有機合成纖維對隧道管片混凝土經(jīng)高溫后性能的影響

周華新，陽知乾，崔 鞏，劉建忠

(江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇南京210008)

盾構(gòu)法隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土管片拼裝而成.大量的火災(zāi)實例表明，一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度將高達1 000℃，甚至更高.除了對隧道內(nèi)的人員造成巨大傷害外，還會導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能的劣化，甚至爆裂.將對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的破壞，大大降低結(jié)構(gòu)的承載力和安全性［1－2］.

筆者根據(jù)隧道盾構(gòu)管片混凝土的特點制備C50P10混凝土蒸養(yǎng)試件，在部分試件中分別摻入聚丙烯纖維、纖維素纖維及聚乙烯醇纖維.通過火災(zāi)高溫模擬試驗，了解火災(zāi)發(fā)生時混凝土內(nèi)部溫度梯度的變化規(guī)律，揭示有機纖維高溫抗爆裂作用;并通過高溫后的力學(xué)性能測試，研究不同種類有機纖維混凝土高溫后力學(xué)性能的劣化規(guī)律.結(jié)合試驗研究和抗爆裂機理分析，優(yōu)選出適合于提高隧道管片混凝土抗爆裂性能的有機纖維，旨在更好地指導(dǎo)有機纖維在隧道管片混凝土中的應(yīng)用.

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料及試件準(zhǔn)備

隧道管片混凝土強度等級為C50P10，混凝土原材料及配合比見表1.試驗用纖維分別為聚丙烯纖維(PP Fiber)(直徑 D=38 μm，長度 L=19 mm)、纖維素纖維(Cellulose Fiber)(D=20 μm，L=5 mm)和聚乙烯醇纖維(PVA Fiber)(D=28 μm，L=18 mm)，纖維體積摻量為0.15%.

表1 混凝土原材料及配合比

結(jié)合江蘇地區(qū)盾構(gòu)法隧道管片混凝土生產(chǎn)工藝，成型后試件帶模蒸養(yǎng)(預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫)，蒸養(yǎng)養(yǎng)護制度為:25℃預(yù)養(yǎng)4.5 h，升溫時間1.5 h，45℃恒溫4.0 h，降溫時間2.0 h，溫度降至25 ℃，整個養(yǎng)護過程為12.0 h.抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，彎曲韌性試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，蒸養(yǎng)結(jié)束后置于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護至設(shè)定齡期(28 d)，其中3個100 mm×100 mm×400 mm的梁試件用切割機在其跨中位置進行開口，開口寬度與深度分別為3 mm和10 mm.

1.2 火災(zāi)高溫模擬及溫度采集

采用高溫箱式電阻爐模擬火災(zāi)升溫情況，最大升溫速率為20℃/min;以溫度為變化參數(shù)，分別為0，400，800 ℃.當(dāng)達到設(shè)定溫度后，恒溫1 h，然后自然冷卻至常溫，再進行試驗.根據(jù)高溫模擬實驗環(huán)境及試驗研究的需要，進行了高溫采集系統(tǒng)的設(shè)計，采集溫度范圍為0～1 500℃，精度為±1℃.高溫傳感器為K型熱電偶(0～1 900℃)，長度80 mm，高溫補償線5 m，自帶冷端補償線.

基于單片機控制的混凝土原位溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原理［3－4］，建立了多通道高溫溫度自動采集系統(tǒng)，由ADC數(shù)據(jù)采集板和數(shù)據(jù)處理軟件等組成.ADC數(shù)據(jù)采集有8個通道，可同時采集8個樣品的電位數(shù)據(jù).系統(tǒng)主模塊功能是:設(shè)置實驗參數(shù)、采集電阻數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)顯示(如溫度－時間關(guān)系等).多通路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)有簡單方便的操作界面，可實時將采集的數(shù)據(jù)用圖形表示，數(shù)據(jù)還可轉(zhuǎn)化成ORIGIN軟件的數(shù)據(jù)格式，利用ORIGIN軟件處理試驗結(jié)果.

1.3 殘余力學(xué)性能測試

經(jīng)過高溫后的混凝土試件的殘余抗壓強度參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GBJ81—85)進行測試.經(jīng)過高溫后的混凝土試件的彎曲韌性及斷裂能根據(jù)國際材料與結(jié)構(gòu)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn) RILEM［5－7］進行測試.彎曲試驗在液壓伺服材料試驗機上進行，利用兩個線性差分式位移傳感器對梁跨中撓度進行測定.試驗采用梁跨中位移控制，控制速率為0.2 mm/min，試驗進行至試件梁完全斷開為止.利用荷載－撓度曲線計算并評價纖維高性能混凝土的彎曲韌性和斷裂能.

