高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是经过细观力学设计而实现的一种可弯曲混凝土[1]，该材料在受拉开裂后通过形成多条微裂纹获得了应变超过0.03的高延展性．ECC自引入中国以来取得了极大的发展[2]，得益于不断改进的物理力学性能，目前ECC已被成功应用于建筑外墙保温板、钢箱梁桥面铺装和高速公路面板伸缩缝等众多工程领域[2-4]．随着ECC的工程应用日趋广泛，其在服役过程中暴露高温[5]的风险已经不容忽视，ECC材料的高温力学性能也因此开始引起国内外学者的关注．以往对于ECC高温力学性能的研究主要集中在单掺聚乙烯醇(PVA)纤维体系．文献[6]发现掺入PVA纤维是抵抗高温爆裂的有效途径，增加粉煤灰有利于改进残余力学性能；文献[7]指出大掺量粉煤灰ECC材料可以抵抗200 ℃及以下的温度，适当的温度处理甚至可以提高拉伸性能；文献[8]研究了高温对ECC拉伸力学性能的影响，结果显示200 ℃时PVA纤维未熔化，ECC仍具备一定的拉伸延性，但温度进一步升高后，PVA纤维熔化导致拉伸性能突降，延性完全消失．已有的研究结果表明：尽管PVA纤维熔化形成的孔道能够帮助ECC抵抗高温爆裂，但是单掺纤维体系始终无法克服高温后的延性失效问题[9]．如果在ECC中混杂不同品种的纤维，那么将有望弥补单掺纤维ECC在高温性能方面的劣势[10-12]．文献[13]开展了混杂钢-PVA纤维延性材料的耐火性研究，结果表明：两种纤维不仅有效防止了试块的高温爆裂，而且赋予了ECC一定的高温后韧性．然而，目前对于混杂纤维延性复合材料的高温性能研究仍比较有限，混杂增效的作用机制尚不明确．为此，本研究选取玄武岩纤维与PVA纤维进行混杂，以期利用玄武岩纤维高强度、高熔点的特性来提升ECC高温力学性能．试验过程中控制纤维总掺量不变，制备单掺PVA纤维和混杂玄武岩-PVA纤维两种ECC材料作为比较．暴露从常温至400 ℃的高温后进行抗压和抗弯力学性能试验，结合扫描电子显微镜(SEM)观察材料微观结构的高温演变，从宏观和微观尺度揭示混杂玄武岩-PVA纤维ECC力学性能变化规律．1 试验方案1.1　原材料与配合比试验用水泥为金隅冀东P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；膨胀剂为新中岩科技公司生产的ZY型膨胀剂；水为自来水；砂为秦皇岛石英砂厂生产的精制石英砂，粒径75~150 μm；纤维分别为日本Kuraray公司生产的聚乙烯醇(PVA)纤维和郑州登电玄武石纤有限公司生产的玄武岩(Basalt)纤维，其性能参数见表1；减水剂为苏博特新材料公司生产的高效聚羧酸减水剂．10.13245/j.hust.210513.T001表1PVA纤维和玄武岩纤维的相关性能参数纤维密度/(g•cm-3)抗拉强度/MPa弹性模量/GPa直径/mm长度/mm熔点/ ℃PVA1.301 62042.80.03912243玄武岩2.752 13078.00.017121 500基材配合比：水泥，粉煤灰，膨胀剂，水，砂，减水剂分别为660.4，188.7，94.4，386.9，660.5，1.9 kg/m3．在基材中掺入纤维即形成纤维增强水泥基材料．本研究的ECC材料体系包括单掺纤维和混杂纤维两种，单掺纤维体系中掺加体积量为2.0%的PVA纤维，记为PVA-ECC；混杂纤维体系中掺加体积量为1.5%的PVA纤维和体积量为0.5%的玄武岩纤维，记为HyECC．1.2　试样制备与试验方法制备试样时，首先将粉体胶凝材料和石英砂投入搅拌机搅拌1~2 min，混合均匀后缓慢加入水和减水剂，再持续搅拌约2 min，获得均匀的浆体；然后缓慢撒入纤维，充分搅拌以确保纤维分散均匀．搅拌完成后浇筑入模，在振动台上振捣1 min后抹面，并覆盖聚乙烯薄膜防止水分散失．在室温环境下养护24 h后拆模，再将试件移至标准养护室养护至28 d．在进行力学试验前先将试件取出，静置2 h自然干燥．常温对照试件在干燥后直接进行各项力学性能测试，其余试件置于马弗炉中以10 ℃/min的速率分别加热至50，100，200，400 ℃，待炉温达到目标温度后恒温1 h．恒温结束后自然冷却至室温，然后取出试件进行力学性能和微观结构测试．抗压试件为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体，每组成型3个试件．