摻聚丙烯纖維活性粉末混凝土高溫后力學(xué)性能研究

李根

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619）

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）是以水泥、礦物摻合料作為膠凝材料，摻入石英砂、外加劑及纖維等形成的多相復(fù)合材料[1-2]。RPC有著超高的強度、韌性及耐久性能，在橋梁、核能等多個工程領(lǐng)域得到應(yīng)用[3-4]。隨著高強、超高強混凝土應(yīng)用的日趨廣泛，其材料的抗火性能得到了廣泛關(guān)注。李海艷等[5-6]研究了不同纖維、試件尺寸、溫度等對RPC高溫后力學(xué)性能的影響，給出了不同溫度后RPC立方體抗壓強度計算公式。劉紅彬等[7]對RPC高溫爆裂性能展開研究，建立了RPC爆裂臨界溫度及時間、空間的模型關(guān)系。王立聞等[8]對高溫后RPC動力學(xué)性能展開研究，建立高溫后RPC材料的率型本構(gòu)模型。朋改非等[9-10]研究了超高性能混凝土高溫爆裂及力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)：含粗骨料超高性能混凝土抗爆裂性能要優(yōu)于活性粉末混凝土。

聚丙烯纖維是較為常見的低熔點有機纖維，可以用于改善混凝土的高溫爆裂及力學(xué)性能。本研究分析了聚丙烯纖維摻量對RPC高溫爆裂及強度的影響，并提出高溫后外摻聚丙烯纖維RPC抗壓強度、抗拉強度的計算公式。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，28 d抗壓強度51.4 MPa；石英砂：40～140目，級配良好，SiO2含量>99.0%；硅灰：SiO2含量94.30%，比表面積21 020 m2/kg；聚丙烯纖維：束狀單絲，纖維長度為12 mm，基本物理性能如表1所示；減水劑：FDN萘系高效減水劑，減水率35%；自來水。

表1 聚丙烯纖維的性能指標(biāo)

1.2 試件制作

不同聚丙烯纖維摻量的RPC配合比如表2所示。試件制備時，先將水泥、石英砂、硅灰倒入攪拌機中攪拌，在攪拌的同時逐步加入聚丙烯纖維，持續(xù)攪拌4～5 min；隨后加入溶有減水劑的水，繼續(xù)攪拌3～5 min后出料。將攪拌完成的漿體裝入鋼模具，經(jīng)振動臺振動成型，隨后在標(biāo)準(zhǔn)實驗室環(huán)境（溫度20℃，相對濕度50%～70%）靜置24 h后脫模，再移入恒溫恒濕養(yǎng)護箱90℃養(yǎng)護3 d，最后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室（溫度20℃，相對濕度95%）繼續(xù)養(yǎng)護52 d。

本試驗中，混凝土力學(xué)性能試驗參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，共制作試件216塊，其中108塊用于測試立方體抗壓強度，108塊用于測試劈裂抗拉強度。

表2 RPC的配合比

1.3 試驗設(shè)備

混凝土高溫試驗設(shè)備為SX-16-10型號電爐，試驗中目標(biāo)溫度分別為 20、100、200、300、400、500、600、700、800 ℃，升溫速率為5℃/min。在高溫試驗前，將所有混凝土試件放入烘箱內(nèi)100℃烘干24 h，防水試件中水分含量過高導(dǎo)致混凝土爆裂。電阻爐升溫至指定溫度后，恒溫保持2 h，隨后打開爐門開始降溫，直至試件到達(dá)常溫取出試件。

混凝土立方體抗壓強度測試采用WAW-2000kN電液伺服萬能試驗機，混凝土劈裂抗拉強度測試采用WAW-1000kN電液伺服萬能試驗機。

2 高溫試驗現(xiàn)象及爆裂分析

2.1 高溫爆裂現(xiàn)象

在高溫試驗過程中，部分RPC試件在升溫過程中出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。其中RPC-0試件升溫至330～450℃時，所有試件均出現(xiàn)爆裂，爆裂時發(fā)出較大的聲響，聲音清脆；PRPC-1試件升溫至420～500℃時，所有試件均發(fā)生爆裂，試件爆裂為大小各異的碎塊，爆裂時發(fā)出較大聲響；PRPC-2試件升溫至460～540℃時，50%的試件出現(xiàn)爆裂，試件爆裂為兩截；PRPC-3試件在升溫過程中未出現(xiàn)爆裂。

可見，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，RPC的抗爆裂性能得到增強，RPC出現(xiàn)爆裂的溫度也相應(yīng)提高。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.3%時，RPC試件在升溫過程中未發(fā)生爆裂。這主要是由于聚丙烯纖維熔點較低，當(dāng)溫度升高至170℃時，聚丙烯纖維即開始熔化，熔化的聚丙烯纖維在RPC內(nèi)留下孔道，有利于釋放混凝土內(nèi)的蒸汽壓力，對混凝土爆裂有抑制作用。

