鋼纖維活性粉末混凝土高溫后抗壓力學(xué)性能研究

秦李林

鋼纖維活性粉末混凝土高溫后抗壓力學(xué)性能研究

秦李林

（太原市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，山西太原030009）

對(duì)活性粉末混凝土（RPC）立方體試件高溫后抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，探討了鋼纖維摻量對(duì)RPC爆裂性能及抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，鋼纖維可以有效提高RPC常溫及高溫后的抗壓強(qiáng)度，2%～3%的鋼纖維摻量可以有效防止RPC在較高溫度下發(fā)生爆裂。20～300℃時(shí)，RPC高溫后抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高不斷提高，最大增幅可達(dá)24.55%；300～800℃時(shí)，RPC高溫后抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高不斷降低，經(jīng)受800℃高溫的RPC最低殘余強(qiáng)度僅為19.2%。基于試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸分析給出了鋼纖維摻量為2%～3%的RPC高溫后抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式。

活性粉末混凝土；高溫；抗壓強(qiáng)度；鋼纖維

0　前言

隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)逐步向超高層、大跨度體系形式發(fā)展，建筑業(yè)對(duì)于建筑材料力學(xué)性能的要求也隨之提高?；钚苑勰┗炷粒≧PC）作為一種新興混凝土，其強(qiáng)度高、收縮變形小、長(zhǎng)期受荷徐變小、韌性大、耐久性優(yōu)良［1-2］。

RPC起源于20世紀(jì)90年代，之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐步開(kāi)始對(duì)RPC基本力學(xué)性能展開(kāi)研究。1995年，Richard和Cheytezy［3］通過(guò)對(duì)RPC配合比的不斷優(yōu)化及養(yǎng)護(hù)條件的改善，成功配制出200 MPa及800 MPa的RPC。1997年，RPC首次應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)——加拿大人行桁架橋，該橋使用RPC構(gòu)件拼裝完成，并未使用鋼筋，RPC較高的強(qiáng)度有利于減小構(gòu)件尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，至今該桁架橋仍保持較好的狀態(tài)［4-5］。2001年，Jackie Voo等［6］基于已有研究成果，對(duì)RPC采取90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)，成功配制出150 MPa強(qiáng)度等級(jí)的RPC。2008年，Halit等［7］采用粉煤灰及高爐礦渣對(duì)RPC配方做出進(jìn)一步改進(jìn)，采用高溫（210℃）、高壓（2 MPa）養(yǎng)護(hù)方式，得出了較為理想的配比。2009年，Halit等［8］對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件的RPC混凝土力學(xué)性能展開(kāi)研究，結(jié)果表明，蒸壓養(yǎng)護(hù)可以提升RPC的抗壓強(qiáng)度，但對(duì)其抗折強(qiáng)度及韌性有不利影響。

目前，對(duì)于常溫下RPC基本力學(xué)性能的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)于RPC高溫力學(xué)性能的研究則相對(duì)較少［9-10］?；炷粮邷睾罅W(xué)性能的研究對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的損傷評(píng)估及鑒定加固意義重大。高強(qiáng)混凝土表觀致密，其耐高溫性能往往弱于普通混凝土，在急速升溫下極易發(fā)生爆裂［11］。相關(guān)研究已表明，在高強(qiáng)混凝土中摻入一定量的鋼纖維，有利于改善高強(qiáng)混凝土的高溫力學(xué)性能，有效避免火災(zāi)下高強(qiáng)混凝土發(fā)生爆裂［12］。

本文旨在對(duì)RPC高溫后力學(xué)性能展開(kāi)研究，探討不同鋼纖維摻量對(duì)RPC試件破壞形態(tài)、爆裂性能及抗壓性能的影響，建立高溫后RPC抗壓強(qiáng)度隨溫度變化公式，并與普通混凝土試驗(yàn)相關(guān)成果進(jìn)行對(duì)比，為RPC結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：太原獅頭水泥廠“獅頭牌”P·O42.5水泥，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；硅灰：比表面積21 050 m2/kg，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；石英砂：粒徑0.18～0.60mm（40～140目），SiO2含量大于99%；鋼纖維：平均長(zhǎng)度13 mm，直徑0.20～0.22 mm；減水劑：FDN萘系濃縮高效減水劑，山東某廠生產(chǎn)，減水率25%～30%；水：自來(lái)水。

