李海艷，鄭文忠，羅百福

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱，haiyan126@163.com)

高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估與鑒定加固具有重要意義.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通混凝土與高強(qiáng)混凝土的高溫抗壓性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，普通混凝土高溫后立方體抗壓強(qiáng)度隨經(jīng)歷溫度的升高總體呈下降趨勢，300℃以內(nèi)，抗壓強(qiáng)度下降不明顯，400℃作用后，抗壓強(qiáng)度明顯下降，600℃作用后，抗壓強(qiáng)度已降至常溫的35%左右［1-2］;高強(qiáng)混凝土高溫后立方體抗壓強(qiáng)度200℃開始下降，400℃已下降至常溫的85%左右，600℃前，高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度退化速率比普通混凝土快，600℃后，退化趨勢緩于普通混凝土［3-5］.高強(qiáng)混凝土快速升溫易發(fā)生爆裂，為避免爆裂，文獻(xiàn)［6-7］在高強(qiáng)混凝土中摻入體積率1%、長度25 mm的鋼纖維和體積率0.2%、長度15 mm的單絲聚丙烯纖維，并進(jìn)行高溫試驗(yàn)測得，經(jīng)歷溫度低于400℃時(shí)，高強(qiáng)混凝土高溫后立方體抗壓強(qiáng)度退化較慢，超過400℃后強(qiáng)度退化加快，且高溫試驗(yàn)過程中無爆裂發(fā)生.

活性粉末混凝土(reactive powder concrete簡稱RPC)是一種具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性和低滲透性的水泥基復(fù)合材料，其組份為水泥、石英砂、硅灰、高效減水劑、鋼纖維等［8］.RPC與普通混凝土及高強(qiáng)混凝土的區(qū)別在于:(1)用石英砂代替粗骨料，并摻入硅灰、礦渣等活性摻合料，優(yōu)化了顆粒級(jí)配，提高了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性和基體密實(shí)度;(2)采用高效減水劑，減少用水量，降低了孔隙率;(3)高溫養(yǎng)護(hù)加速水泥水化反應(yīng)并增進(jìn)火山灰反應(yīng)，改善了水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu);(4)在集料中添加小尺寸的鋼纖維，提高了韌性和延性.以上特點(diǎn)使得活性粉末混凝土的高溫力學(xué)性能不同于普通混凝土及高強(qiáng)混凝土.

為研究高溫后RPC立方體抗壓強(qiáng)度的退化規(guī)律，完成300個(gè)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的RPC立方體試件和120個(gè)40 mm×40 mm×160 mm的RPC棱柱體試件經(jīng)20、120、200、300、400、500、600、700、800、900℃高溫后的抗壓試驗(yàn)，研究了纖維種類、纖維摻量、溫度歷程、尺寸效應(yīng)等因素對(duì)RPC立方體抗壓強(qiáng)度和受壓破壞特征的影響，建立了活性粉末混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的計(jì)算公式.

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

選用黑龍江賓州水泥有限公司生產(chǎn)的“虎鼎牌”P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;SiO2含量94.5%，比表面積20 780 m2/kg的微硅粉;比表面積為475 m2/kg的S95型礦渣粉;哈爾濱晶華水處理材料有限公司生產(chǎn)的40～70目和70～140目石英砂;山東萊蕪紋河化工有限公司生產(chǎn)的FDN濃縮型高效減水劑;長度13 mm，直徑0.22 mm的鞍山昌宏鋼纖維廠生產(chǎn)的高強(qiáng)平直鋼纖維;長度18～20 mm的聚丙烯(PP)纖維.

1.2 配合比確定

課題組通過前期試配試驗(yàn)確定了RPC的最佳基準(zhǔn)配合比［9］.本試驗(yàn)在此基準(zhǔn)配比的基礎(chǔ)上，通過單摻體積率為1%、2%和3%的鋼纖維，單摻體積率為0.1%、0.2%和0.3%的聚丙烯纖維及不同體積率的鋼纖維和聚丙烯纖維混摻等，研究纖維種類和摻量變化對(duì)高溫后RPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響，具體配比見表1.

