能方面具有良好的经济价值。因此，ECC作为绿色材料在加强结构局部受拉区和提高结构耐久性方面有良好的应用前景。
桥梁在长期运营过程中会遇到各种极端环境，其中火灾是影响较大，程度较深的灾害之一[7]。随着ECC材料在工程中的应用日益广泛，其在服役过程中存在的火灾风险不可忽略。由于ECC优越的受拉性能，常常被布置在桥梁结构的最外层，受到高温影响最严重。因此，ECC材料的高温力学性能受到学者们的广泛关注。文献[8]发现火灾高温会显著影响混凝土的力学性能，从而导致外层混凝土剥落和整体强度损失，尤其在400 ℃以上混凝土表面会出现较大裂缝，承载能力降低超过30%。对于纤维混凝土，文献[9]发现致密的水泥基材料在高温下内部压力难以释放，易产生爆裂问题，严重威胁结构安全。对于ECC，文献[10]研究发现由于高温后纤维熔化产生孔洞释放了内部水蒸气压力，ECC在600 ℃下也没有发生爆炸剥落，但其拉伸强度和应变能力在高温下劣化严重，温度高于200 ℃时，其拉伸强度降低了约40%。ECC中聚乙烯醇(PVA)纤维的熔点仅为250 ℃左右，高温后纤维熔化对其力学性能和外观也会产生较大影响[11]。
桥梁发生火灾时，梁体上方通常采用喷水冷却降温, 梁体下方通常为自然冷却，导致ECC材料冷却方式存在差异。相关研究表明，冷却方式对高温后水泥基材料会产生不同的影响。文献[12]研究了冷却方式对普通混凝土抗压强度的影响，发现喷水冷却后混凝土抗压强度降低幅度大于自然冷却。文献[13]研究了冷却方式(自然冷却、喷水冷却、浸水冷却)对高温后纤维混凝土的影响，结果表明不同冷却方式后纤维混凝土破坏形态和损伤机理差异显著。目前对ECC高温后的力学性能研究大部分都停留在自然冷却后的试验工况，少部分对浸水冷却后的ECC进行了试验研究[14-17]，然而实际工程中发生火灾时很难做到整体结构完全浸没在水中降温，而是采用消防水管进行喷水降温，所以，现有研究成果与实际情况存在差异，且喷水冷却对ECC的损伤机理尚不清楚。因此，研究高温后不同冷却方式对ECC材料力学性能的影响极为重要，同时为ECC应用于工程结构提供理论支撑。
本文采用高温炉试验方法，分析ECC高温冷却后的力学性能和损伤规律，并采用扫描电镜分析ECC的微观结构变化特征，探索高温损伤机理；探讨喷水冷却和自然冷却对ECC材料力学性能的影响规律，从宏观和微观两个尺度揭示ECC高温冷却后破坏特征与损伤机理。研究成果可以为结构的抗火设计、火灾后的损伤判定及加固提供理论依据。
1 试验 1.1 原材料ECC原材料包括P.O 42.5硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、石英砂、硅灰、减水剂、PVA纤维和水。石英砂的粒径为0.1~0.2 mm；减水剂采用聚羧酸系减水剂；PVA纤维采用螺旋形聚乙烯醇纤维，密度为1.30 g/cm3，直径为0.02 mm，长度为12 mm，抗拉强度为1 650 MPa，弹性模量为35.15 GPa，极限拉长率为7%，熔点为280 ℃。PVA纤维按体积比2%掺入，试验材料配合比中水泥为680 kg/m3, 粉煤灰为612 kg/m3, 石英砂为513 kg/m3, 水为362 kg/m3, 硅灰为50 kg/m3，减水剂为9.6 kg/m3。
1.2 制备依据本次试验根据规范《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》JCT 2461—2018[18]及《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081— 2019[19]进行设计。抗压强度和抗折强度试块尺寸分别是100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm。试块制作时，首先将石英砂和胶凝材料在搅拌机中搅拌2 min，搅拌均匀后缓慢加入水和减水剂的混合液再次搅拌，待浆体均匀时，缓慢撒入纤维并充分搅拌使纤维分布均匀。搅拌完成后，一次性将拌合物装入模具，并在振动台振动2 min后用抹刀刮除多余拌合物。待试块成型且在室温环境下养护1 d后拆除模具，并在标准养护室养护28 d。
