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        纖維對(duì)混凝土筒體高溫下變形的影響

        2018-11-02 08:31:40柳根金丁一寧
        建筑材料學(xué)報(bào) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:筒壁熱氣筒體

        柳根金, 丁一寧

        (大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)

        不斷增加的隧道工程建設(shè)需求[1-3]以及頻發(fā)的隧道火災(zāi)事故,使得隧道火災(zāi)安全越來越受到關(guān)注,提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐火性能已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題[4].

        隧道火災(zāi)因同時(shí)具有溫度高、升溫劇烈的特點(diǎn)而區(qū)別于一般建筑火災(zāi)[5-6],火災(zāi)中暴露于高溫下的襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生開裂甚至嚴(yán)重變形,危害隧道的安全性和整體性[7].目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學(xué)性能研究,大多關(guān)注到溫度高這一特點(diǎn),而升溫劇烈的特征并沒有得到足夠的重視.

        高溫下普通混凝土材料的物理化學(xué)變化會(huì)對(duì)其宏觀熱工性能和力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響:升溫和高溫持續(xù)作用使混凝土內(nèi)部形成溫度和蒸汽壓力梯度[8-9],迅速升高的熱應(yīng)力和蒸汽壓力使混凝土內(nèi)部損傷積累,最終導(dǎo)致爆裂、強(qiáng)度下降[10];對(duì)于暴露在高溫下的高性能混凝土,因其具有更好的密實(shí)性,在高溫早期便會(huì)發(fā)生爆裂[11].學(xué)者們已經(jīng)從材料層面上探索了如何改善混凝土的耐高溫性能:聚丙烯(polypropylene, PP)纖維可有效提高混凝土的爆裂性能[12-14];鋼纖維(steel fiber, SF)雖無法阻止混凝土發(fā)生高溫爆裂,但可以提高其高溫后的殘余力學(xué)性能[15-17].纖維可以提升經(jīng)歷高溫以及高溫后混凝土的物理力學(xué)性能,為改善混凝土筒體類構(gòu)件的耐高溫性能提供了一種新的途徑.但該結(jié)論是基于材料層面得出的,而從材料與構(gòu)件相互聯(lián)系角度出發(fā),研究纖維對(duì)高溫作用下混凝土構(gòu)件整體性能的改善作用,意義更加重大.

        本文借鑒德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN-18 160《Hausschornsteine Pruefbedinggungen und Beurteilungskviterien》中筒體構(gòu)件的時(shí)間-溫度曲線,通過燃燒液化氣來模擬隧道火災(zāi)的高溫作用,對(duì)高溫試驗(yàn)過程中SF,PP纖維和鋼筋掛網(wǎng)改性混凝土筒體的筒壁各層溫度變化、徑向變形以及高溫后筒體的殘余徑向變形等展開了研究,以期為隧道襯砌結(jié)構(gòu)在高溫下的性能研究以及高溫后的修復(fù)工作奠定基礎(chǔ).

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料及試件

        水泥(C)為P·Ⅱ 42.5 R型硅酸鹽水泥;二級(jí)粉煤灰(FA);細(xì)骨料(FIA)為細(xì)度模數(shù)2.46的Ⅱ區(qū)河砂;粗骨料(CA)為碎石;減水劑(SP)為聚羧酸類高效減水劑;拌和水(W)為自來水;混凝土基準(zhǔn)配合比見表1.纖維采用冷拉鋼絲型鋼纖維(SF)和三葉截面型聚丙烯(PP)纖維,纖維性能參數(shù)見表2.

        表1 混凝土基準(zhǔn)配合比

        表2 鋼纖維與聚丙烯纖維性能參數(shù)

        圓筒內(nèi)半徑a為200mm,外半徑b為250mm,高1200mm.鋼筋混凝土(RC)筒體采用未摻纖維的混凝土,配置直徑為6mm的光圓鋼筋,其環(huán)向和縱向配筋率均為0.4%,其余筒體采用纖維混凝土.各試件纖維摻量見表3(表中“SFa40”表示單摻 40kg/m3SF,“HFa403”表示混摻40kg/m3SF和 3kg/m3PP纖維,以此類推).不同配合比混凝土試件的坍落流動(dòng)度、28d立方體抗壓強(qiáng)度同列于表3.