抗压试验在微机控制电液伺服试验机上进行，采用位移控制模式加载，速率0.5 mm/min．加载过程中计算机自动采集加载时间、荷载和位移等数据．抗弯试件采用160 mm×40 mm×40 mm的长方体，每组成型3个试件．抗弯试验在MTS微机控制电子试验机上进行，采用三点弯曲方式加载，跨距100 mm，加载速率1.5 mm/min．加载过程中计算机自动采集加载时间、荷载和跨中挠度等数据．ECC在经历不同温度处理后的微观形貌通过SEM进行观察．本研究的扫描样品取自20(常温)，200，400 ℃加温后的PVA-ECC和HyECC试件．试验前，首先采用导电胶将样品固定于底盘，然后进行真空干燥及喷金处理，制备好的样品推入SU8020场发射扫描电子显微镜中进行观测．2 结果与分析2.1　抗压力学性能经历不同温度处理后的单掺和混杂纤维ECC典型压应力(σc)-应变(εc)曲线如图1所示，可以看出：不同温度下的PVA-ECC和HyECC压应力-应变曲线均在加载初期表现为线弹性特征；而应力达到比例极限后开始偏离线性，直至应力峰值．随着温度升高，PVA-ECC和HyECC曲线下降段的应力陡降现象逐渐明显．当温度达到400 ℃时，单掺纤维ECC甚至表现出一定的脆性，这可能与PVA纤维的熔化机制有关．比较而言，混杂纤维体系在高温处理后的曲线下降段比单掺体系更为平缓，这说明混杂玄武岩-PVA纤维在提高ECC高温后抗压韧性方面具有优势．10.13245/j.hust.210513.F001图1PVA-ECC和HyECC的高温后压应力-应变曲线基于立方体抗压试验曲线确定了单掺和混杂纤维ECC在不同温度后的抗压强度(fc)、极限压应变(εuc)和抗压韧性系数(Ic)．Ic为压应力-应变曲线在ε0.7处的下覆面积与峰前下覆面积之比，其中ε0.7为峰后应力降至峰值70%对应的应变．各项参数随温度的变化规律如图2所示，图中t为温度．10.13245/j.hust.210513.F002图2抗压力学参数随温度的变化规律容易发现：PVA-ECC和HyECC的抗压强度随温度的变化趋势相似，尽管抗压强度的变化曲线存在下降段，但是50~400 ℃时的抗压强度较常温时均有提升．PVA-ECC在50，100，200，400 ℃时的抗压强度较常温时分别提升28.7%，16.7%，1.8%和19.9%，而HyECC较常温时分别提升19.2%，11.0%，0.9%和15.5%．抗压强度的提高可能与水泥颗粒的加速水化以及纤维熔化导致的蒸气压释放有关[14]．注意到混杂纤维体系的抗压强度始终低于单掺纤维体系．随着温度升高，混杂纤维ECC的抗压强度增幅也小于单掺纤维ECC．可以看出：混杂玄武岩-PVA纤维对ECC高温后抗压强度的提升效果不显著，但其抗压强度对温度的敏感程度低于单掺纤维体系．根据图2(b)，PVA-ECC和HyECC的极限压应变在100~400 ℃范围的变化趋势与抗压强度较为相似．混杂纤维ECC的极限压应变与单掺纤维ECC相比并没有明显提高，玄武岩纤维部分取代PVA纤维并不能改善ECC的高温后受压变形能力．由图2(c)可以发现：混杂纤维ECC的抗压韧性系数在100 ℃前并未发生显著变化，至100 ℃后才开始明显降低，而单掺PVA纤维的抗压韧性系数自温度升高即开始显著降低．在常温情况下，混杂纤维ECC的抗压韧性系数低于单掺PVA纤维ECC，但随着温度升高，混杂纤维体系的韧性系数反而可以超过单掺纤维体系．该结果表明高温后混杂纤维体系的抗压韧性要优于单掺纤维体系．2.2　抗弯力学性能高温后PVA-ECC和HyECC试件的三点弯曲荷载(F)-挠度(ω)曲线如图3所示．在200 ℃以下，两个配比ECC的荷载-挠度曲线均可分为如下3个阶段进行考虑．a. 线弹性阶段：荷载随跨中挠度增大而线性增加，线性段末端对应初裂点．b. 变形硬化阶段：弯曲荷载随挠度增大持续增加，峰值荷载对应的挠度定义为极限挠度．c. 变形软化阶段：荷载随着挠度增加逐渐降低，直至试件破断．但温度达到400 ℃以后，抗弯曲线表现出明显的脆断特征，试件在出现裂缝以后立即破坏．10.13245/j.hust.210513.F003图3PVA-ECC和HyECC的高温后弯曲荷载-挠度曲线PVA纤维的熔化是单掺纤维体系抗弯曲线发生上述变化的主要原因，但400 ℃仍远未达到玄武岩纤维的熔点，混杂纤维体系抗弯曲线的变化原因可能在于玄武岩纤维-基材界面的粘结强度较高，导致玄武岩纤维倾向于直接断裂而非从基材中拔出[15]．