表1　水泥及硅灰的主要化學(xué)成分%

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試件制備

本試驗(yàn)所用配合比如表2所示。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)針對(duì)RPC基本力學(xué)性能測(cè)試的統(tǒng)一試驗(yàn)方法，參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，同時(shí)考慮RPC不含粗骨料，其各組分分布相對(duì)均勻，RPC抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試件共制作108塊，測(cè)試20～800℃高溫后RPC的抗壓強(qiáng)度。RPC攪拌采用臥式強(qiáng)制攪拌機(jī)，攪拌時(shí)先將水泥、硅灰、石英砂及減水劑倒入攪拌機(jī)攪拌180 s，隨后再加入水?dāng)嚢?60 s，最后加入鋼纖維攪拌240 s。將攪拌好的RPC漿體倒入鋼模，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)密實(shí)成型，靜置1 d后脫模，然后移入養(yǎng)護(hù)箱90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)72 h，再將蒸汽養(yǎng)護(hù)完畢的試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)56 d。養(yǎng)護(hù)完成的試塊取出后置于實(shí)驗(yàn)室自然晾干，28 d后開(kāi)始進(jìn)行高溫力學(xué)性能測(cè)試。

表2　RPC的配合比

1.3試驗(yàn)設(shè)備

（1）高溫試驗(yàn)：采用SX2-16-10電爐，爐膛尺寸為500mm× 400 mm×400 mm，功率為16 kW，最高溫度1000℃。為防止升溫過(guò)程中試件發(fā)生爆裂，升溫速度設(shè)定為5℃/min，所有試件在試驗(yàn)開(kāi)始前提前100℃烘干24 h，試驗(yàn)溫度等級(jí)設(shè)定為20、100、200、300、400、500、600、700及800℃。電爐升溫達(dá)到指定溫度后恒溫2 h。試件冷卻方式為在爐內(nèi)冷卻至試件內(nèi)部溫度低于100℃，隨后取出試件置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)：采用YAW-2000kN微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2　RPC高溫試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1試件爆裂現(xiàn)象

試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，不同鋼纖維摻量對(duì)RPC爆裂性能影響明顯。不摻鋼纖維時(shí)，當(dāng)溫度升至500℃時(shí)RPC-0試件發(fā)生爆裂，爆裂同時(shí)發(fā)出巨響；鋼纖維摻量為1%時(shí)，溫度升至600℃時(shí)RPC-1試件同樣發(fā)生爆裂；鋼纖維摻量為2%和3%時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，RPC-2、RPC-3試件并未發(fā)生爆裂。可見(jiàn)，鋼纖維摻量的提高對(duì)抑制RPC高溫爆裂效果顯著，這主要是由于鋼纖維摻量的增加可以提高RPC的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)鋼纖維的摻入有利于緩解試件溫度梯度及隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維摻量大于2%時(shí)，可以有效地抑制RPC的爆裂。

2.2試件表觀變化

通過(guò)對(duì)高溫后RPC試件的觀察可知，不同鋼纖維摻量的RPC試件外觀變化基本一致。以RPC-3試件為例，20～300℃時(shí)，試件外觀呈青灰色，表面無(wú)裂縫產(chǎn)生；400℃時(shí)，試件外觀呈紅褐色，表面出現(xiàn)少量微裂縫；500～600℃時(shí)，試件外觀呈灰褐色，表面出現(xiàn)較多細(xì)長(zhǎng)裂縫；700～800℃時(shí)，試件外觀呈灰白色，疏松掉皮，鋼纖維質(zhì)脆易斷，表面出現(xiàn)大量網(wǎng)狀寬裂縫，部分混凝土燒結(jié)。

2.3試件質(zhì)量損失

高溫后RPC試件的質(zhì)量損失如圖1所示。

圖1　高溫后RPC試件的質(zhì)量損失

從圖1可知，不同鋼纖維摻量的RPC質(zhì)量損失率較為接近，鋼纖維摻量的變化對(duì)RPC質(zhì)量損失率影響較小。當(dāng)溫度低于200℃時(shí)，RPC質(zhì)量損失主要是混凝土毛細(xì)水的散發(fā)；200℃時(shí)，不同鋼纖維摻量的RPC平均質(zhì)量損失率為2.27%；200～400℃時(shí)，RPC的質(zhì)量損失明顯變快，此階段RPC質(zhì)量損失主要?dú)w因于凝膠水的散發(fā)；400℃時(shí)，不同鋼纖維摻量的RPC平均質(zhì)量損失率為8.12%；400～800℃時(shí)，RPC質(zhì)量損失速度明顯減緩，400～600℃時(shí)RPC質(zhì)量損失主要由于氫氧化鈣脫水分解，600～800℃時(shí)RPC質(zhì)量損失主要是由于水化硅酸鈣的分解；800℃后RPC的平均質(zhì)量損失率為10.60%。

