PP纖維對(duì)全輕混凝土的靜力性能改善效果

高凌峰,文 豪,姜文亮,趙向陽(yáng)

(1.河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000； 2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

PP纖維對(duì)全輕混凝土的靜力性能改善效果

高凌峰1,2,文 豪1,2,姜文亮1,2,趙向陽(yáng)2

(1.河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000； 2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為探討PP(聚丙烯)纖維對(duì)全輕頁(yè)巖陶?；炷粮邷睾蟮男阅苡绊?，以LC30為例，對(duì)PP纖維混凝土進(jìn)行了高溫爆裂試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)定混凝土實(shí)驗(yàn)前后抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，并與全輕混凝土(ALWC)的高溫性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，摻入摻量為0.9 kg/m3的PP纖維后，混凝土在各個(gè)目標(biāo)溫度作用下均未發(fā)生爆裂現(xiàn)象，PP纖維混凝土的殘余強(qiáng)度損失均小于全輕混凝土。

全輕混凝土；PP纖維；高溫性能；爆裂；殘余強(qiáng)度

混凝土在高溫下的爆裂現(xiàn)象和高溫后力學(xué)性能的損失與恢復(fù)是目前研究混凝土高溫性能的重點(diǎn)[1-2]。在火災(zāi)中，混凝土的爆裂會(huì)引起保護(hù)層脫落，鋼筋外露，破壞結(jié)構(gòu)的整體性。而力學(xué)性能會(huì)隨著混凝土內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)改變而逐漸降低，使得結(jié)構(gòu)的承載能力降低。因此，提高混凝土的抗爆裂性能是保證混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一個(gè)重要方向。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[3]。它在國(guó)際工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)混凝土工程中也逐漸被人們接受。吳熙等[4]的研究表明，輕骨料混凝土的抗爆裂性能比普通混凝土較差。鞠麗艷等[5]的研究表明，聚丙烯纖維混凝土與不摻聚丙烯纖維的普通混凝土相比，抗壓強(qiáng)度影響不大，抗折強(qiáng)度有所提高，高溫下動(dòng)彈性模量損失降低，混凝土的抗爆裂性能得到改善。

鑒于混凝土的高溫性能在實(shí)際工程中的重要性，本文通過(guò)測(cè)定混凝土實(shí)驗(yàn)前后抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，并和未加纖維的普通全輕混凝土的高溫性能進(jìn)行對(duì)比。探究聚丙烯纖維對(duì)全輕混凝土高溫抗爆性能的改善機(jī)理，為全輕混凝土在結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)方面提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

(1) 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用焦作堅(jiān)固牌P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為焦作電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；頁(yè)巖陶粒(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陶粒)和頁(yè)巖陶砂(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陶砂)均為洛陽(yáng)正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，前者最大粒徑為15 mm，堆積密度755 kg/m3，筒壓強(qiáng)度3.6 MPa；后者堆積密度806 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為3.2；減水劑為萘系高效復(fù)合減水劑，摻量為膠凝材料總量的0.45%；纖維采用山東泰安智榮工程材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯束狀單絲纖維，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1，水為自來(lái)水。

表1 聚丙烯纖維的物理力學(xué)性能指標(biāo)

(2) 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)中的松散體積法，初步確定LC30配合比的基本范圍，然后通過(guò)正交試驗(yàn)的方法確定配合比，如表2所示。其中，坍落度為195～230 mm。

表2 LC30 PP纖維全輕混凝土的配合比與強(qiáng)度值

注：W/B表示水膠比；fcu28d表示28 d立方體抗壓強(qiáng)度/MPa；fst28d表示28d劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa。

(3) 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

PP纖維全輕混凝土在經(jīng)歷不同溫度加熱后，試件表觀顏色變化和全輕混凝土呈現(xiàn)出不同的變化。當(dāng)加熱到100 ℃時(shí)，由于混凝土的自由水蒸發(fā)爐口處出現(xiàn)了白霧；200～300 ℃時(shí)，混凝土的結(jié)合水繼續(xù)蒸發(fā)使?fàn)t口處出現(xiàn)大量白霧，試件的顏色呈灰褐色，表面狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化；從400 ℃開(kāi)始，顏色呈灰白色，并出現(xiàn)少量細(xì)微裂縫；600 ℃時(shí)，顏色由灰白色變?yōu)榘咨?，裂縫增加，并有黑色燃燒痕跡，但PP纖維全輕混凝土試件依然保持完整。

2.2 PP纖維對(duì)高溫后全輕混凝土抗壓強(qiáng)度損失影響

表3 高溫后全輕混凝土立方體抗壓強(qiáng)度 MPa

注：fcu,PP表示高溫后聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度值，摻量以下類(lèi)同。

表4 高溫后全輕混凝土軸心抗壓強(qiáng)度 MPa

注：fc,PP表示高溫后聚丙烯纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度值。

α=1.001+3.075×10-4T，T≤200℃，R2=0.781 8

(1)