1.4 熱分析試驗

采用SDT Q600儀器測試了不同纖維的熱分解行為，升溫區(qū)間30～600℃，升溫速率10℃/min，高純氮氣氣氛保護，氣體流量為100 mL/min.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 火災(zāi)高溫過程中管片混凝土內(nèi)部溫升

高溫傳感器A放置于高溫爐爐口耐火磚中心孔中，高溫傳感器B放置在接近高溫爐內(nèi)部高溫?zé)犭娕嫉奈恢茫邷貭t內(nèi)部高溫?zé)犭娕脊潭ㄔ跔t膛后壁中心位置，能準(zhǔn)確監(jiān)測爐膛內(nèi)溫度的變化.高溫爐設(shè)定升溫速率為(20±3)℃/min，到達設(shè)定的800℃時即停止加熱并開始降溫.在高溫采集系統(tǒng)的溫度感應(yīng)性驗證試驗過程中，高溫爐膛內(nèi)不放置任何試件.高溫溫度自動采集系統(tǒng)的溫度敏感性測試結(jié)果如圖1所示.

圖1 高溫自動采集系統(tǒng)溫度敏感性測試

由圖1可知，高溫溫度自動采集系統(tǒng)能準(zhǔn)確感應(yīng)出爐膛內(nèi)溫度的變化，且溫差小于5℃.

為更好地了解試件在火災(zāi)高溫過程中混凝土構(gòu)件損壞情況，采集了升溫過程中混凝土試件的中心溫度和表面溫度.混凝土試件為100 mm×100 mm×400 mm，在混凝土成型過程中預(yù)先將高溫傳感器埋入混凝土中心位置，另外在試件表面中心位置放置一個高溫傳感器.采集結(jié)果如圖2所示.

圖2 升溫過程試件中心和表面溫度測試結(jié)果

由圖2可知，采用100 mm×100 mm×400 mm的試件，在0～300℃升溫段，試件表面溫度與中心溫度相差較大，最高相差近200℃;300～800℃升溫過程中，中心溫度和表面溫度相差基本穩(wěn)定在120℃左右，中心溫度達到800℃滯后20 min左右.由此可見，火災(zāi)升溫過程中，混凝土構(gòu)件從內(nèi)到外存在很明顯的溫度梯度.這是導(dǎo)致混凝土爆裂、表面剝落的原因之一.有機纖維均勻亂向分布具有抗裂效果，因此在混凝土中摻入有機合成纖維能明顯降低由溫度梯度引起的混凝土爆裂、剝落現(xiàn)象.

2.2 火災(zāi)高溫后殘余抗壓強度

混凝土高溫后殘余抗壓強度是評估結(jié)構(gòu)災(zāi)后損傷程度的主要依據(jù)，對于判定結(jié)構(gòu)的安全性和制定加固方案有重大影響.筆者主要研究了不同種類纖維經(jīng)過400℃和800℃高溫后對混凝土殘余抗壓強度的影響，試驗結(jié)果如圖3—4所示.

由圖3和圖4可知，經(jīng)過400℃高溫后聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出較高的殘余抗壓強度，纖維素纖維和聚乙烯醇纖維對殘余強度貢獻不明顯;經(jīng)過800℃以后有機合成纖維對殘余強度基本沒有貢獻，甚至由于大量有機纖維熔融后留下了連通孔，導(dǎo)致殘余強度有所降低;在0～800℃升溫過程中發(fā)現(xiàn)不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土表面有明顯爆裂現(xiàn)象，而摻有機合成纖維的混凝土均未發(fā)現(xiàn)爆裂現(xiàn)象.

2.3 火災(zāi)高溫后殘余彎拉性能及斷裂韌性

利用高溫后混凝土試件的彎曲韌性和斷裂能可評價有機纖維對混凝土經(jīng)高溫后性能的影響，試驗結(jié)果如圖5—6所示.根據(jù)圖5—6的荷載－撓度曲線可得出高溫后纖維混凝土殘余彎拉強度及彎曲韌性，見表2和表3.