由荷载-挠度曲线确定峰值荷载(Fp)、极限挠度(ωuf)和弯曲韧性系数(I5)，其中I5为ASTM C1018推荐的表征混凝土抗弯韧性的指标[16]．单掺和混杂纤维ECC的抗弯力学参数随温度的变化规律曲线如图4所示．10.13245/j.hust.210513.F004图4抗弯力学参数随温度的变化规律由图4(a)可见：PVA-ECC的峰值荷载在200 ℃前随温度升高持续降低，PVA纤维本体因受热发生抗拉强度下降或者纤维与砂浆基体之间的化学粘结力下降，是引起这一变化的主要原因．200~400 ℃时，PVA-ECC的峰值荷载有所升高，但变化幅度不大．HyECC峰值荷载随温度的变化趋势与PVA-ECC相似，但在20~200 ℃间的下降速率明显低于PVA-ECC．虽然混杂纤维ECC在常温下的峰值荷载低于单掺纤维ECC，但在200 ℃后混杂纤维体系的峰值荷载已经超过单掺纤维体系．由图4(b)可见：PVA-ECC的极限挠度随温度的升高逐渐降低，20~50 ℃和100~200 ℃时尤其显著，但在200 ℃以后不再变化．PVA纤维与基材之间粘结力下降，从而导致纤维拔出时滑移阻力降低可能是PVA-ECC在50 ℃时极限挠度降低的主要原因．HyECC的极限挠度在50 ℃时略微增加，在50~200 ℃缓慢下降，在200~400 ℃几乎不变．注意到：常温下混杂纤维ECC的极限挠度远低于单掺PVA纤维ECC，但仍具备一定延性，二者差距随着温度升高逐渐缩小，混杂玄武岩-PVA纤维的优势逐渐凸显．根据图4(c)，PVA-ECC和HyECC试件在常温时均表现出良好的弯曲韧性．随着温度升高，PVA-ECC弯曲韧性持续下降，200~400 ℃时的下降幅度最大，这主要是纤维-基材界面的劣化以及PVA纤维熔化所致．HyECC的弯曲韧性能够在50~100 ℃之间保持稳定，随着温度升高才逐渐下降，这与抗压韧性的发展规律一致．可见玄武岩纤维的掺入提高了ECC材料韧性的稳定程度，但无论是单掺纤维还是混杂纤维ECC，至400 ℃时韧性均已完全消失．2.3　微观结构特征单掺PVA纤维和混杂纤维ECC在20，200，400 ℃后的SEM照片分别如图5和图6所示．在未经高温处理的PVA-ECC试件中，PVA纤维分散均匀，纤维端口整齐或仅有轻微磨损．200 ℃时PVA纤维虽未熔化，但纤维-基材界面明显脱粘，这成为PVA-ECC延性和韧性在200 ℃大幅下降的主要原因．400 ℃时PVA纤维已完全熔化，在基材中留下孔道，最终导致试件受力时的脆性破坏．10.13245/j.hust.210513.F005图5PVA-ECC高温后微观结构10.13245/j.hust.210513.F006图6HyECC高温后微观结构由图6展示的混杂纤维体系测试结果发现PVA纤维表面附着的基材颗粒明显多于玄武岩纤维．可以推断：当玄武岩纤维拔出时的滑移阻力要小于PVA纤维，这可能是HyECC力学性能不及PVA-ECC的原因之一，也可为将来玄武岩纤维的表面改性提供参考．升温至200~400 ℃，PVA纤维熔化，但玄武岩纤维表观始终未发生明显劣化，端头整齐，这将在基材开裂后提供一定的桥接作用，延缓HyECC在高温后的抗压/抗弯韧性下降．由本研究的试验结果可知：进一步提高温度以后，复合材料的韧性下降难以避免，即使玄武岩纤维不熔化，纤维-基材界面性能的退化和基材的疏松仍会导致材料力学性能下降．3 结论a. 混杂纤维ECC的高温后抗压强度较常温时有所提升，但其增幅小于单掺纤维体系．单掺纤维体系的抗压韧性系数自温度升高即开始降低，且当400 ℃时出现与普通混凝土类似的脆性破坏；而混杂纤维体系的抗压韧性系数在100 ℃后才开始下降，其高温后抗压韧性明显优于单掺纤维体系．b. 在200 ℃及以下温度，混杂纤维ECC的高温后荷载-挠度曲线具有线弹性-变形硬化-变形软化的三阶段特征，而400 ℃时表现出脆性．单掺纤维体系的峰值荷载、极限挠度和弯曲韧性自温度升高即显著下降，而混杂纤维体系的极限挠度在50 ℃后才开始降低，且峰值荷载与极限挠度的下降速率低于单掺纤维体系，抗弯韧性在50~100 ℃时保持稳定，凸显混杂纤维的优势．c. 200 ℃时，PVA纤维尚未熔化，但纤维-基材界面明显脱粘；400 ℃时，熔化的PVA纤维在基材中留下孔道．玄武岩纤维随着温度升高始终未发生明显劣化，PVA纤维熔化和纤维-基材界面退化是导致混杂纤维ECC高温力学性能变化的主要原因．