1.3 试验方法采用功率为37 kW的高温箱式电阻炉进行高温试验，通过高温炉的温度控制系统对炉壁内的电阻丝进行加热升温。李俊华等[20]的试验结果表明：试件的承载力随着恒温时间的增加而不断降低，其中持续时间从60 min增加到90 min时试件承载力降低幅度最大。此外，相关学者研究[11, 15]表明400 ℃后，ECC中的PVA纤维已完全融化，并且ECC力学性能的退化主要与纤维造成的孔隙率增大以及纤维与基体界面性能退化有关。因此，依据已有学者研究成果，结合实验室设备参数要求，分别选择200、300、400、500 ℃作为升温温度，恒温时间采用60 min，其中升温曲线、高温炉和温度控制系统如图 1所示。实验中采用K型热电偶测量试块温度，热电偶可测温度为-40~1 000 ℃，测量最大误差为3.75 ℃，如图 2所示。
Fig. 1
图 1 高温试验 Fig. 1 High-temperature test Fig. 2
图 2 温度传感器 Fig. 2 Temperature sensor 恒温结束后，将试块从高温炉中取出，进行降温处理：自然冷却和喷水冷却。喷水冷却时控制喷头出水量保持在0.4 L/s，当温度降低到50 ℃后停止喷水，然后静置24 h，待试块表面水分蒸发再进行力学性能试验。混凝土试块数量及冷却方式如表 1所示，材料力学性能试验过程如图 3所示。
表 1
表 1 试件设计参数 Tab. 1 Specimen design parameters 试件编号 立方体尺寸 棱柱体尺寸 冷却方式 温度/℃ 试件数量 ECC-25-X 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm — 25 3
ECC-200-N 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 自然 200 3
ECC-200-W 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 喷水 200 3
ECC-300-N 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 自然 300 3
ECC-300-W 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 喷水 300 3
ECC-400-N 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 自然 400 3
ECC-400-W 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 喷水 400 3
ECC-500-N 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 自然 500 3
ECC-500-W 100 mm×100 mm×100 mm 100 mm×100 mm×400 mm 喷水 500 3
注：试件编号中X、N和W符号分别代表试件常温不需要冷却、自然冷却和喷水冷却。
表 1 试件设计参数 Tab. 1 Specimen design parameters
Fig. 3
图 3 力学特性试验 Fig. 3 Experiments of mechanical properties 采用超高分辨率场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope，FESEM或SEM)对高温冷却后ECC样品进行微观扫描。对混凝土试块取大小5 mm扁平状样品(样品上需带PVA纤维)，浸没在无水乙醇中，防止进一步产生水化产物。SEM扫描前，需要对样品持续烘干28 h，再将样品固定于扫描托盘上进行镀金处理，然后放入电子显微镜进行扫描，制样过程如图 4所示。
Fig. 4
图 4 SEM试样制备 Fig. 4 SEM sample preparation 2 结果与分析 2.1 宏观结构特征常温下ECC表面呈暗灰色，PVA纤维与水泥基体黏结性能较好，纤维与水泥基体颜色较为接近，混凝土内部的纤维和水泥基与表观现象一致。
由于试块各部分的温度存在差异，外表面和内部状态会有明显不同，此外，为了避免人工切割造成内部形貌破坏，因此，选用高温后抗折试块的破坏面来观察内部形貌变化。宏观结构采用佳能相机拍摄，型号为EOS 6D Mark Ⅱ。200 ℃自然冷却和喷水冷却后ECC的表观和内部状态如图 5所示。ECC高温后表面颜色变浅，并附着白色粉末，内部颜色和常温一致。ECC试块边缘处纤维部分泛黄，但内部纤维无明显变化。喷水冷却后ECC表面纤维颜色及内部状态均无明显变化。