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

RPC制備過程中的投料順序、攪拌時(shí)間及養(yǎng)護(hù)制度需按一定要求進(jìn)行.首先將稱量好的石英砂、水泥、硅灰、礦渣、減水劑依次倒入SJD60型單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，干拌3 min;然后向攪拌機(jī)內(nèi)加入稱量好的水，攪拌6 min;再均勻撒入鋼纖維和聚丙烯纖維攪拌6 min出料.將拌合物注入鋼模，在混凝土振動(dòng)臺(tái)上經(jīng)高頻振動(dòng)成型，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h后拆模，然后將試件放入90℃的混凝土加速養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d，再在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)60 d拿出晾干，2個(gè)月后進(jìn)行高溫試驗(yàn).

為研究纖維種類和摻量變化對(duì)高溫后RPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響，本試驗(yàn)共成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件300個(gè);為研究尺寸效應(yīng)對(duì)活性粉末混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響，針對(duì)素RPC、SRPC2、PRPC3與HRPC2成型40 mm×40 mm×160 mm的試件120塊.每3個(gè)試件為一組，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取3個(gè)試件的平均值，邊長70.7 mm試件的常溫立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)見表1.

2 試驗(yàn)方案與測試內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)溫度為:20、120、200、300、400、500、600、700、800、900℃.為避免含濕量過大導(dǎo)致升溫過程中RPC發(fā)生爆裂，將200～900℃高溫試驗(yàn)所用試件在120℃烘箱內(nèi)進(jìn)行24 h烘干，高溫試驗(yàn)采用電爐升溫.立方體抗壓試驗(yàn)按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ70—2009)的要求在YA-2000電液式壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.

2.2 恒溫時(shí)間測定

為了避免升溫速度過快導(dǎo)致試件爆裂，升溫速度定為4℃/min.當(dāng)爐溫達(dá)到目標(biāo)溫度后，需要恒溫一定時(shí)間以使試件內(nèi)外溫度趨于一致.為確定恒溫時(shí)間，在立方體試件中心部位預(yù)埋熱電偶(圖1)，以便進(jìn)行試件中心溫度與爐膛溫度的對(duì)比測量.

圖1 內(nèi)置熱電偶立方體試件

表2列出了各目標(biāo)溫度下試件中心溫度隨恒溫時(shí)間的變化情況.由表可知，恒溫2 h后，試件中心溫度比爐溫低30℃左右，繼續(xù)恒溫3～4 h后，溫差變化不大，因此，將恒溫時(shí)間定為2 h.圖2是目標(biāo)溫度為200、400、600、800℃時(shí)實(shí)際爐溫與試件中心溫度的升溫曲線.冷卻方式為爐內(nèi)自然冷卻至200℃后打開爐門冷卻至100℃，然后取出試件置于室內(nèi)，令其自然冷卻至室溫.

表2 目標(biāo)溫度下試件中心溫度隨恒溫時(shí)間變化 ℃

2.3 主要測試內(nèi)容

試驗(yàn)主要內(nèi)容:(1)RPC高溫試驗(yàn)并觀察記錄試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象;(2)高溫后RPC立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，用于研究纖維種類、纖維摻量、溫度歷程和試件尺寸對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響.

