陳國燦

(1.中南大學防災科學與安全技術(shù)研究所,長沙 410075;2.莆田學院土木建筑工程學系,福建 莆田 351100)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展,我國火災次數(shù)明顯增加, 火災損失越來越大.據(jù)統(tǒng)計,從2000年1月至2009年2月,全國共發(fā)生火災172.68萬起.其中死亡19 843人,傷23 601人,直接經(jīng)濟損失達到90.163億元[1].嚴峻的火災形勢已引起政府及社會各界的廣泛關(guān)注.以人為本的防災策略的實施,促使人們經(jīng)常思索:如何預防建筑火災的發(fā)生、減少建筑火災的損失,防止建筑物火災條件下出現(xiàn)局部倒塌甚至整體倒塌,從而避免諸如衡陽“11·3”火災倒塌事故這一類的悲劇重演的問題.

混凝土抗火性能理論就是在這樣的背景下受到廣泛關(guān)注并得到了迅猛的發(fā)展[2-3],迄今國內(nèi)外的學者專家在普通混凝土和高強混凝土及構(gòu)件的抗火性能等方面做了許多理論分析與試驗研究工作,取得了富有成效的研究成果[4-8],但超高強混凝土在火災條件下的抗火性能研究則十分匱乏.

超高強混凝土具有比強度大、耐久性好、消耗的資源少等優(yōu)點,受到了前所未有的關(guān)注[8-11],已被列入“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“現(xiàn)代建筑設計與施工關(guān)鍵技術(shù)研究”課題申請指南予以重點資助.然而,由于超高強混凝土的低滲透性,在高溫下爆裂的風險更大,因此超高強混凝土高溫下、高溫后的抗火性能研究理應格外受到重視,但迄今還少有人問津[11].

低碳超高強石渣混凝土是作者以低至350 kg·m-3的水泥消耗量自主研發(fā)的強度超過130 MPa的新型環(huán)境友好型混凝土,可有效地解決水泥用量大引發(fā)的混凝土自收縮偏大等技術(shù)難題.本文以溫度、纖維類型為試驗參數(shù),研究低碳超高強石渣混凝土的抗火性能,揭示其高溫后的力學性能隨溫度變化的規(guī)律,為進一步研究超高強石渣混凝土構(gòu)件的抗火性能奠定基礎.

1 試驗原材料

a. 膠凝材料.采用福建紫金集團有限公司的“紫金”牌42.5 R普通硅酸鹽水泥,28 d的抗壓強度為43.6 MPa.

b. 摻合料.粉煤灰采用福建省漳州益材粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰;偏高嶺土采用天津民營企業(yè)的產(chǎn)品;硅粉采用西寧聯(lián)福工貿(mào)有限公司出品的微硅粉.

c.纖維.聚丙烯纖維選用北京中紡纖建科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的專門用于砂漿、混凝土的“凱泰(CTA)”改性聚丙烯纖維;鋼纖維采用江西省贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的浪形圓絲鋼纖維.

d. 高效減水劑.采用福建建筑科學研究院外加劑廠生產(chǎn)的TW-PS聚羧酸高效減水劑,減水率約為25%.

e. 試驗用水.使用經(jīng)過混凝土磁化水增強器磁化后的自來水.

f.骨料.粗骨料采用莆田本地的花崗巖碎石;細骨料采用福建省莆田本地產(chǎn)花崗巖石渣,實測細度模數(shù)為3.5.

2 試驗方法

試塊的制作在福建省莆田學院土木工程試驗中心完成,高溫試驗則在中南大學土木建筑學院火災試驗室進行.

2.1 試塊的制作與養(yǎng)護

采用“硅酸鹽水泥+活性礦物摻合料+高效減水劑”的技術(shù)路線,并采用磁化水混凝土技術(shù),通過試驗室試配,確定超高強石渣混凝土的配合比,見表1.

表1 低碳超高強石渣混凝土的配合比

混凝土拌合物攪拌后,分三次裝入100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)模內(nèi),并在ZHDG-80混凝土磁力振動臺上振動成型.

試塊成型后立即覆蓋塑料薄膜;24 h后拆模,并用塑料袋包裹密封并置于實驗室內(nèi)絕濕養(yǎng)護.24 d后裝箱托運到長沙進行抗火性能試驗.

2.2 加熱制度

超高強石渣混凝土試塊利用中南大學火災實驗室的箱形電阻爐(型號為SX212212，如圖1所示)進行升溫,設計加熱工況為150、250、400、 550、700、850、960 ℃ ,不過實施過程中根據(jù)實際情況作了相應的調(diào)整.高溫爐的升溫曲線如圖2所示,并與國際標準升溫曲線比較.試塊升溫、恒溫持續(xù)4 h后,關(guān)閉電源,敞開爐門,3 h后取出試塊, 在室內(nèi)靜置2 d,再進行力學性能測試.