α=1.409-1.840×10-3T，200℃≤T≤400℃，R2=0.964 3

(2)

αpp=1.003 3+6.594×10-4T，T≤200℃，R2=0.683 2

(3)

αpp=1.506-1.927×10-3T，200℃≤T≤600℃，R2=0.964 9

(4)

β=1.041-9.599×10-4T，20℃

(5)

βpp=1.120-1.210×10-3T，20℃

(6)

圖1 高溫后全輕混凝土的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)

由圖1可知：隨著溫度升高，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高，到200 ℃時(shí)，PP纖維混凝土殘余抗壓強(qiáng)度提高了12%，全輕混凝土殘余抗壓強(qiáng)度提高了5%，PP纖維混凝土殘余抗壓強(qiáng)度明顯高于全輕混凝土。200 ℃以后，兩種混凝土抗壓強(qiáng)度急劇下降，而且抗壓強(qiáng)度損失變化趨勢(shì)相似。PP纖維混凝土達(dá)到600 ℃高溫時(shí)，剩余抗壓強(qiáng)度為常溫時(shí)的34%；兩種混凝土軸心抗壓強(qiáng)度呈直線下降趨勢(shì)，PP纖維對(duì)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度影響不大。

2.3 PP纖維對(duì)高溫后全輕混凝土劈拉強(qiáng)度損失影響

試驗(yàn)測(cè)得混凝土立方體試塊在高溫后的劈拉強(qiáng)度值，結(jié)果如表5所示。高溫后混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律，分別如式(7) 、式(8)和圖2所示。

表5 高溫后全輕混凝土劈拉強(qiáng)度 MPa

圖2高溫后全輕混凝土劈拉強(qiáng)度的變化規(guī)律圖3高溫后全輕混凝土的劈拉強(qiáng)度折減系數(shù)

γ=1.017-9.357×10-4T，20℃

(7)

γpp=1.069-1.130×10-4T，20℃

(8)

由圖2可知：隨著溫度的升高，全輕混凝土與PP纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度幾乎呈線性下降趨勢(shì)，且下降幅度差別不大，但PP纖維混凝土在各個(gè)溫度范圍內(nèi)的劈拉強(qiáng)度值要高于全輕混凝土。在20 ℃時(shí)，聚丙烯纖維混凝土劈拉強(qiáng)度是全輕混凝土的1.19倍，溫度升高至400 ℃時(shí)，聚丙烯纖維混凝土劈拉強(qiáng)度是全輕混凝土的1.25倍，這也說(shuō)明了聚丙烯纖維可以改善高溫環(huán)境下混凝土的劈拉性能。由圖3可知：在目標(biāo)溫度內(nèi)，PP纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度損失小于全輕混凝土。

2.4 PP纖維對(duì)高溫后全輕混凝土彈性模量損失影響

本次高溫試驗(yàn)彈性模量是采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上σ=0.4fc時(shí)所對(duì)應(yīng)的割線模量作為近似初始彈性模量，其結(jié)果如表6所示，變化規(guī)律分別如圖4、圖5和式(9) 、式(10)所示。

表6 高溫后全輕混凝土彈性模量 GPa

圖4高溫后全輕混凝土彈性模量的變化規(guī)律圖5高溫后全輕混凝土的彈性模量折減系數(shù)

δ=1.039-1.130×10-3T，20℃

(9)

δpp=1.084-1.260×10-3T，20℃

(10)

由圖4可以看出：摻入聚丙烯纖維全輕混凝土的彈性模量要小于普通全輕混凝土，在20 ℃時(shí)，聚丙烯纖維混凝土彈性模量是全輕混凝土的80%，從100 ℃至400 ℃，在各個(gè)目標(biāo)溫度時(shí)，聚丙烯纖維混凝土彈性模量分別是全輕混凝土的82.2%、83.9%、83.1%、89.7%，為了提高全輕混凝土的彈性模量今后可以考慮混摻聚丙烯纖維和鋼纖維[7]。

由圖5可以看出：高溫后混凝土彈性模量隨著溫度的升高逐漸降低。溫度的持續(xù)增高造成混凝土內(nèi)部損傷裂縫增多，組織松弛，加之孔隙水失去吸附力，加速了裂縫的擴(kuò)展，從而造成彈性模量減小，變形不斷增大。摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土彈性模量損失有所減緩，但是效果不明顯。

2.5 PP纖維對(duì)高溫后全輕混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線損失影響

本文采用最小二乘法對(duì)全輕混凝土及PP纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程采用文獻(xiàn)[8]所提出的方程且分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，如式(11)所示。常溫時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線方程可采用文獻(xiàn)[6]所給出的公式。

=2x-x2，x=≤1.0，T≤600℃，R2=0.894 6 (11)