圖2 爐溫與試件中心溫度隨時(shí)間變化曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高溫試驗(yàn)現(xiàn)象

通過肉眼觀察和電鏡掃描分析發(fā)現(xiàn)，纖維種類和摻量不同的活性粉末混凝土隨經(jīng)歷溫度的升高材料物理化學(xué)變化基本一致.200℃以內(nèi)，試件表面顏色同常溫下顏色一致為青灰色，試件內(nèi)的自由水蒸發(fā)，C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)完整、密實(shí)，Ca(OH)2結(jié)晶排列整齊;升溫至300～400℃，試件表面呈棕褐色，C-S-H凝膠開始脫水分解，Ca(OH)2少量分解，RPC層間結(jié)構(gòu)開始破壞，出現(xiàn)細(xì)微裂紋;升溫至500～600℃，試件表面呈黑褐色，C-S-H凝膠體繼續(xù)脫水，Ca(OH)2大量分解，生成游離氧化鈣，冷卻后氧化鈣與空氣中的水分結(jié)合生成Ca(OH)2，體積膨脹，裂縫增多，強(qiáng)度顯著下降;升溫至700～900℃，試件表面呈黃白色，結(jié)構(gòu)疏松嚴(yán)重，產(chǎn)生大量龜裂裂紋，鋼纖維失去作用，800℃后鋼纖維輕折即斷.由上述分析可知，400℃前以物理變化為主，400℃后以化學(xué)變化為主.

由于RPC不含粗骨料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較高強(qiáng)混凝土更加密實(shí)，升溫過程中出現(xiàn)了爆裂現(xiàn)象.400℃恒溫結(jié)束后，素RPC與PP纖維體積摻量為0.1%的PRPC1爆裂成大小不一的碎塊;500℃恒溫結(jié)束后，鋼纖維體積摻量為1%的SRPC1產(chǎn)生較寬爆裂裂紋，試件已沒有相對(duì)平整的表面，后續(xù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無法進(jìn)行;700℃恒溫結(jié)束后，PP纖維體積摻量為0.2%的PRPC2爆裂成碎塊.高溫試驗(yàn)過程中鋼纖維摻量為2%和3%的RPC在360～550℃范圍內(nèi)發(fā)出爆裂聲，但恒溫結(jié)束后試件基本完好;PP纖維摻量為0.3%的PRPC3在450～580℃范圍內(nèi)發(fā)出爆裂聲，恒溫結(jié)束后試件基本完好;混摻纖維的RPC高溫試驗(yàn)過程中基本無爆裂.由此可知，鋼纖維通過提高RPC抗拉強(qiáng)度抑制爆裂的發(fā)生，體積摻量為2%時(shí)可以有效防止RPC發(fā)生爆裂;聚丙烯纖維融化后互相連通的孔洞為蒸汽溢出提供通道，摻入聚丙烯纖維可以推遲起爆溫度，體積摻量為0.3%時(shí)可以防止爆裂發(fā)生;混摻兩種纖維時(shí)，一方面鋼纖維提高了抗拉強(qiáng)度，另一方面聚丙烯纖維緩解了蒸汽壓力，二者共同作用抑制爆裂效果顯著.

3.2 高溫后立方體抗壓強(qiáng)度

為研究不同高溫作用后，纖維種類和摻量變化對(duì)RPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響，圖3～5給出了邊長為70.7 mm的RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度(fcuθ)、及其與常溫抗壓強(qiáng)度的比值(fcuθ/fcu)隨溫度的變化規(guī)律.

圖3 鋼纖維RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度

圖4 聚丙烯纖維RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度

圖5 混摻鋼纖維與聚丙烯纖維的RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度

從圖中可以看出:摻不同纖維的RPC立方體抗壓強(qiáng)度隨經(jīng)歷溫度的升高變化規(guī)律基本一致，均隨經(jīng)歷溫度的升高先增大后減小，單摻纖維的RPC臨界溫度為300℃，而混摻纖維的RPC臨界溫度為400℃.鋼纖維的摻入可以有效提高高溫后RPC立方體抗壓強(qiáng)度，在各對(duì)應(yīng)溫度下，RPC的立方體抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加逐漸增大;聚丙烯纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度有不利影響，在各對(duì)應(yīng)溫度下，立方體抗壓強(qiáng)度基本上隨PP纖維摻量的增加而減小.