        表3 混凝土試件的纖維摻量、坍落流動(dòng)度與抗壓強(qiáng)度

        1.2 試驗(yàn)加熱裝置與制度

        進(jìn)行高溫試驗(yàn)的混凝土筒體截面及測點(diǎn)布置如圖1所示.試驗(yàn)燃燒系統(tǒng)由液化氣罐、液化氣壓力控制閥、液化氣管道和噴火嘴構(gòu)成.在混凝土筒壁上布置鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶(LVDT)后灌入水泥砂漿填實(shí),熱氣溫度和徑向位移測量點(diǎn)位于噴火嘴上方600mm處.加熱溫度-時(shí)間(T-t)曲線如圖2所示,Tg表示熱氣溫度.除1次高溫試驗(yàn)外,針對(duì)隧道中可能出現(xiàn)的重復(fù)燃爆,還進(jìn)行了2次循環(huán)高溫試驗(yàn)(2次相同的1次高溫試驗(yàn)).快速升溫階段升溫速率約為 100℃/min,最高溫度 1000℃;恒溫階段Tg在 1000℃ 左右,持續(xù)時(shí)間30min;降溫階段為自然冷卻約3h[13].試驗(yàn)時(shí),實(shí)測的熱氣溫度-時(shí)間曲線與DIN-18 160標(biāo)準(zhǔn)曲線吻合良好.

        圖1 筒體截面及測點(diǎn)布置Fig.1 Cross-section of specimen and measuring positions

        圖2 高溫試驗(yàn)T-t曲線以及RC筒體筒壁溫度變化曲線Fig.2 Temperature-time curve and temperature change of RC specimen

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 T-t曲線及筒壁溫度分布變化

        試驗(yàn)中所有試件的筒壁溫度分布規(guī)律均比較類似[18-19].由圖2(a)可以看出:1次高溫試驗(yàn)時(shí),RC試件內(nèi)壁首先升溫,隨后,筒壁中間和外壁溫度逐漸升高.由于混凝土材料的熱惰性,試件由內(nèi)向外各層溫度的傳遞表現(xiàn)出一定的滯后性:Tg上升到1 000℃時(shí),筒體內(nèi)壁溫度Tinn達(dá)到106℃,筒壁中間層溫度Tmid為33℃,而外壁溫度Tout仍保持為室溫;熱氣溫度穩(wěn)定階段末,筒壁溫度達(dá)到峰值,此時(shí)Tinn上升至420℃,Tmid為176℃,Tout為107℃,筒壁內(nèi)外溫差也達(dá)到峰值;隨著熱氣關(guān)閉,筒壁各點(diǎn)溫度開始逐漸下降,筒壁內(nèi)外層溫度差也逐漸縮??;自然冷卻階段末(210min),筒內(nèi)外壁溫差降至20℃.由圖2(b)可見,2次高溫試驗(yàn)中,第2個(gè)高溫循環(huán)熱氣溫度穩(wěn)定階段末筒體各層的溫度比第1個(gè)高溫循環(huán)高出50℃左右.

        2.2 纖維對(duì)混凝土筒體構(gòu)件徑向變形的影響

        2.2.1SF混凝土筒體與RC筒體徑向位移對(duì)比

        圖3為不同摻量SF混凝土筒體與RC筒體在1次高溫作用下筒壁徑向位移與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線.由圖3可以看出:熱氣升溫開始后30min內(nèi),筒體的徑向位移隨熱氣升溫迅速增大,SFa40,SFa55,SFa70的徑向位移增加速率相近,30min后SFa70徑向位移增加速率減緩;RC,SFa40,SFa55與SFa70的最大徑向位移均發(fā)生在熱氣升溫的第40min,試件SFa70的最大徑向位移為0.70mm,比SFa55,SFa40以及RC筒體的最大徑向位移分別減少了7.9%,13.6%和18.6%;40min后筒體進(jìn)入冷卻階段,徑向位移逐漸減小,而RC筒體徑向位移的減少比摻SF筒體更迅速.