2.3 加載制度

根據(jù)國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法》GB/T50081-2002,采用連續(xù)均勻地施加荷載,混凝土強度等級>C60時,加荷速度取0.8～1.0 MPa·s-1.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 加熱及冷卻后的現(xiàn)象

混凝土試塊由常溫開始按8個溫度等級加熱至960 ℃,物理狀態(tài)逐漸發(fā)生變化,經(jīng)受不同溫度作用后的表觀特征見表2及圖3(a～j)所示.

圖1 加熱試驗裝置

圖2 升溫曲線

表2高溫后試塊的表觀特征

Table 2 Phenomenal characteristics of specimens after fire

編 號配比溫度/℃高溫冷卻后砼表面狀況、顏色F03 F04A3150顏色幾乎不變,表面字跡清晰,無裂縫、無缺角凹陷F17 F18C3150同上F33 F34St7150同上F05 F06A3250外觀呈暗灰色,少量缺角、凹陷F19 F20C3250外觀呈暗灰色,表面無裂、縫無缺角及凹陷F35 F36St7250外觀呈暗灰色,表面無裂縫、無缺角及凹陷F21 F22C3400外表稍泛白,表面無裂縫,無缺角及凹陷F07 F08A3400粉碎性爆裂F37 F38St7400粉碎性爆裂F23 F24C3550外表呈灰色,表面有不規(guī)則的細裂縫,但不是十分明顯,個別凹陷,表面字跡清晰F25 F26C3700外表呈灰白色,表面有較多可見的裂縫,表面字跡依稀可見,個別缺角F27 F28C3850外表呈暗紅色,少量凹陷、缺角、表面字跡消失F29 F30C3960外表呈紅色,缺角,表面龜裂,有幾條較寬的裂縫

圖3 超高強石渣混凝土高溫后的破壞模式

a. 超高強石渣混凝土的現(xiàn)象與分析.試驗現(xiàn)象觀察表明, 超高強石渣混凝土試塊經(jīng)受250 ℃高溫后出現(xiàn)缺角、凹陷(如圖3(b)中的F05),當溫度接近400 ℃時, 從爐內(nèi)傳出試塊爆裂的響聲,試塊發(fā)生粉碎性爆裂(如圖3(c)).

究其原因,是因為超高強石渣混凝土的滲透性能比較差,在升溫過程中水蒸汽的逸出嚴重受阻,引起蒸汽壓急劇升高,當蒸汽壓力產(chǎn)生的混凝土應變疊加上由溫度差產(chǎn)生的應變超過其極限拉應變時,就會造成混凝土表面剝落或爆裂,因此超高強石渣混凝土高溫下的抗爆裂性能比較差.

b. 摻鋼纖維的超高強石渣混凝土的現(xiàn)象與分析.摻鋼纖維的超高強石渣混凝土試塊經(jīng)過250 ℃的高溫作用后未出現(xiàn)缺角、凹陷現(xiàn)象(如圖3(b)中的F36等),但在400 ℃的高溫下仍發(fā)生粉碎性破壞,高溫爆裂后產(chǎn)生的混凝土碎塊的大小、形狀各異,斷面處石子、鋼纖維、水泥石清晰可見，圖3(d).

究其原因,是因為鋼纖維的熱傳導系數(shù)較大,在溫度急劇變化的過程中,鋼纖維的摻入在一定程度上可以降低混凝土內(nèi)的溫度梯度及由此產(chǎn)生的溫度應力,減輕內(nèi)部損傷.因此,與超高強石渣混凝土相比,摻入鋼纖維的超高強石渣混凝土的抗爆裂性能稍好.

但是,由于摻鋼纖維的超高強石渣混凝土的低滲透性,在加熱過程中產(chǎn)生的水蒸汽缺乏快速逸出的通道,在400 ℃左右的高溫下,蒸汽壓力在混凝土內(nèi)產(chǎn)生的拉應變超過其極限拉應變時,混凝土發(fā)生爆裂.因此,在超高強石渣混凝土中摻入鋼纖維不能顯著地改善超高強石渣混凝土高溫下的抗爆裂性能.

c. 摻聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土的現(xiàn)象與分析.

