高溫作用后聚丙烯纖維混凝土的抗凍性

，，

(1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

高溫作用后聚丙烯纖維混凝土的抗凍性

趙軍1，元成方2，張戈3

(1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450001；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

本文開(kāi)展了高溫作用后的聚丙烯纖維混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究分析了高溫與凍融循環(huán)耦合作用下聚丙烯纖維混凝土抗凍性能的退化規(guī)律，采用掃描電子顯微鏡(SEM)研究分析了聚丙烯纖維混凝土細(xì)微觀結(jié)構(gòu)損傷特征。研究表明，高溫對(duì)混凝土的抗凍性有顯著影響，經(jīng)歷溫度越高，混凝土抗凍性越差。高溫和凍融循環(huán)的耦合作用加速了混凝土動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度的衰減，摻入適量的聚丙烯纖維能夠改善和提高混凝土高溫?fù)p傷后的抗凍性能。

高溫； 凍融循環(huán)； 聚丙烯纖維； 混凝土； 抗凍性

1 引 言

聚丙烯纖維不僅能夠有效抑制混凝土的收縮開(kāi)裂，同時(shí)還可提高混凝土的耐火性能，有效減少或消除混凝土高溫時(shí)的爆裂。因此，聚丙烯纖維混凝土在工程中得到了廣泛應(yīng)用。人們?cè)趯?duì)混凝土遇火災(zāi)后的性能研究中，往往重視殘余強(qiáng)度而忽視了高溫作用對(duì)耐久性的影響，也為混凝土結(jié)構(gòu)日后的修復(fù)和正常使用埋下了隱患。在對(duì)混凝土耐久性有較高要求的建筑物或結(jié)構(gòu)中，火災(zāi)高溫對(duì)耐久性的影響更是不可忽視[1-6]。凍融破壞是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要形式之一，抗凍性能是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能評(píng)估的重要指標(biāo)。我國(guó)北方廣大地區(qū)以及南方部分地區(qū)，受凍融循環(huán)作用影響的建(構(gòu))筑物分布極為廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高溫作用后混凝土抗凍性能的研究鮮有報(bào)道。本文將開(kāi)展高溫作用后聚丙烯纖維混凝土抗凍性能試驗(yàn)，采用宏觀與細(xì)微觀分析相結(jié)合的方法，深入研究高溫?fù)p傷與凍融循環(huán)耦合作用下聚丙烯纖維混凝土的性能退化規(guī)律和損傷機(jī)理。

2 試驗(yàn)概況

2.1原材料及配合比

試驗(yàn)采用河南天瑞P.O42.5普通硅酸鹽水泥，技

術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；鄭州裕中電廠II級(jí)粉煤灰，取代量30%，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；粗骨料為粒徑5mm～25mm的連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)骨料為天然河砂(屬中砂)；普通自來(lái)水；外加劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率21%；纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，其長(zhǎng)度19mm、直徑20μm，抗拉強(qiáng)度為350MPa。聚丙烯纖維混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，配合比如表3所示。

2.2試驗(yàn)方法

混凝土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，取出后自然晾干。將混凝土試塊放入高溫爐內(nèi)，目標(biāo)溫度分別為20℃、150℃、400℃、600℃、800℃，升溫速率為10℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫120min，自動(dòng)關(guān)機(jī)停止加熱，試塊隨爐冷卻至室溫。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo) Table 1 Cement technical specifications

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo) Table 2 Fly ash technical specifications

表3 聚丙烯纖維混凝土配合比 Table 3 Polypropylene fiber concrete mix

混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法進(jìn)行。每?jī)鋈谘h(huán)25次，測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度與動(dòng)彈性模量，觀察并記錄混凝土試件的表觀損傷情況。從混凝土中取出水泥石試樣，采用JSM-7500F型掃描電子顯微鏡研究水泥石的微觀形貌。