2.2 試件的表觀變化

對比高溫后RPC試件表觀可知，經(jīng)受不同溫度后的RPC試件表觀顏色并不相同。當(dāng)溫度不超過200℃時，RPC試件表觀顏色與常溫相同，均為青灰色，試件表觀未出現(xiàn)明顯裂縫；當(dāng)溫度為300～400℃時，RPC表觀呈灰褐色，少數(shù)試件出現(xiàn)裂紋；當(dāng)溫度為500～600℃時，RPC表觀呈灰褐色，試件出現(xiàn)裂縫，表面存在掉皮；當(dāng)溫度為700～800℃時，RPC表觀呈白色泛紅，表面存在大量裂縫。

2.3 質(zhì)量損失率

高溫后RPC試件的質(zhì)量損失率如圖1所示。

結(jié)果表明，研究1組化療性靜脈炎預(yù)防有效率為100.0%，對照1組為61.8%，兩組比較差異有顯著性，表明喜遼妥軟膏與濕潤燒傷膏局部交替外敷對預(yù)防化療性靜脈炎效果顯著。

圖1 高溫后RPC試件的質(zhì)量損失率

由圖1可知，隨著溫度的升高，不同聚丙烯纖維摻量的RPC質(zhì)量損失率均逐漸增大。當(dāng)溫度低于200℃時，RPC質(zhì)量損失速度較慢；而當(dāng)溫度達(dá)到300℃時，RPC質(zhì)量損失率迅速增大；當(dāng)溫度超過300℃后，RPC質(zhì)量損失率增幅逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)溫度低于200℃時，RPC質(zhì)量損失主要源自于混凝土內(nèi)自由水分的蒸發(fā)；而當(dāng)溫度為200～400℃時，質(zhì)量損失主要源自混凝土內(nèi)凝膠水的蒸發(fā)；當(dāng)溫度超過400℃后，質(zhì)量損失主要包括水化硅酸鈣及氫氧化鈣的分解。

對比不同聚丙烯纖維摻量的RPC高溫后質(zhì)量損失率可知，當(dāng)溫度不超過200℃時，聚丙烯纖維摻量對RPC質(zhì)量損失無明顯影響；而當(dāng)溫度達(dá)到300℃后，聚丙烯纖維摻量越大，高溫后RPC的質(zhì)量損失率越大。在300～500℃溫度范圍內(nèi)，PRPC-3的質(zhì)量損失率最大，PRPC-2的質(zhì)量損失率略低于PRPC-3，RPC-0、PRPC-1的質(zhì)量損失率最低。這主要是由于聚丙烯纖維熔化后形成的通道有利于混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)，進而使得混凝土的質(zhì)量損失率相應(yīng)增大。

3 高溫后抗壓強度分析及公式擬合

3.1 高溫后抗壓強度分析

高溫后RPC的立方體抗壓強度測試結(jié)果如表3所示。

表3 高溫后RPC的立方體抗壓強度

圖2為高溫后RPC相對抗壓強度隨溫度的變化關(guān)系，相對抗壓強度為高溫后抗壓強度與常溫下抗壓強度的比值。

圖2 高溫后RPC相對抗壓強度隨溫度的變化

由表3和圖2可知，隨著溫度的升高，RPC的抗壓強度均先提高后降低，在溫度為300℃時，RPC的抗壓強度最高，RPC-0、PRPC-1、PRPC-2、PRPC-3 試件抗壓強度分別較常溫提高12.14%、32.47%、38.09%、46.65%。溫度超過300℃后，RPC的抗壓強度開始持續(xù)降低，當(dāng)溫度為800℃時，PRPC-3試件的抗壓強度僅為常溫下抗壓強度的34.3%。

當(dāng)溫度不超過300℃時，RPC抗壓強度的提高主要是由于RPC中含有硅灰等活性材料，在較高溫度下促使水泥出現(xiàn)二次水化反應(yīng)，混凝土強度得到提高。當(dāng)溫度超過300℃后，受到多相材料熱膨脹系數(shù)不協(xié)調(diào)引起的應(yīng)力集中以及材料的化學(xué)分解作用等多方面因素影響，混凝土裂縫不斷增多，強度迅速下降。