        圖3 鋼纖維/鋼筋混凝土筒體徑向位移-加熱 時(shí)間對(duì)比曲線Fig.3 Comparison of radial deformation-time curves of SF reinforced and RC specimen

        圖4為2次高溫循環(huán)下不同摻量SF混凝土筒體與RC筒體徑向位移-熱氣溫度曲線對(duì)比.由圖4可以看出:第1次高溫試驗(yàn)中,Tg小于400℃時(shí)筒壁無明顯徑向變形;Tg升至500~600℃時(shí)筒體徑向變形顯著增加,其中SFa70的徑向位移增大幅度小于SFa55和SFa40,而相同熱氣溫度下?lián)絊F筒體的徑向位移均小于RC筒體;Tg增至1000℃時(shí),筒壁徑向變形急劇增加;關(guān)閉熱氣后筒內(nèi)熱氣溫度下降迅速,徑向變形開始減小,最終殘余變形為0.3~0.4mm;第2次高溫循環(huán)試驗(yàn)中熱氣上升段徑向位移增加相對(duì)平緩,隨后徑向位移又開始急劇增加,最終附加的不可恢復(fù)殘余徑向變形達(dá)0.1~0.2mm.2次高溫循環(huán)后,SFa70的最大徑向位移為1.15mm,比SFa55,SFa40和RC試件的最大徑向位移分別減少了2.6%,7.8%,13.0%.在熱氣溫度穩(wěn)定階段末和冷卻階段相同的熱氣溫度下,摻SF筒體均比RC筒體相應(yīng)的徑向位移小,且隨著SF摻量增加,筒體徑向位移減小,表明了筒體中摻入SF對(duì)限制其高溫徑向變形具有顯著作用.

        圖4 熱氣溫度-鋼纖維/鋼筋混凝土筒體徑向位移對(duì)比曲線Fig.4 Comparison of gas temperature-radial deformation curves of SF reinforced and RC specimen

        2.2.2PP纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移對(duì)比

        圖5為1次高溫作用下PP纖維混凝土筒體與RC筒體的徑向位移與時(shí)間關(guān)系曲線.由圖5可以看出:熱氣升溫開始后13min,摻PP纖維筒體的徑向位移隨加熱時(shí)間的增加比RC筒體更為明顯;第40min,筒體徑向位移達(dá)到峰值,隨著PP纖維摻量的增加,筒體最大徑向位移有所減少,其中PP3的最大位移比PP1減少了19.2%,但與RC筒體相比,PP3最大徑向位移高出22%;冷卻階段末(取為180min)PP1筒體的殘余徑向位移為0.42mm,比PP3和RC筒體分別大了23.8%和90.9%.上述結(jié)果表明3kg/m3PP纖維對(duì)徑向位移的限制作用不及RC筒體所配鋼筋網(wǎng)片的作用.

        圖5 聚丙烯纖維/鋼筋混凝土筒體徑向 位移-加熱時(shí)間對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of radial deformation-time curves of PP fiber reinforced and RC specimen

        圖6為2次高溫循環(huán)試驗(yàn)中不同摻量PP纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移隨熱氣溫度的變化曲線.由圖6可以看出:第1次高溫循環(huán)試驗(yàn)中Tg上升至500~600℃前,3種筒體的徑向位移增加不明顯;Tg超過 600 ℃ 后,3種筒體的徑向位移顯著增加,摻PP纖維筒體的徑向位移隨熱氣升溫的增加速率快于RC筒體.第2次高溫循環(huán)試驗(yàn)中,PP1的最大徑向位移為2.1mm,比PP3和RC筒體分別增加了23.5%和90.9%;且經(jīng)歷第2次高溫作用后,PP3和PP1筒體的殘余徑向位移趨于相同并明顯高于RC筒體,說明PP纖維摻量對(duì)筒體殘余變形的影響已經(jīng)不明顯.