3　RPC試件力學(xué)性能測(cè)試

3.1RPC的破壞特征

通過(guò)對(duì)試樣的觀察，不同鋼纖維摻量對(duì)RPC的破壞形態(tài)有一定的影響。對(duì)于未摻鋼纖維的RPC-0試件，破壞時(shí)呈現(xiàn)急劇的突然脆性破壞，試件破壞時(shí)發(fā)出巨響，同時(shí)崩裂出較多碎塊。隨著鋼纖維摻量的增加，RPC的脆性破壞有所減緩，摻加鋼纖維的RPC試件破壞前可明顯聽(tīng)到鋼纖維撕裂的聲音，隨后才會(huì)發(fā)出突然巨響，試件破壞，破壞時(shí)試件整體性也變得更好。分析可知，鋼纖維摻量的增大，有利于緩解RPC試件的脆性破壞，這主要是鋼纖維與水泥基體粘結(jié)良好，其對(duì)于抑制試件裂縫開(kāi)展也有一定積極作用，同時(shí)由于鋼纖維對(duì)裂縫的橋架作用，在試件開(kāi)裂后，鋼纖維可以傳遞橋架裂縫兩側(cè)水泥基體荷載。

不同溫度對(duì)RPC的破壞形態(tài)也有一定的影響，當(dāng)溫度較低時(shí)，RPC試件破壞時(shí)發(fā)出巨響，試件呈現(xiàn)明顯的脆性破壞，而隨著溫度的升高，當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，RPC破壞時(shí)的聲響有所降低，試件呈現(xiàn)出一定塑性破壞的形態(tài)。

3.2RPC的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表3）

表3　不同溫度后RPC試件的抗壓強(qiáng)度MPa

由表3可知，鋼纖維摻量對(duì)RPC的抗壓強(qiáng)度影響較為明顯，隨著鋼纖維摻量的增加，RPC的抗壓強(qiáng)度有所提高。當(dāng)溫度為20℃時(shí)，RPC-1、RPC-2、RPC-3的抗壓強(qiáng)度較RPC-0分別提高了7.87%、18.90%、21.64%；當(dāng)溫度為400℃時(shí)，RPC-1、RPC-2、RPC-3的抗壓強(qiáng)度較RPC-0分別提高了7.23%、24.95%、34.93%。鋼纖維摻量的增加對(duì)RPC抗壓強(qiáng)度的提升主要是由于鋼纖維對(duì)RPC試件裂縫開(kāi)展的抑制作用，鋼纖維彈性模量高于水泥基體5倍，其與水泥基體粘結(jié)良好，可以有效抑制裂縫的開(kāi)展。當(dāng)試件開(kāi)裂后，鋼纖維有助于傳遞開(kāi)裂面之間的荷載，而當(dāng)試件即將破壞時(shí)，鋼纖維的拔出則可以耗散大量的能量。對(duì)比不同溫度后RPC的抗壓強(qiáng)度可知，20～300℃時(shí)，RPC高溫后抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高不斷增大，300～400℃時(shí)，RPC的抗壓強(qiáng)度略有降低，而當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，RPC的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始迅速下降。當(dāng)溫度為400℃時(shí)，RPC-0、RPC-1、RPC-2、RPC-3的抗壓強(qiáng)度較20℃時(shí)分別提高了9.83%、9.18%、15.43%、21.83%；當(dāng)溫度為800℃時(shí)，RPC-2、RPC-3的抗壓強(qiáng)度較20℃時(shí)分別降低了80.80%、77.24%。20～300℃時(shí)RPC強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要?dú)w結(jié)于RPC的二次養(yǎng)護(hù)過(guò)程，由于RPC摻有大量的硅灰，在一定溫度的作用下，可以促進(jìn)水泥進(jìn)一步水化及火山灰反應(yīng)，減少RPC內(nèi)部氫氧化鈣等對(duì)強(qiáng)度的不利影響，強(qiáng)度呈現(xiàn)繼續(xù)增長(zhǎng)；400～800℃時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度隨著溫度而急劇降低，這主要?dú)w結(jié)于RPC內(nèi)水分的蒸發(fā)及氫氧化鈣、水化硅酸鈣等的分解對(duì)強(qiáng)度造成不利影響。