①試驗現(xiàn)象.摻聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土當加熱至380 ℃時爐內(nèi)開始冒出蒸汽,加熱至420 ℃時傳出第一聲響, 450 ℃時逸出刺激性汽味;至470 ℃時冒出的水蒸汽逐漸增加,同時爐內(nèi)傳出的聲響也逐漸增多,至560 ℃左右時有大量的水蒸汽逸出,至680 ℃之后逸出的水蒸汽逐漸減少,至710 ℃左右時基本停止,至730 ℃左右時傳出最后一聲響,隨即冒出蒸汽.

摻入聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土經(jīng)過高溫作用4 h后的表觀特征見表2 和 圖3(e～i).

②與普通混凝土高溫后的破壞形態(tài)比較.據(jù)文獻報道[2],普通混凝土經(jīng)受800 ℃以上的高溫后,在試驗結(jié)束時試塊已經(jīng)破碎,或者從爐內(nèi)取出時已經(jīng)破碎,難于成形[2];而摻聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土試塊在經(jīng)受850 ℃高溫作用4 h后受壓破壞的形態(tài)與普通混凝土高溫后的破壞形態(tài)截然不同:上下端面受到承壓板的約束,基本上無破壞癥狀,而側(cè)面的混凝土雖破裂,脫落,但基本上還是成比較完整的正倒角錐狀(見圖3(j)).

③與鋼管組合后的抗爆裂性能.內(nèi)置不同類型混凝土的鋼管混凝土柱高溫后的破壞形態(tài)對比見圖4.

注:高溫作用時間均為4 h.溫度800 ℃

觀察表明,鋼管超高強石渣混凝土經(jīng)過800 ℃高溫作用4 h后,裸露的混凝土表面受火爆裂,凹陷深度約35 mm(見圖4(b));而鋼管聚丙烯纖維超高強石渣混凝土柱經(jīng)受相同的高溫作用4 h后,裸露的混凝土表面只出現(xiàn)屈指可數(shù)的宏觀裂紋,爆裂現(xiàn)象得到有效的抑制,顯示出較好的抗爆裂性能(見圖4(a)).

綜上所述,在超高強石渣混凝土中摻入聚丙烯纖維后可以顯著地改善其抗爆裂性能,其抗火性能優(yōu)于普通混凝土的抗火性能.

④聚丙烯纖維超高強石渣混凝土抗爆裂機理分析.在超高強石渣混凝土中摻入聚丙烯纖維后,之所以能改善超高強石渣混凝土的抗爆裂性能,是因為聚丙烯纖維的熔點低,在高溫下,無數(shù)的聚丙烯纖維熔化揮發(fā)后在混凝土內(nèi)部形成三向隨機分布的小孔隙,為高壓蒸汽的外逸提供通道,這大大降低了內(nèi)部的蒸汽壓力,從而防止超高強石渣混凝土爆裂的發(fā)生.

3.2 高溫后超高強石渣混凝土的力學性能

高溫后超高強石渣混凝土、摻聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土、摻鋼纖維的超高強石渣混凝土的力學性能試驗結(jié)果見表3,其高溫后相對抗壓強度與溫度的關(guān)系見圖5.

一般情況下,普通混凝土、高強混凝土和高性能混凝土受火后抗壓強度隨溫度的升高而衰減[2],從表3和圖5中不難得出如下結(jié)論,超高強石渣混凝土高溫后具有迥然不同于普通混凝土、高強混凝土和高性能混凝土的力學特性.

表3 試驗結(jié)果一覽表

圖5 高溫后超強石渣混凝土相對抗壓強度與溫度的關(guān)系

a. 超高強石渣混凝土受高溫作用后,由于石子與水泥石的膨脹系數(shù)不同,溫度變形差隨著溫度的升高不斷增大,在界面上形成裂縫并不斷擴展[2],混凝土的抗壓能力逐漸被削弱;另一方面,由于超高強石渣混凝土中礦物摻合料所占的比例較大(約為膠凝材料總量40%),在高溫、高壓環(huán)境中礦物摻合料的活性得到了有效的激發(fā),火山灰反應加速進行,游離的二氧化鈣數(shù)量進一步減少,低堿性的水化硅酸鈣數(shù)量進一步提高,水泥石與粗骨料之間的界面結(jié)構(gòu)得以進一步的改善,混凝土材料抵抗破壞的能力不斷增強,彼消此長,在混凝土爆裂之前,增強效應大于被削弱的效應,因此,高溫后超高強石渣混凝土的抗壓強度總體上呈現(xiàn)增長的趨勢:

①溫度在250 ℃之前,抗壓強度增長緩慢,150、250 ℃時的強度分別是常溫時的1.05、1.09倍 ;②溫度在250 ℃至280 ℃之間時增幅較大,280 ℃時達到常溫時的1.33倍;③溫度在280 ℃至360 ℃增幅減小,320、360 ℃時分別是常溫時的1.38倍、1.47倍.