3 結(jié)果與分析

3.1表觀損傷

凍融破壞在混凝土表面主要體現(xiàn)為剝蝕損傷[7]。凍融循環(huán)作用后，混凝土表面砂漿剝落，出現(xiàn)許多小的坑蝕，然后隨著表面膠凝材料的流失，細(xì)骨料外漏并逐漸剝落，隨著細(xì)骨料的分層脫落，最終使粗骨料脫落、喪失強(qiáng)度直至破壞。凍融循環(huán)作用后混凝土的表面狀態(tài)如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，高溫作用使混凝土表面由青灰色逐漸變?yōu)榛野咨?，但試件表面平整，無(wú)水泥砂漿剝落。經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，不同溫度作用下的混凝土試件均出現(xiàn)了剝蝕現(xiàn)象。凍融循環(huán)25次時(shí)，800℃混凝土試件表皮脫落較多，外觀呈魚(yú)鱗狀。其余各組混凝土試件表面平整、光滑。凍融循環(huán)50次時(shí)，600℃混凝土試件表面水泥砂漿剝落顯著增加,局部有破損，而800℃混凝土試件表面已出現(xiàn)粗骨料外露，且質(zhì)地疏松；其余各組混凝土試件表面較為平整，或存在少量坑蝕。凍融循環(huán)75次時(shí)，800℃混凝土試件已完全破碎，400℃和600℃混凝土試件粗骨料外露，200℃混凝土試件表面水泥砂漿剝落顯著增加，而20℃混凝土試件外觀完整，僅有局部剝蝕。凍融循環(huán)100次時(shí)，400℃和600℃混凝土試件已完全破碎，200℃混凝土試件表面水泥砂漿大量剝落，20℃混凝土試件表面由于水泥砂漿剝落而變得粗糙?？梢?jiàn)，高溫?fù)p傷對(duì)混凝土的抗凍性能有顯著影響，經(jīng)歷的溫度越高，混凝土抗凍性越差。

3.2相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖1 混凝土的表觀損傷(纖維摻量1.2kg/m3)Fig.1 Apparent damage of concrete (fiber content 1.2kg/m3)

混凝土動(dòng)彈性模量是根據(jù)彈性波在混凝土中的傳播速度測(cè)得的彈性模量，是反映混凝土內(nèi)部損傷的重要指標(biāo)，可作為混凝土抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。圖2為混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。

圖2 不同高溫處理的混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)的變化 (a) 20℃; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 600℃; (e) 800℃Fig.2 Relative dynamic elastic modulus of concrete at different temperature (a) 20℃; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 600℃; (e) 800℃

由圖2(a)可見(jiàn)，未經(jīng)歷高溫作用時(shí)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈緩慢下降趨勢(shì)，凍融循環(huán)150次時(shí)，各組混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于或接近90%。經(jīng)歷高溫作用后，混凝土的抗凍性能顯著下降。凍融循環(huán)50次時(shí)，A1、A2組800℃混凝土的動(dòng)彈性模量已無(wú)法測(cè)出，而A3、A4組800℃混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為16%。

聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響分為兩個(gè)階段。未經(jīng)歷高溫作用時(shí)，聚丙烯纖維并未提高混凝土凍融后的動(dòng)彈性模量，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到75次以上時(shí)，纖維混凝土的動(dòng)彈性模量與素混凝土相比，甚至有小幅下降。經(jīng)歷高溫后，聚丙烯纖維摻量1.2kg/m3和1.8kg/m3的兩組纖維混凝土表現(xiàn)出更為優(yōu)異的抗凍性能，而聚丙烯纖維摻量0.6kg/m3的纖維混凝土與素混凝土的抗凍性能相近。

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入適量的聚丙烯纖維能夠減小混凝土凍融后的動(dòng)彈性模量損失。

3.3抗壓強(qiáng)度損失

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)，也是綜合評(píng)價(jià)混凝土性能的重要參數(shù)[9]。圖3為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。

由圖3可見(jiàn)，混凝土經(jīng)歷的最高溫度越高，其抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)的下降也越快。經(jīng)歷800℃高溫后，混凝土的抗凍性已嚴(yán)重退化，已無(wú)法再承受凍融循環(huán)作用。

經(jīng)歷高溫作用前，聚丙烯纖維混凝土凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化與素混凝土相比并無(wú)明顯差異。經(jīng)歷高溫作用后，聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出更佳的抗凍性能。凍融循環(huán)75次時(shí)，經(jīng)歷600℃高溫的素混凝土試件已成粉末狀，喪失力學(xué)性能，而經(jīng)歷相同溫度的A3、A4組聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度仍能保持在20MPa以上，在凍融環(huán)境中表現(xiàn)出了較好的力學(xué)性能。

綜合分析以上試驗(yàn)結(jié)果可知，高溫?fù)p傷和凍融循環(huán)作用加速了混凝土抗凍性能的退化。摻入適量的聚丙烯纖維能夠減少由高溫?fù)p傷和凍融循環(huán)耦合作用引起的混凝土動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失。此次試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯纖維摻量為1.2kg/m3～1.8kg/m3時(shí)，纖維對(duì)混凝土抗凍性能的提高效果相對(duì)較好。