3.3高溫后RPC抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式

不同溫度后RPC-0、RPC-1、RPC-2、RPC-3試件的殘余抗壓強(qiáng)度比（不同溫度后混凝土強(qiáng)度與常溫下混凝土強(qiáng)度的比值）如圖2所示。

圖2　RPC高溫后的殘余抗壓強(qiáng)度比

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出鋼纖維摻量為2%～3%的RPC立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式見(jiàn)式（1），擬合公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

式中：fc，T——不同溫度后RPC的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；

fc——常溫下RPC的抗壓強(qiáng)度，MPa；

T——溫度，℃；

R2——相關(guān)系數(shù)。

圖3　高溫后RPC殘余強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系

3.4高溫后RPC抗壓強(qiáng)度與普通混凝土對(duì)比分析

高溫后RPC的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土對(duì)比見(jiàn)圖4。圖中RPC殘余抗壓強(qiáng)度比計(jì)算式為文中擬合的曲線式（1），普通混凝土高溫后殘余抗壓強(qiáng)度比計(jì)算式選取李衛(wèi)和吳波等［13-14］的研究成果，分別為曲線2和曲線3。

圖4　RPC與普通混凝土高溫后相對(duì)抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由圖4對(duì)比可知，不同溫度后RPC的抗壓強(qiáng)度要高于普通混凝土，這主要是由于RPC不含粗骨料，這避免普通混凝土中粗骨料與水泥漿熱不相容引起的應(yīng)力集中。此外，RPC中的硅灰等均有利于提高0～400℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)鋼纖維的摻加也是使得RPC相對(duì)抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土的原因之一。

4　結(jié)論

（1）未摻鋼纖維的RPC在升溫至500℃時(shí)發(fā)生爆裂，摻加2%～3%的鋼纖維可以有效抑制RPC的爆裂，同時(shí)可提高RPC的常溫及高溫后立方體抗壓強(qiáng)度。

（2）RPC試件破壞形態(tài)受溫度影響較為明顯，當(dāng)溫度較低時(shí)，RPC試件呈現(xiàn)突然脆性破壞，破壞時(shí)發(fā)出巨響，而當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，RPC呈現(xiàn)出塑性破壞。鋼纖維的摻入對(duì)改善RPC脆性破壞有一定積極作用。

（3）20～300℃時(shí)，RPC的抗壓強(qiáng)度隨著溫度升高而增大，300℃時(shí)RPC抗壓強(qiáng)度最大增幅為24.55%；300～400℃時(shí)，RPC高溫后抗壓強(qiáng)度略有降低，降幅小于5%；400～800℃時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度呈線性迅速降低，800℃時(shí)RPC最低相對(duì)抗壓強(qiáng)度為19.2%。

（4）通過(guò)與現(xiàn)有普通混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度研究成果對(duì)比，RPC高溫后相對(duì)抗壓強(qiáng)度明顯高于普通混凝土。

（5）通過(guò)回歸分析，給出了鋼纖維摻量為2%～3%的RPC高溫后立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式。

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Experimental research of compressive strength of reactive powder concrete with steel fiber after elevated temperatures

QIN Lilin
（Taiyuan Residence and Urban Construction Committee，Taiyuan 030009，Shanxi，China）

In order to explore compression properties of the reactive powder concrete（RPC）after high temperature，compression test are conducted on RPC cube specimens.Effect of steel fiber on compression strength and explosive spalling of RPC is talked.The experimental results show that the compressive strength of RPC can be enhanced by steel fiber both during room temperature and after high temperatures.With a 2%～3%content of steel fiber，the explosive spalling of RPC can be prevented.At 20～300℃，the compressive strength of RPC grows with temperature，and the largest amount of increase is 24.55%；During 300～800℃，the compressive strength decreases with increase of temperature，the residual compressive strength at 800℃is just 19.2%. Through regression analysis，equations to describe the relation of compressive and temperature are established.

reactive powder concrete，high temperature，compressive strength，steel fiber

TU528

A

1001-702X（2015）12-0040-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50778118）

2015-07-22；

2015-08-31

秦李林，男，1963年生，山西壺關(guān)人，高級(jí)工程師。