表2 經(jīng)400℃高溫后纖維混凝土殘余彎拉強度及彎曲韌性試驗結(jié)果

表3 經(jīng)800℃高溫后纖維混凝土殘余彎拉強度及彎曲韌性試驗結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過400℃高溫后纖維混凝土的彎拉強度都比基準(zhǔn)混凝土的高，說明在高溫條件下有機纖維同樣能提高混凝土彎拉性能，其中聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維效果要優(yōu)于纖維素纖維;在斷裂能和斷裂韌性方面，不同纖維提升規(guī)律與常溫條件一致，即聚乙烯醇纖維優(yōu)于纖維素纖維，聚丙烯纖維相對較差.由表3可知:經(jīng)過800℃高溫后纖維混凝土的彎拉強度都比基準(zhǔn)混凝土的高，其中聚丙烯纖維混凝土提高了102.3%，纖維素纖維混凝土提高了26.2%，聚乙烯醇纖維混凝土提高了4.7%;斷裂能方面，經(jīng)過800℃高溫后聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出較好的阻裂效果，其中聚丙烯纖維混凝土提高了132.4%，纖維素纖維混凝土提高了22.8%，聚乙烯醇纖維混凝土提高了30.8%;斷裂韌性方面，經(jīng)過800℃高溫后有機纖維同樣能起到很好的增韌效果，其中摻入聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維效果相對較好;殘余強度方面，摻入纖維后殘余強度都有不同程度的提高，其中摻入聚丙烯纖維的效果最好，強度提高了100%，摻入纖維素纖維強度提高了33.3%，摻入聚乙烯醇纖維強度僅提高了16.7%.

3 機理分析

在實際服役環(huán)境中，高溫爆裂是一種災(zāi)難性破壞，其特征是伴隨著劇烈的爆炸聲，混凝土材料瞬間裂成大小不一的碎塊，但爆裂前卻沒有明顯的先兆.這主要是由于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較密實，孔隙率較低，導(dǎo)熱性能變差，蒸發(fā)通道不暢，水蒸汽較難逸出，蒸汽壓力較大，當(dāng)超過混凝土抗拉強度時，孔隙壓力和熱應(yīng)力共同作用使裂縫貫通，就產(chǎn)生了突發(fā)性爆裂現(xiàn)象，從而發(fā)生爆炸性破壞［8－9］.以上試驗結(jié)果表明，摻入有機纖維對改善混凝土在高溫條件下的抗剝落、抗爆炸、抗開裂性能效果顯著.有機纖維抗爆裂原理:有機纖維熔化后，其液態(tài)體積小于固態(tài)所占空間，于是形成眾多小孔隙;有機纖維分散的均勻性及纖維細小且數(shù)量眾多，使混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，孔隙的連通性加強，為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了通道，緩解了因水分膨脹形成的壓力，從而降低了爆裂的可能性.

研究結(jié)果顯示，與纖維素纖維和聚乙烯醇纖維相比，聚丙烯纖維可使混凝土在400℃階段表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，能提高混凝土殘余抗壓和彎拉強度.其主要原因可歸結(jié)為:聚丙烯纖維分解溫度(409℃)高于纖維素纖維(316℃)和聚乙烯醇纖維(337℃).有機纖維熱分析試驗結(jié)果如圖7所示.溫度達到400℃時，纖維素纖維和聚乙烯醇纖維已經(jīng)基本熔融分解，而聚丙烯纖維才接近分解溫度點，故仍可保持較好的抗裂增韌效果，表現(xiàn)出較好的殘余力學(xué)性能.由于聚丙烯纖維分解溫度要高于纖維素纖維和聚乙烯醇纖維，在經(jīng)過800℃高溫后，聚丙烯纖維混凝土殘余力學(xué)性能同樣優(yōu)于纖維素纖維混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土，因此聚丙烯纖維更適合用于提高隧道管片混凝土的抗爆裂性能.

圖7 有機纖維熱分析結(jié)果

4 結(jié)語

1)火災(zāi)升溫過程中，混凝土構(gòu)件從內(nèi)到外存在很明顯的溫度梯度，這是導(dǎo)致混凝土爆裂、表面剝落的原因之一，有機纖維均勻亂向分布的抗裂效果，在混凝土中摻入有機合成纖維能明顯降低溫度梯度引起的混凝土爆裂、剝落現(xiàn)象.

2)經(jīng)過400℃高溫后聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出較高的殘余抗壓強度，纖維素纖維和聚乙烯醇纖維對殘余強度貢獻不明顯;經(jīng)800℃后有機合成纖維對殘余強度基本沒有貢獻.

3)火災(zāi)高溫條件下，聚丙烯纖維混凝土無論是在彎拉強度、斷裂能、斷裂韌性及殘余強度方面，還是在抗爆裂方面均優(yōu)于聚乙烯醇纖維混凝土和纖維素纖維混凝土.

4)聚丙烯纖維分解溫度高于纖維素纖維和聚乙烯醇纖維，這是聚丙烯纖維混凝土在火災(zāi)高溫條件下殘余力學(xué)性能優(yōu)于纖維素纖維混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土的關(guān)鍵因素，因此聚丙烯纖維更適合用于提高隧道管片混凝土的抗爆裂性能.

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