分析上述結(jié)果產(chǎn)生原因:活性粉末混凝土中含有硅灰、礦渣等活性摻合料，經(jīng)歷小于400℃的高溫作用后，相當(dāng)于經(jīng)歷了“高溫養(yǎng)護(hù)”的過程，使得二次水化反應(yīng)更加充分，強(qiáng)度較常溫也相應(yīng)提高.鋼纖維的摻入抑制了由于快速溫度變化(升溫或冷卻過程中)而產(chǎn)生的混凝土體積變化，另外，由于鋼纖維具有更好的熱傳導(dǎo)性能，使得混凝土在高溫下更快地達(dá)到內(nèi)外溫度的均勻一致，減小溫度應(yīng)力，因此，摻入鋼纖維可以有效提高RPC高溫后抗壓強(qiáng)度;聚丙烯纖維熔點(diǎn)較低，融化后互相連通的孔洞為蒸汽溢出提供了通道，但同時(shí)也增加了RPC的內(nèi)部缺陷，所以抗壓強(qiáng)度隨PP纖維摻量的增加而減小.

3.3 試件尺寸對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

將素RPC、摻鋼纖維的RPC(SRPC2和HRPC2)、PRPC3在上述各溫度段內(nèi)的尺寸換算系數(shù)取算術(shù)平均值匯總于表3.從表中可以看出:素RPC與PRPC3的立方體抗壓強(qiáng)度受試件尺寸的影響小于摻鋼纖維的RPC.主要因?yàn)殇摾w維體積摻量大于聚丙烯纖維，它的摻入增加了RPC內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的幾率，試件尺寸越大，鋼纖維RPC內(nèi)大缺陷出現(xiàn)的概率也越大，因此受尺寸效應(yīng)的影響較大.

圖6 摻不同纖維的RPC尺寸換算系數(shù)隨溫度變化曲線

表3 不同溫度段內(nèi)RPC尺寸換算系數(shù)平均值

3.4 RPC立方體受壓破壞特征分析

3.4.1 纖維對(duì)RPC常溫受壓破壞特征的影響

圖7(a)為鋼纖維摻量不同的RPC常溫時(shí)的受壓破壞形態(tài).由于活性粉末混凝土強(qiáng)度很高，試件破壞時(shí)，積聚在試驗(yàn)機(jī)上的能量急劇釋放，給試塊以劇烈的沖擊.素RPC受壓時(shí)呈突然性的脆性破壞，破壞時(shí)發(fā)出巨大的響聲，同時(shí)碎塊向四周飛濺.摻入鋼纖維的試塊，裂縫形成后，橋架于裂縫間的鋼纖維開始工作，延遲裂縫的擴(kuò)展，由于鋼纖維從基體拔出時(shí)需消耗大量能量，與素RPC相比，破壞時(shí)先聽到鋼纖維被拔出的撕裂聲，隨后試件發(fā)出巨響而最終破壞，破壞后出現(xiàn)許多裂紋，無碎塊迸裂，且整體性較好，隨著鋼纖維摻量的增加，試件破壞后的完整性也更好.可見，鋼纖維的摻入極大地改善了RPC的受壓破壞性能.

圖7(b)為聚丙烯(PP)纖維摻量不同的RPC常溫時(shí)的受壓破壞形態(tài).PP纖維作為一種低彈性模量的有機(jī)纖維，其約束阻裂效果比鋼纖維差，對(duì)RPC破壞特征的影響也較小.摻量很低時(shí)，其破壞特征與素RPC相近，隨著摻量的增加，脆性破壞程度較素RPC有所改善，且破壞時(shí)聲音明顯變小，試件的破壞面上可見被拉斷的PP纖維以及由纖維連接的RPC小碎片.