Fig. 5
图 5 200 ℃ ECC Fig. 5 ECC at 200 ℃ 300 ℃自然冷却和喷水冷却后ECC的表观和内部状态如图 6所示。自然冷却后ECC内部呈现两种颜色：外侧混凝土失水严重，呈白灰色，纤维已基本熔化；中心混凝土失水较少，呈暗灰色，纤维变短变细。喷水冷却后ECC外侧得到水分补充，因此试块内外颜色均匀，呈暗灰色，纤维变短变细呈黄色。试块表面边缘处纤维明显变细，纤维从淡黄色变为浅褐色，其他表层纤维已基本熔化。300 ℃时，两种冷却方法后混凝土表观无明显差异，但由于含水量不同，ECC试块内部区别较大。
Fig. 6
图 6 300 ℃ ECC Fig. 6 ECC at 300 ℃ 400 ℃时ECC失水严重，混凝土表面纤维已完全熔化，纤维在水泥基体上留下明显痕迹。喷水冷却后表面纤维在水泥基体上留下痕迹较自然冷却更为显著，且形成突起。喷水冷却后，由于温度骤降，ECC试块内部PVA纤维熔化生成的黄色丁烯醛小分子均附着在基体上，形成黄色斑块。400 ℃自然冷却和喷水冷却后ECC的表观和内部状态如图 7所示。
Fig. 7
图 7 400 ℃ ECC Fig. 7 ECC at 400 ℃ 500 ℃后ECC试块表面纤维熔化形成密集的黑色条状突起，如图 8所示。喷水冷却后ECC颜色较自然冷却颜色更深。自然冷却后ECC试块内部失水严重，整体颜色变浅，纤维全部熔化碳化，混凝土孔洞中留下碳黑色残留物。喷水冷却较自然冷却纤维碳化更为严重。
Fig. 8
图 8 500 ℃ ECC Fig. 8 ECC at 500 ℃ 对高温前后的ECC试块进行称重，可以得到如图 9所示的高温后ECC烧失率与温度之间的关系。低于200 ℃时ECC烧失率较小，仅为0.8%，高温后混凝土失去部分自由水。300 ℃时，混凝土外层10 mm内的结合水损失严重，内部水损失较少，导致混凝土内外颜色相差较大，同时外侧纤维熔化。400 ℃时，结合水损失与纤维熔化更为严重，但混凝土内部仍有部分结合水。500 ℃时，部分氢氧化钙开始分解为氧化钙和水，此时最大烧失率为13.9%。可见，随着温度升高，ECC的烧失率呈逐渐增大趋势。
Fig. 9
图 9 高温后ECC烧失率 Fig. 9 The loss rate of ECC after high temperatures 2.2 抗压力学性能通过采用液压万能试验机对试块进行抗压试验，得到ECC试块的抗压强度及应力应变曲线，材料抗压强度随温度变化规律如图 10所示。
Fig. 10
图 10 ECC抗压力学性能变化规律 Fig. 10 Law of compression mechanical properties of ECC ECC在200 ℃自然冷却后，抗压强度降低为常温强度的65%；但300、400 ℃的抗压强度较200 ℃时有所提升；500 ℃时抗压强度再次下降，降低到了常温强度的76%。ECC抗压强度在200~400 ℃之间上升，主要原因是高温使ECC中的剩余的水化物进一步水化。同时，高温脱水及纤维部分熔化使混凝土材料之间更加紧密；尽管自然冷却后骨料膨胀程度部分恢复，但仍比常温试块更加密实，更为紧密的水化凝胶层之间产生了更强的范德华力[21-23]。更高温度下，基体和骨料膨胀程度加大，相互挤压形成了更多裂缝，同时PVA纤维熔化形成孔洞，水化物高温脱水分解，导致ECC抗压强度急剧下降。
喷水冷却的ECC，200 ℃后抗压强度降低了23.7%，削弱程度小于自然冷却。随着温度的升高，强度降低幅度趋于平缓，500 ℃后，ECC抗压强度与常温相比最高降低了46.5%。喷水冷却后，由于温度的骤降，ECC内部快速收缩，导致表面出现较多裂纹，因此，喷水冷却后的ECC抗压强度普遍低于自然冷却后的抗压强度。此时，裂缝中虽可见部分新生成的水化物，但二次水化物的强度低于混凝土损失的强度，从而整体表现为混凝土强度削弱。