不同高溫后，全輕混凝土及PP纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 高溫后全輕混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于全輕混凝土在高溫環(huán)境下脆性較大，很難測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段，而PP纖維可以顯著提高混凝土抗拉強(qiáng)度、韌性、延性等，故可以測(cè)得高溫后PP纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，且高溫后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常溫下應(yīng)力-應(yīng)變基本相似，但PP纖維混凝土在400 ℃之后，強(qiáng)度下降明顯，脆性增大，因而也無(wú)法測(cè)得其應(yīng)力-應(yīng)變下降段。從圖6可以看出：隨著溫度的提高，PP纖維混凝土和全輕混凝土應(yīng)力-曲線漸趨平緩，峰值應(yīng)力逐漸降低，但是PP纖維混凝土應(yīng)力-曲線上升段曲線斜率相較于全輕混凝土更大一些。這也反映了PP纖維可以顯著提高混凝土抗拉強(qiáng)度、韌性、延性的優(yōu)點(diǎn)。

3 PP纖維對(duì)全輕混凝土高溫抗爆裂機(jī)理的探討

目前對(duì)混凝土高溫爆裂機(jī)理研究較多，但普遍認(rèn)同的爆裂機(jī)理分別是蒸汽壓原理和熱應(yīng)力原理[9-11]。其中，蒸汽壓原理認(rèn)為孔隙壓力是導(dǎo)致混凝土高溫爆裂的主要因素，隨著溫度升高，其內(nèi)部的自由水和結(jié)合水開(kāi)始蒸發(fā)并移動(dòng)至溫度較低的部位，但因內(nèi)部孔隙的非連通性而受阻擋，并最終導(dǎo)致孔隙壓力增大而發(fā)生爆裂。而熱應(yīng)力原理則認(rèn)為混凝土的熱惰性，使混凝土內(nèi)部溫度不均勻，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生兩相或三相熱應(yīng)力，且隨溫度升高而增大，直至發(fā)生爆裂。

相對(duì)于未加纖維的全輕混凝土，PP纖維全輕混凝土的抗爆裂性能得到了很大的提升，其原因是當(dāng)摻入聚丙烯纖維后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。由于聚丙烯纖維熔點(diǎn)為170 ℃左右，隨著溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到聚丙烯纖維的熔點(diǎn)溫度時(shí)，聚丙烯纖維揮發(fā)逸出，并在混凝土內(nèi)部留下了相當(dāng)于纖維所占體積的通道，且這些通道均勻分布在混凝土中，這對(duì)于混凝土內(nèi)由于溫度升高所產(chǎn)生的水蒸氣和熱量的排出都是很有利的，降低了混凝土內(nèi)部蒸汽壓力和溫度梯度，緩解了混凝土內(nèi)部壓力，從而降低了爆裂發(fā)生的概率。此外，在聚丙烯纖維熔化之前，由于其在硬化水漿中的雜亂分布，使得混凝土內(nèi)部存在許多微觀裂縫，也利于緩解混凝土內(nèi)部孔壓力[12]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)LC30PP纖維全輕頁(yè)巖陶?；炷恋母邷卦囼?yàn)，分析了高溫后PP纖維對(duì)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線劣化性能的改善效果以及爆裂機(jī)理的探討，得到了以下結(jié)論：

(1) 在各個(gè)目標(biāo)溫度下PP纖維對(duì)全輕混凝土的抗壓強(qiáng)度均略有提高，對(duì)劈拉強(qiáng)度提高明顯，而軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量則直接呈下降趨勢(shì)；其變化規(guī)律與全輕混凝土基本一致；

(2) 混凝土試件未爆裂前，PP纖維混凝土高溫后殘余強(qiáng)度損失比全輕混凝土要小；

(3) 單摻PP纖維會(huì)降低全輕混凝土的彈性模量，為了提高混凝土的彈性模量可以考慮混摻PP纖維、鋼纖維；

(4)PP纖維混凝土在各個(gè)目標(biāo)溫度作用下均未發(fā)生爆裂現(xiàn)象，即PP纖維混凝土具有良好的抗爆裂性能。

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ImprovementeffectofPPfiberonstaticperformanceofALWC

GAO Ling-feng1,2, WEN Hao1,2, JIANG Wen-liang1,2, ZHAO Xiang-yang1,2

(1.ConstructionofEcologicalArchitectureandEnvironmentofHenanProvinceEngineeringLaboratory,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,Henan,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

In order to investigate the effect of PP fiber on the properties of full lightweight shale ceramsite concrete, a high temperature burst test of PP fiber reinforced concrete was carried out with LC30 as an example. By measuring the compressive strength, axial compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus and uniaxial compressive stress-strain curve of concrete before and after the experiment, the comparison with the high temperature performance of all-lightweight concrete (ALWC) was carried out. The results showed that the concrete had no burst phenomenon under the action of different target temperature after adding 0.9kg/m3 pp fiber, and the residual strength loss of PP fiber concrete was less than that of ALWC.

ALWC; PP fiber; High temperature performance; spalling; residual strength

2017-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172317)

高凌峰(1991—)，男，河南焦作人，碩士。

1674-7046(2017)05-0057-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.011

TU528.2，TU502+.6

A