李 妍，赫 巖

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的建設(shè)以及高層建筑的密集,極大地提高了建筑物發(fā)生火災(zāi)的概率,例如:位于天津市河西區(qū)的城市大廈38層發(fā)生火災(zāi),造成10人死亡,5人受傷,給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來重大損失.因此,對(duì)高溫后混凝土的力學(xué)性能研究一直是國內(nèi)外學(xué)者[1-3]研究的重點(diǎn).過鎮(zhèn)海[4]認(rèn)為混凝土抗高溫性能的高低,不僅直接關(guān)系到建筑物高溫后的安全問題,而且直接關(guān)系到經(jīng)常性的高溫作用.蔣玉川,朋改非等[5]人研究了PVA纖維對(duì)高性能混凝土高溫爆裂和高溫后力學(xué)性能的影響.伴隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國已成為汽車使用大國,廢舊輪胎的回收利用也受到業(yè)內(nèi)的極大關(guān)注[6].目前,利用廢舊輪胎生產(chǎn)回收鋼纖維成為可能,工業(yè)回收鋼纖維混凝土既可實(shí)現(xiàn)廢舊資源的再生利用,又可為今后工業(yè)回收鋼纖維混凝土用于實(shí)際工程提供指導(dǎo).綜上,關(guān)于高溫后混凝土及纖維混凝土國內(nèi)外學(xué)者雖然進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,但對(duì)回收鋼纖維混凝土高溫后的力學(xué)性能研究卻較少.研究普通混凝土和回收鋼纖維混凝土在高溫后的力學(xué)性能變化,對(duì)火災(zāi)后建筑物的安全評(píng)定及加固具有指導(dǎo)意義.本文基于普通混凝土高溫試驗(yàn)研究,擬對(duì)高溫后回收鋼纖維進(jìn)行立方體抗壓和劈裂抗拉力學(xué)性能試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)50組共150個(gè)試件,均為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,回收鋼纖維長度為50 mm,混凝土試塊嚴(yán)格按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080-2002)[7]要求澆筑,所有試塊均采用涂有機(jī)油的成型優(yōu)質(zhì)塑料模具澆筑,養(yǎng)護(hù)至28 d后拆模,再進(jìn)行高溫試驗(yàn),經(jīng)自然冷卻后,再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為P.0 42.5的普通硅酸鹽水泥,粗骨料采用級(jí)配良好、粒徑為3 mm～15 mm的天然碎石,細(xì)骨料為普通河沙,含泥量小于1%.試驗(yàn)素混凝土按C 40進(jìn)行配合比設(shè)計(jì).為研究不同溫度對(duì)工業(yè)回收混凝土力學(xué)性能的影響,其中25組用于抗壓試驗(yàn),25組用于劈拉試驗(yàn),每組試樣取3個(gè),并取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)溫度分別采用常溫,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃共5個(gè)溫度級(jí)別,鋼纖維摻量分別采用0 %,0.5 %,1 %,1.5 %,2 % 共5個(gè)摻量等級(jí).鋼纖維混凝土配合比見表1.

表1 鋼纖維混凝土試件材料的配合比

1.2 加熱試驗(yàn)裝置與火災(zāi)試驗(yàn)環(huán)境

本試驗(yàn)高溫加熱裝置采用高溫組合式電阻加熱爐,電爐縫隙由高溫防火棉塞滿,電爐最高加熱溫度可達(dá)1 200 ℃,試驗(yàn)各個(gè)加熱參數(shù)設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上編程完成,之后下傳至高溫控制裝置,升溫速度設(shè)定為4 ℃/min,當(dāng)加熱爐加熱到目標(biāo)溫度后,各組混凝土立方體試塊再恒溫3 h,達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間,去掉防火棉,打開電阻爐,混凝土試塊自然冷卻至室溫.試驗(yàn)所用儀器和材料見圖1.