应力(σc)-应变(εc)曲线如图 10(b)、10(c)所示。由图可知，ECC常温下与高温后的应力-应变曲线均可分为上升段和下降段。应力-应变曲线的斜率代表试块的刚度，纤维熔融使基体产生孔隙以及高温使试块产生更多裂纹均会造成高温下ECC的刚度降低。自然冷却的ECC试块在25 ℃~300 ℃之间刚度随温度升高而降低，而在300 ℃~500 ℃之间抗压刚度变化不明显。喷水冷却的ECC试块在200 ℃~500 ℃之间刚度持续下降，说明300 ℃以上，喷水冷却仍然会削弱ECC刚度。另外，300 ℃之后自然冷却的ECC抗压刚度明显高于喷水冷却的刚度，这主要是因为相同温度下，喷水冷却的试块经历了温度的骤降而产生较多的裂纹，进而导致刚度的下降幅度明显高于自然冷却的试块。
学者们[23-28]进行了大量的试验，研究了不同冷却方式下普通混凝土抗压强度的劣化规律，得到了高温后普通混凝土抗压强度折减系数曲线。图 11为各文献与本次试验的抗压强度折减系数对比。
Fig. 11
1—李卫[23]；2—杨彦克[24]；3—徐志胜[25]自然冷却；4—徐志胜[25]喷水冷却；5—潘家鼎[26]；6—陆洲导[27]；7—朱玛[28]自然冷却；8—朱玛[28]喷水冷却；9—本试验自然冷却；10—本试验喷水冷却 图 11 高温后抗压强度折减系数曲线 Fig. 11 Reduction coefficient curves of compressive strength after high temperature 由图 11可知，300 ℃及以下本试验喷水冷却折减系数曲线位于其他普通混凝土曲线下方，自然冷却折减系数曲线则与其他曲线有显著差异。可见，文献中普通混凝土高温后抗压强度折减系数曲线并不适用于ECC高温后抗压强度的折减规律。
高温后ECC的应力-应变关系与所经历的温度、骨料类型、配合比、养护条件及冷却方式有关，而与升温方式关系不大。为保证ECC高温后抗压强度具有代表性及可靠性，本文以ECC经历的温度为变量，考虑了冷却方式等因素，分别提出了自然冷却和喷水冷却的ECC抗压强度折减公式(1)、(2)。对于自然冷却，本文统计相关学者试验结果，结合本次试验数据，拟合得到了ECC自然冷却后抗压强度折减系数与温度的关系公式。而喷水冷却暂无其他相关数据，因此，采用本次试验均值进行拟合，拟合曲线见图 12。由于自然冷却的数据较为离散，拟合度R2只达到了0.53，喷水冷却的抗压强度拟合公式的拟合度R2为0.98，所提出的拟合公式可以为计算高温后的PVA-ECC抗压强度提供依据。
Fig. 12
图 12 高温后抗压强度折减系数拟合曲线 Fig. 12 Fitting curves of compressive strength reduction coefficient after high temperature 自然冷却时，有
$\begin{gathered}\frac{f_{{\mathrm{c}}}^T}{f_{{\mathrm{c}}}}=-1.16 \times 10^{-8} T^3+1.02 \times 10^{-5} T^2-2.83 \times \\10^{-3} T+1.07,20^{\circ} {\mathrm{C}} \leqslant T \leqslant 500^{\circ} {\mathrm{C}}\end{gathered}$ (1)
喷水冷却时，有
$\begin{aligned}& \frac{f_{{\mathrm{c}}}^T}{f_{{\mathrm{c}}}}=1.67 \times 10^{-6} T^2-1.86 \times 10^{-3} T+ \\& \text { 1. } 05,20^{\circ} {\mathrm{C}} \leqslant T \leqslant 500{ }^{\circ} {\mathrm{C}}\end{aligned}$ (2)
式中：T为温度，fcT为温度T时ECC的抗压强度，fc为常温时ECC的抗压强度。
2.3 抗折力学性能经过不同冷却方式后ECC抗折性能变化规律如图 13所示。200 ℃前抗折强度降低幅度较小，自然冷却和喷水冷却的抗折强度分别为常温强度时的90%与92%。200 ℃后抗折强度随温度升高降低幅度增大，300 ℃和400 ℃后自然冷却的抗折强度分别为常温强度时的53%、22%，300 ℃和400 ℃后喷水冷却的抗折强度分别为常温强度的61%、39%。该现象与ECC高温后纤维的状态及其与基体的黏结性能有关。经历200 ℃高温后ECC内部纤维仍旧完整，纤维与基体的黏结性能削弱较少，此时抗折强度降低幅度较小；300 ℃后部分纤维熔化，400 ℃后纤维几乎完全熔化，导致抗折强度大幅度降低。