        圖6 熱氣溫度-聚丙烯纖維/鋼筋混凝土筒體徑向 位移對(duì)比曲線Fig.6 Comparison of gas temperature-radial deformation curves of PP fiber reinforced and RC specimen

        圖7對(duì)比了熱氣恒溫階段末筒體截面不同測點(diǎn)的最高溫度分布.以PP3筒體為例,1次高溫循環(huán)中,Tinn,Tmid和Tout最高可分別達(dá)到416,168,106℃;2次高溫循環(huán)中,Tinn,Tmid和Tout最高可分別達(dá)到460,258,155℃.上述結(jié)果表明:高溫后分布在筒壁中間層以內(nèi)的PP纖維處于高于其熔點(diǎn)溫度(165 ℃)的環(huán)境而融化,可防止筒體內(nèi)壁混凝土的爆裂;而處于外壁附近的PP纖維雖還未達(dá)到熔點(diǎn),但試驗(yàn)所用PP纖維屬于非結(jié)構(gòu)型纖維,無法限制筒體因開裂所產(chǎn)生的徑向位移.

        圖7 熱氣恒溫階段末筒體截面不同測點(diǎn)的最高溫度分布Fig.7 Maximum temperature distribution at different measuring points on the cross-section at the end of thermal stability stage

        2.2.3混雜纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移對(duì)比

        圖8為1次高溫作用下混雜纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移與時(shí)間關(guān)系曲線.由圖8可以看出:熱氣升溫開始后25min內(nèi),混雜纖維筒體與RC筒體的徑向位移增長相近,25min后HFa552筒體的徑向位移增速趨緩;摻混雜纖維筒體HFa701和HFa552比RC筒體的最大徑向位移(0.84mm)分別減少了8.1%和13.9%.

        圖8 混雜纖維/鋼筋混凝土筒體徑向位移-加熱 時(shí)間對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of radial deformation-time curves of hybrid fiber reinforced and RC specimen

        為了分析纖維對(duì)經(jīng)歷高溫后筒體殘余徑向位移的影響,取1次高溫試驗(yàn)第180min(Tg為40℃)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.混雜纖維筒體相較于單摻纖維筒體,均表現(xiàn)出了更小的殘余變形,且與RC筒體的殘余變形(0.22mm)相近.其中,HFa701的殘余徑向變形為 0.25mm,比SFa70與PP1的殘余變形分別減少了28.6%和51.9%;HFa403的殘余徑向變形為 0.27 mm,比SFa40與PP3的殘余變形分別減少了28.9%和35.7%,表明混雜SF與PP纖維對(duì)混凝土筒體的徑向變形限制有一定的正混雜效應(yīng).

        3 結(jié)論

        (1)熱氣溫度穩(wěn)定階段末,摻SF、PP纖維混凝土和RC混凝土筒體的筒壁溫度、內(nèi)外溫差以及徑向位移均達(dá)到峰值;筒壁溫度的升/降相對(duì)于熱氣溫度的變化具有滯后性.

        (2)單摻40~70kg/m3SF或SF與1~3kg/m3PP纖維混摻,對(duì)筒體高溫下最大徑向位移的限制作用優(yōu)于配筋率為0.4%的RC筒體.

        (3)經(jīng)歷每次高溫循環(huán)后,混凝土筒體均有部分殘余徑向位移產(chǎn)生,混摻SF和PP纖維在減少混凝土筒體高溫后殘余變形方面可發(fā)揮一定的正混雜效應(yīng).

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