對比不同聚丙烯纖維摻量的RPC高溫后抗壓強度可知，當(dāng)溫度達(dá)到200℃后，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，高溫后RPC相對抗壓強度越大?？梢姡郾├w維的摻入有利于RPC高溫后相對抗壓強度，原因在于聚丙烯纖維熔化后形成的互通孔隙減少了混凝土內(nèi)部蒸汽壓力，降低了蒸氣壓對混凝土的損傷，提高混凝土高溫力學(xué)性能。

3.2 高溫后抗壓強度擬合公式

由于整個試驗中僅聚丙烯纖維摻量為0.3%的RPC未出現(xiàn)爆裂，故擬合公式過程中參照PRPC-3試驗結(jié)果進行。通過回歸分析，擬合得出聚丙烯纖維摻量為0.3%的RPC高溫后抗壓強度計算公式如式（1）所示：

式中：fcu，T——T℃高溫后RPC的立方體抗壓強度，MPa；

fcu——常溫下RPC的立方體抗壓強度，MPa。

擬合曲線與試驗結(jié)果對比如圖3所示，由圖3可知，擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)較好吻合。

4 高溫后劈裂抗拉強度分析與公式擬合

4.1 高溫后劈裂抗拉強度分析

高溫后RPC的劈裂抗拉強度測試結(jié)果如表4所示。

圖3 抗壓強度擬合曲線與測試值對比

表4 高溫后RPC的劈裂抗拉強度

高溫后RPC相對抗拉強度隨溫度的變化見圖4，相對抗拉強度為高溫后劈裂抗拉強度與常溫下劈裂抗拉強度的比值。

圖4 高溫后RPC相對抗拉強度隨溫度的變化

從表4和圖4可知，當(dāng)溫度升高到100℃時，RPC高溫后劈裂抗拉強度較常溫時提高3.37%～11.59%；溫度為200～600℃時，RPC的劈裂抗拉強度迅速下降，600℃時PRPC-3的相對抗拉強度僅為36.45%；溫度700～800℃時，RPC的抗拉強度下降速度有所減緩，800℃時PRPC-3的相對抗拉強度為19.07%。

與抗壓強度試驗結(jié)果進行對比可知，高溫后RPC的劈裂抗拉強度臨界溫度明顯低于抗壓強度的臨界溫度，高溫后RPC抗壓強度的臨界溫度為300℃，而劈裂抗拉強度的臨界溫度僅為100℃。這主要是由于混凝土的劈裂抗拉強度對裂縫更加敏感，溫度高于100℃后，混凝土內(nèi)部受蒸氣壓、熱膨脹等因素作用逐漸產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土的劈裂抗拉強度迅速降低。

對比不同聚丙烯纖維摻量的RPC高溫后劈裂抗拉強度可知，摻加聚丙烯纖維的RPC高溫后相對抗拉強度明顯提高，這也進一步驗證了聚丙烯纖維對提高RPC高溫后力學(xué)性能的積極作用。

4.2 高溫后劈裂抗拉強度擬合公式

參照PRPC-3高溫后劈裂抗拉強度試驗結(jié)果，通過回歸分析，擬合出聚丙烯纖維摻量為0.3%時RPC高溫后劈裂抗拉強度計算公式如式（2）所示：

式中：ft，T——T℃高溫后RPC的劈裂抗拉強度，MPa；

ft——常溫下RPC的劈裂抗拉強度，MPa。

擬合曲線與試驗結(jié)果對比如圖5所示，由圖5可知，擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)較好吻合。

圖5 劈裂抗拉強度擬合曲線與測試值對比

5 結(jié)論

（1）在RPC中摻入聚丙烯纖維有利于減少高溫下混凝土內(nèi)部蒸汽壓力，對混凝土爆裂有較好的抑制效果。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.3%時，RPC試件在升溫過程中未出現(xiàn)爆裂。

（2）高溫后RPC的質(zhì)量損失率隨著溫度的升高逐漸增大，當(dāng)溫度超過300℃后，聚丙烯纖維摻量越大，混凝土的質(zhì)量損失率越高。

（3）隨著溫度的升高，RPC的抗壓強度先提高后降低。20～300℃時，RPC抗壓強度隨溫度升高逐漸增大，300℃時RPC的抗壓強度較常溫時提高12.14%～46.65%；超過300℃后，RPC的抗壓強度開始下降。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，高溫后RPC的相對抗壓強度越大。

3 結(jié)語

研究了影響砂漿強度的各個因素，制備了一種性能良好

（4）隨著溫度的升高，RPC的劈裂抗拉強度先小幅上升隨后快速下降。當(dāng)溫度為100℃時，RPC的劈裂抗拉強度較常溫下提高3.37%～11.59%；超過100℃后，RPC的劈裂抗拉強度迅速下降，800℃時RPC的相對抗拉強度僅為19.07%。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，高溫后RPC的相對抗拉強度也越大。