Fig. 13
图 13 抗折力学性能变化规律 Fig. 13 Variation law of flexural mechanical properties 相同温度下喷水冷却后的抗折强度比自然冷却后略微偏大。该现象与混凝土冷却后二次水化有关，ECC喷水冷却较自然冷却吸收更多的水分，二次水化反应充分，产生的二次水化物C-S-H凝胶较多，各组分之间黏结性能有所增强。由图 13(b)、13(c)中可知，200 ℃冷却后ECC的荷载(F)-挠度(ω)曲线初始斜率最大，其他温度斜率相近，该现象与ECC内部纤维状态密切相关。
2.4 微观结构特征ECC高温冷却后PVA纤维SEM观测结果如图 14所示。常温下，纤维与基体黏结性能良好，纤维表面附着絮状的C-S-H(水化硅酸钙)凝胶。200 ℃后，纤维与基体界面处出现明显缝隙，两者间的黏结性能减弱，且纤维表面更加光滑，附着的絮状物质减少。300 ℃后，熔化的纤维在基体中留下条状孔洞，未熔化的纤维短小纤细，与基体的黏结性能较差。400 ℃时，纤维完全熔化。由于纤维熔融产生孔洞，释放了ECC内部压力，在高温及冷却试验过程中，ECC未发生爆裂剥落现象。另外冷却方式对纤维状态的影响甚微，故未放置对照组。
Fig. 14
图 14 PVA纤维SEM扫描 Fig. 14 SEM scan of PVA fiber ECC高温冷却后水化物微观结构如图 15所示。常温时，基体结构密实，清晰可见大片的絮状C-S-H凝胶、针状的钙矾石和呈现圆球状的未水化物质，如图 15(a)所示。随着温度升高，水分蒸发，水化产物之间的黏结性能逐渐减弱，呈现为独立存在的分散体，导致结构整体松散，从而形成大量的细小裂缝，因此，高温后ECC抗压强度降低。高温冷却后ECC内未水化物质进一步水化，未水化物明显减少，一定程度上提高了ECC强度，这是ECC在200~400 ℃之间出现抗压强度增强的原因之一。钙矾石是水泥水化产物之一，一般呈针状，高温下不稳定，在70 ℃时会分解，95 ℃时已不存在[31]。因此，自然冷却后的SEM中未见针状的钙矾石，而喷水冷却后的SEM图中能看到较多的钙矾石，表明喷水后ECC内又重新生成了部分钙矾石。而钙矾石会对混凝土产生破坏性膨胀，因此，相比自然冷却，喷水冷却后的ECC裂缝增多，宽度变大。400 ℃时，可见内部物质更加松散，出现较多细小孔洞，此时，ECC抗压强度已大量丧失。喷水冷却的ECC中仍可见少量零散分布的针簇状水化产物，可见经过400 ℃高温后，水泥中的未水化物质大部分已高温分解。
Fig. 15
图 15 水化物SEM扫描 Fig. 15 SEM scan of hydration products 3 结论ECC经过高温后力学性能损失严重，且冷却方式对其力学性能影响显著。本文通过高温后ECC力学性能试验及扫描电镜观察，研究了其宏观和微观特征，分析ECC高温冷却后的破坏形态与损伤机理，主要研究结论如下：
1) 高温使PVA纤维熔化产生大量孔洞释放了ECC内部压力，500 ℃以下ECC混凝土未出现爆裂剥落，因此ECC具有良好的热稳定性。高温后ECC质量损失从自由水转向结合水，经500 ℃后最大烧失率13.9%。
2) 冷却方式对ECC高温后抗压强度的影响显著，而ECC抗折强度经两种冷却方式后随温度升高均逐步下降。由于高温使混凝土内部骨料膨胀，同时部分水损失及纤维熔化使混凝土更为密实，因此自然冷却时，ECC在200~400 ℃之间抗压强度增强。而喷水冷却后，抗压强度随温度升高单调降低。由于喷水冷却的ECC较自然冷却吸入的水分占比高，产生的二次水化产物多，从而提高了ECC的抗折强度，因此400 ℃时喷水冷却比自然冷却抗折强度提升17%。
3) 普通混凝土高温后抗压强度折减系数曲线不适用于ECC高温后抗压强度的折减规律。本文拟合了高温后ECC抗压强度的折减公式，适用于不同冷却方式后ECC抗压强度计算。
4) 高温后ECC内纤维与基体的黏结性能变差，温度上升到300 ℃时纤维逐步熔化。PVA纤维熔化导致ECC的力学性能降低，因此，可利用更高熔点的纤维或对纤维涂抹阻燃剂等方法提高ECC高温力学性能。随着温度的升高水化物之间逐渐呈现独立存在的分散体，导致混凝土内部结构整体松散，产生细小的裂缝，从而降低ECC力学性能。
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