3.4SEM分析

混凝土材料的強(qiáng)度及耐久性劣化都是其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間演化的結(jié)果[10]。通過(guò)掃描電鏡技術(shù)(SEM)可觀察混凝土微觀形貌、材料物相在復(fù)雜環(huán)境(高溫和凍融耦合環(huán)境)因素作用下的變化特征，揭示其宏觀性能演化的本質(zhì)規(guī)律。

圖3 不同高溫處理后混凝土的抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系(a) 20℃; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 600℃; (e) 800℃Fig.3 Compressive strength of concrete

圖4為聚丙烯纖維摻量1.2kg/m3的混凝土水泥石試樣SEM圖片。由圖4(a)可見(jiàn)，凍融循環(huán)前，20℃混凝土內(nèi)部存在大量未充分水化的粉煤灰球狀顆粒體，C-S-H(水化硅酸鈣)凝膠體呈簇狀堆積，水泥石結(jié)構(gòu)密實(shí)。經(jīng)歷600℃高溫后，混凝土中的結(jié)晶水、化合水等逐漸失去，水化產(chǎn)物受熱分解，混凝土內(nèi)部孔隙增多、微裂縫增大且逐漸貫通。聚丙烯纖維分解并燃燒，在混凝土內(nèi)部留下大量聯(lián)通孔道，使混凝土氣滲性得到很大改善，混凝土內(nèi)部的水氣和由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽壓得到有效釋放[11](見(jiàn)圖4(b))，減小了高溫給混凝土帶來(lái)的損傷。經(jīng)歷高溫與凍融循環(huán)的耦合作用后，混凝土內(nèi)部微裂縫的寬度顯著增大，水泥石結(jié)構(gòu)變得更為疏松(見(jiàn)圖4(c))，因而造成混凝土動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度大幅下降。

圖4 A3水泥石的掃描電鏡照片(a) 無(wú)損傷； (b) 高溫后； (c) 高溫與凍融耦合作用后Fig.4 SEM images of cement stone(a) no damage; (b) after high temperature; (c) after high temperature and freeze-thaw coupling

4 結(jié) 論

1.高溫對(duì)混凝土的抗凍性有顯著影響，經(jīng)歷溫度越高，混凝土抗凍性越差。在高溫和凍融循環(huán)耦合作用下，混凝土內(nèi)部損傷加劇，動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度大幅下降。

2.摻入適量的聚丙烯纖維能夠減少由高溫?fù)p傷和凍融循環(huán)耦合作用引起的混凝土動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失。

3.聚丙烯纖維摻量為1.2kg/m3～1.8kg/m3時(shí)，纖維對(duì)混凝土抗凍性能的提高效果相對(duì)較好。

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FrostDurabilityofPolypropyleneFiberConcreteafterHighTemperatureTreatment

ZHAOJun1,YUANChengfang2,ZHANGGe3

(1.SchoolofMechanicsandEngineeringScience,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;3.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Freeze-thaw cycle test of polypropylene fiber reinforced concrete suffered high temperature was carried out. Degradation behavior of polypropylene fiber reinforced concrete was analyzed, which was suffered the high temperature and freeze-thaw cycle coupling effect. Meanwhile, the microstructure damage of polypropylene fiber reinforced concrete was analyzed by Scanning Electron Microscopy(SEM) test. Studies shows that, high temperature damage has a significant impact on the frost resistance of concrete, suffered the higher temperature, the concrete frost resistance is getting worse. Concrete elastic modulus and compressive strength are both accelerating decay for coupling interactions of high temperature and freeze-thaw cycles. However, appropriate amount of polypropylene fibers will improve the frost resistance of concrete suffered high temperature.

high temperature; freeze thaw cycle; polypropylene fibers; concrete; frost resistance

TU528

：ADOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.04.004

2016-03-14；

：2016-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408553)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(152102210033)

趙 軍(1971-)，男，河南漯河人，教授，博導(dǎo)，主要從事高性能混凝土材料及結(jié)構(gòu)研究。E-mail：zhaoj@zzu.edu.cn。

元成方(1983-)，男，河南鄭州人，副教授，博士，主要從事工程材料及結(jié)構(gòu)耐久性研究。E-mail：chengfang1102@126.com。

1673-2812(2017)04-0534-05