圖7 纖維種類和摻量不同的RPC常溫受壓破壞形態(tài)

3.4.2 溫度對(duì)RPC受壓破壞特征的影響

圖8(a)為鋼纖維RPC經(jīng)歷不同高溫后的受壓破壞形態(tài).隨經(jīng)歷溫度的升高，鋼纖維RPC破壞時(shí)發(fā)出的響聲先增大后減小，200～500℃高溫后，破壞特征同常溫相似，為脆性破壞，600℃后，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，出現(xiàn)明顯的卸載過程，破壞形式明顯呈現(xiàn)塑性.

圖8(b)為聚丙烯(PP)纖維RPC經(jīng)歷不同高溫后的受壓破壞形態(tài).由于聚丙烯纖維熔點(diǎn)較低為165℃，200～500℃高溫后，RPC中的聚丙烯纖維熔化，抗壓破壞特征與素RPC相似，破壞時(shí)無明顯塑性變形，呈突然性的脆性破壞，600～900℃高溫后，RPC抗壓強(qiáng)度急劇下降，破壞時(shí)出現(xiàn)明顯的卸載過程，破壞形式轉(zhuǎn)為塑性破壞.

圖8 經(jīng)歷不同高溫后的RPC受壓破壞形態(tài)

4 高溫后立方體抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析

鑒于摻鋼纖維與單摻聚丙烯纖維的RPC立方體抗壓強(qiáng)度隨經(jīng)歷溫度的變化規(guī)律有較大不同，分別提出如式(1)和式(2)所示的線性擬合公式，理論曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于圖9.

鋼纖維體積摻量為1%～3%的RPC(單摻鋼纖維、混摻纖維)高溫后立方體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為

單摻PP纖維體積率為0.1%～0.3%的RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為

式中:fcuθ為高溫后的立方體抗壓強(qiáng)度;fcu為常溫時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度;θ為經(jīng)歷溫度;R2為相關(guān)系數(shù).

圖9 高溫后RPC立方體抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線

圖9中NC為普通混凝土線性回歸曲線［1］，HSC為高強(qiáng)混凝土線性回歸曲線［5］.通過對(duì)比分析可知:相對(duì)于普通混凝土與高強(qiáng)混凝土，活性粉末混凝土在400℃以內(nèi)抗壓強(qiáng)度隨經(jīng)歷溫度的升高明顯增大，600℃作用后強(qiáng)度明顯下降.這主要由于活性粉末混凝土不含粗骨料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較NC和HSC更加密實(shí)，但鋼纖維與聚丙烯纖維的摻入緩解了因結(jié)構(gòu)密實(shí)而造成的高溫?fù)p傷，且鋼纖維的摻入可有效提高RPC高溫后力學(xué)性能.

5 結(jié)論

1)RPC升溫過程出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象.鋼纖維體積摻量為2%時(shí)可有效抑制爆裂發(fā)生;聚丙烯纖維對(duì)爆裂改善作用不明顯，體積摻量為0.3%時(shí)才可防止爆裂發(fā)生;兩種纖維混摻時(shí)，一方面鋼纖維提高了抗拉強(qiáng)度，另一方面聚丙烯纖維緩解了蒸汽壓力，二者共同作用抑制爆裂效果顯著.

2)隨經(jīng)歷溫度的升高，摻不同纖維的RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，300～400℃強(qiáng)度達(dá)到峰值，600℃開始明顯下降.鋼纖維可以有效提高RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度，聚丙烯纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度有不利影響.

3)鋼纖維RPC受尺寸效應(yīng)的影響大于素RPC和單摻聚丙烯纖維的RPC.通過計(jì)算匯總，給出RPC在不同溫度段內(nèi)的尺寸換算系數(shù)平均值.

4)由于活性粉末混凝土強(qiáng)度較高，在經(jīng)歷溫度低于600℃時(shí)，抗壓破壞特征表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，超過600℃后，由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞.鋼纖維的加入，極大改善了RPC的抗壓破壞特征，聚丙烯纖維對(duì)RPC破壞特征的改善不明顯.

5)通過回歸分析，建立了活性粉末混凝土高溫后立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的計(jì)算公式.

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