b. 在超高強石渣混凝土中摻入鋼纖維后,由于鋼纖維的影響,及高溫環(huán)境中活性礦物摻料的增強效應與高溫下混凝土材料的損傷效應的疊加,導致抗壓強度隨溫度變化的規(guī)律與超高強石渣混凝土的有所差別:

①在溫度達到250 ℃之前,抗壓強度的變化規(guī)律與超高強石渣混凝土的基本相似;②溫度升至250 ℃至320 ℃之間時混凝土抗壓強度的增幅加大,250 ℃時是常溫時的1.09倍,280 ℃時達到常溫時的1.20倍,320 ℃時增至常溫時的1.33倍;③溫度從320 ℃升至360 ℃時,強度有所下降,但360 ℃時仍比常溫下的抗壓強度高出8.4%;

c. 摻入聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土在升溫過程中,由于蒸汽的外逸通道基本通暢,內(nèi)部的蒸汽壓力不高,在高溫低壓的環(huán)境中混凝土摻合料的活性得到有限度的激發(fā),材料抵抗破壞的能力略有增強,與高溫下混凝土材料的損傷效應的疊加,導致其抗壓強度隨溫度變化的規(guī)律顯示其自身的特點:

①溫度低于400 ℃時,摻聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土的抗壓強度緩慢增長, 250 ℃時僅比常溫下的抗壓強度高出2.0%;在400 ℃時達到峰值,僅為常溫時的1.07倍.

②在同樣高的溫度下,摻聚丙烯纖維的超高強石渣混凝土的抗壓強度增長幅度小于超高強石渣混凝土的.

③超過400 ℃之后,由于水泥的水化物氫氧化鈣等脫水,體積膨脹[2],材料抵抗破壞的能力被進一步削弱,造成混凝土強度下降的幅度大于因礦物摻合料在高溫低壓的環(huán)境引起的混凝土強度提高的幅度,因此,溫度升至400 ℃后,混凝土的抗壓強度總體上呈現(xiàn)隨著溫度的升高而降低的趨勢,至550 ℃時,抗壓強度為常溫時的97.7%.

④溫度達到700 ℃之后,隨著溫度的升高,混凝土界面上的裂縫進一步擴展,內(nèi)部的損傷不斷累積,材料抵抗破壞的能力急劇下降,因此,混凝土的抗壓強度隨著溫度的升高而迅速下降,至700 ℃時為常溫時的74.1%,至850 ℃僅為常溫時的27.5%,至960 ℃時只有常溫下的12.1%.

4 結(jié) 語

通過低碳超高強石渣混凝土的抗火性能試驗,可以得出如下結(jié)論:

a. 纖維類型對超高強石渣混凝土的抗爆裂性能有著顯著的影響:①未摻入任何纖維的超高強石渣混凝土的抗火性能極差;②鋼纖維的摻入不能從根本上改善超高強石渣混凝土的抗爆裂性能;③將低熔點的聚丙烯纖維摻入超高強石渣混凝土后,可以顯著地改善其抗爆裂性能,顯示出優(yōu)于普通混凝土、高強混凝土、高性能混凝土的抗火性能.

b. 超高強石渣混凝土中由于摻入比普通混凝土、高強混凝土、高性強混凝土多的活性礦物摻合料,在高溫的環(huán)境中這些活性摻合料的活性得以激發(fā),材料抵抗破壞的能力比它們的高,因此高溫后超高強石渣混凝土顯示出與普通混凝土、高強混凝土、高性能混凝土迥然不同的特性:①素超高強石渣混凝土試塊在發(fā)生粉碎性破壞之前,抗壓強度隨溫度的升高而增大,360 ℃時強度達到157.6 MPa,是常溫時的1.47倍;②鋼纖維超高強石渣混凝土在溫度低于320 ℃時,抗壓強度呈上升趨勢,320 ℃時達到最大值184.3 MPa,是常溫下的1.33倍;之后強度有所下降,但360 ℃時仍比常溫下的抗壓強度高出8.4%;③聚丙烯纖維超高強石渣混凝土的抗壓強度在400 ℃之前;隨溫度的升高緩慢增長,在400 ℃時達到峰值,為常溫時的1.07倍.之后便隨溫度的升高而降低.

致謝

本文是在中南大學土建學院博士生導師徐志勝教授的指導下完成的,楊智碩博士生、莆田學院的楊挺、陳炳鑫、陳楠、童遠超等同學參與了試件的制作;此外,學報編輯和審稿專家也提出了中肯的修改意見,在此謹致以誠摯的謝意.

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