(a)高溫試驗(yàn)爐(a)Experimental furnace of high temperature

(b)高溫試驗(yàn)控制裝置(b)Control cabinet of high temperature experimental system

(c)回收鋼纖維外貌(c)Appearance of steel fiber

(d)劈拉試驗(yàn)墊塊(d)Filling blocks of splitting tensile

1.3 高溫后試塊抗壓試驗(yàn)及劈拉試驗(yàn)

混凝土試塊高溫冷卻后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn),試驗(yàn)按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]及《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行,試驗(yàn)機(jī)采用2 000 kN液壓伺服式壓力試驗(yàn)機(jī),對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)全程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,均勻連續(xù)加荷.抗壓試驗(yàn)及劈拉試驗(yàn)見圖2.

(a)立方體素混凝土試件高溫抗壓破壞(a)Compression failure of plain concrete after high temperature

(b)立方體回收鋼纖維混凝土高溫后抗壓破壞(b)Compression failure of recycled steel fiber concrete after high temperature

(c)立方體素混凝土試件高溫后劈拉破壞(c)Splitting tensile failure of plain concrete after high temperature

(d)立方體回收鋼纖維混凝土試件高溫后劈拉破壞(d)Plitting tensile failureof recycled steel fiber concrete after high temperature

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)及計(jì)算

不同溫度作用下不同鋼纖維摻量混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的計(jì)算值見表2.

表2 試塊的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度Table 2 Block of the compressive strength and splitting tensile strength

2.2 試驗(yàn)分析

圖3,圖4分別表示不同回收鋼纖維摻量的混凝土在不同溫度梯度下其抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的變化規(guī)律.由圖3～圖4可見,經(jīng)高溫作用后,素混凝土和回收鋼纖維混凝土的力學(xué)性能均下降,其中200 ℃～400 ℃降低較為平緩.主要原因是當(dāng)試件加熱到200 ℃時(shí),混凝土內(nèi)部大部分自由水蒸發(fā),試件處于脫水狀態(tài);當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí),試件內(nèi)部大量水分開始蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部C-S-H凝膠和鈣礬石中結(jié)晶水開始脫水分解,而溫度超過600 ℃后,氫氧化鈣大量分解,生成游離的氧化鈣,混凝土強(qiáng)度下降幅度較快.但是,隨著回收鋼纖維的增加,在相同溫度作用下,其抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度降低幅度明顯低于素混凝土.這種現(xiàn)象表明,在混凝土中三維亂向分布的回收鋼纖維,在高溫作用下會(huì)減小溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力,改善混凝土內(nèi)部物理?xiàng)l件,在一定程度上可抑制混凝土微裂縫的發(fā)展,從而減輕混凝土內(nèi)部的損傷,增加混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度,而且隨著回收鋼纖維摻量的增加,效果越明顯.因此,高溫后回收鋼纖維混凝土的強(qiáng)度高于素混凝土強(qiáng)度.

圖3 抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength and temperature

圖4 劈拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between splitting tensile strength and temperature

3 結(jié)論

通過對(duì)不同摻量工業(yè)回收鋼纖維混凝土高溫后立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的抗火試驗(yàn)研究,對(duì)試件的破壞特征及強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行了分析,得出了不同溫度對(duì)不同工業(yè)回收鋼纖維摻量下混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)論如下:

(1) 混凝土及回收鋼纖維混凝土在高溫后的抗壓強(qiáng)度均隨溫度升高而降低.溫度在400 ℃以內(nèi)，其降低幅度不明顯；當(dāng)溫度大于600 ℃以后，其降低幅度明.隨著回收鋼纖維摻量的提高,其高溫后力學(xué)性能的降低均有所減小.

(2) 混凝土及回收鋼纖維混凝土在高溫后的劈拉強(qiáng)度均隨溫度升高而降低,但抗拉強(qiáng)度的降幅遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度的降幅.當(dāng)混凝土試件劈拉破壞時(shí),回收鋼纖維可起到阻裂作用.

(3) 回收鋼纖維的摻入對(duì)混凝土高溫后的力學(xué)性能有明顯的改善作用,可提高混凝土的耐火性能.