纖維增強超高強混凝土防高溫爆裂研究

杜 詠，嚴奧宇，戚洪輝

(南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816)

超高強混凝土(UHSC)具有抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、孔隙率低的特點，在建筑、橋梁、公路和軍事設(shè)施等工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛[1].火災(zāi)在結(jié)構(gòu)服役周期內(nèi)是遭遇最為頻發(fā)的災(zāi)害，超高強混凝土在火災(zāi)高溫下也會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象.

已有研究表明，高溫爆裂主要遵循蒸汽壓力機理和熱應(yīng)力機理[2-4].混凝土強度[5-11]、水膠比[5-11]、孔隙率[5]、含水率[11]、骨料類型[6,12-14]、升溫速率[14-15]、加載水平[13,15-16]和試件尺寸[17-19]等因素對混凝土高溫爆裂的影響均有試驗研究.

在UHSC中添加聚丙烯纖維是防止其高溫爆裂較為有效的方法[14,20].聚丙烯纖維的熔點較低，通常為170℃.在高溫下，聚丙烯纖維會熔化，因此蒸汽可以通過纖維熔化后留下的孔隙排出[12]，從而阻止UHSC的高溫爆裂.歐洲規(guī)范EN 1992-1-2：2004《Eurocode 2：Design of concrete structures-Part 1-2：General rules structural fire design》建議，摻入體積分數(shù)不少于0.22%的聚丙烯纖維可防止強度等級105MPa及以下的混凝土高溫爆裂；Xiong等[20]指出體積分數(shù)0.10%的聚丙烯纖維可有效防止150MPa混凝土高溫爆裂.另外，由于超高強混凝土在常溫下表現(xiàn)出顯著的脆性，通常摻入一定量的鋼纖維來提高其常溫下的延性[21].而已有研究表明，鋼纖維可延緩高強混凝土爆裂[7].

在廣州東塔工程中實現(xiàn)高層泵送120MPa混凝土技術(shù)的工程實踐表明，超高強混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是大勢所趨.由于影響混凝土高溫爆裂的因素較為復(fù)雜，至此，已有研究并未得出統(tǒng)一的防止超高強混凝土高溫爆裂的措施，以指導(dǎo)工程應(yīng)用.本文在已有研究基礎(chǔ)上，首先開展了15組立方體抗壓強度為116～143MPa的纖維增強超高強混凝土(FRUHSC)試件在ISO834火災(zāi)標準升溫曲線下的高溫爆裂試驗，考慮混凝土的水膠比、孔隙率和試件尺寸，提出能防止UHSC高溫爆裂的混雜纖維摻量.然后，通過14根大尺寸混雜纖維增強120MPa混凝土型鋼組合柱的高溫加載試驗，進一步考察優(yōu)化混雜纖維摻量對120MPa混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件防高溫爆裂的有效性，為正確評價超高強混凝土型鋼組合柱的高溫承載能力，推進120MPa混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考.

1 試驗方案

1.1 纖維增強超高強混凝土原料及配合比

膠凝材料選用P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，920 U型硅灰；細骨料為二區(qū)中砂；粗骨料由5～10mm與10～20mm 這2種粒徑的玄武巖碎石按質(zhì)量比4∶6混合；外加劑為聚羧酸高性能減水劑，固含量(1)文中涉及的固含量、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.為20.3%；纖維采用熔抽超細型鋼纖維(SF)和聚丙烯纖維(PPF)，其性能指標見表1.超高強混凝土水膠比mW/mB分別為0.18和0.15(編號為Ⅰ、Ⅱ)，其余配合比見表2.

表1 纖維性能指標

表2 超高強混凝土配合比

1.2 試件制備

以超高強混凝土在ISO834火災(zāi)標準升溫曲線(最嚴重建筑火災(zāi)升溫條件)下歷經(jīng)2h，試件中心溫度不超過200℃為原則，設(shè)計混凝土試件尺寸.在升溫過程中，既滿足試件截面的溫度非均勻(試件表面溫度已超過1000℃)，又可使試件全截面溫度超過100℃ 時逐步形成較大蒸汽壓力；在試件全截面溫度超過170℃時，PP纖維逐步融化，形成可緩解蒸汽壓力的空隙.根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的要求，按照表2中的配合比，摻入PPF和SF(其體積分數(shù)分別用φPPF和φSF表示)，配制15組試件，如表3所列，同時每組制備3塊邊長為150mm的立方體試塊用來測試其抗壓強度fcu，結(jié)果也列于表3.

表3 纖維增強超高強混凝土試件方案匯總

1.3 試驗裝置

燃氣試驗爐工作升溫歷程遵循ISO834火災(zāi)標準升溫曲線，最高可達1250℃.為防止試件高溫爆裂損壞爐內(nèi)結(jié)構(gòu)，試驗過程中使用高溫防爆保護網(wǎng).在試件的幾何中心預(yù)埋熱電偶，并使用多功能數(shù)據(jù)采集器測量超高強混凝土試件中心的升溫歷程.

1.4 纖維增強超高強混凝土試件的孔隙率

較低的孔隙率是超高強混凝土在高溫下爆裂的主要因素之一[18].根據(jù)GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度 第一部分：壓汞法》，為了取樣具有代表性，用切割機分別從水膠比0.18和0.15的未摻纖維UHSC試件中取若干大小約為1cm3的樣品，采用壓汞法，測試樣品的孔隙率，定量評價纖維增強超高強混凝土的密實性.

2 高溫爆裂試驗

2.1 試件升溫歷程

試件中心升溫歷程如圖1所示，實測爐溫與預(yù)設(shè)ISO834火災(zāi)標準升溫曲線基本重合，試件試驗溫度條件良好.試件受火初期，其中心溫度顯著低于爐溫.試件FRUHSC5在點火后約50min發(fā)出爆裂聲響，其溫度曲線在短時間內(nèi)發(fā)生突變；其他部分爆裂試件的中心溫度增長基本平穩(wěn).除試件FRUHSC5外，其他試件受火2h后，中心溫度均為200℃左右.

圖1 試件中心升溫曲線Fig.1 Temperature history in core of specimens

2.2 試驗高溫爆裂現(xiàn)象

試件經(jīng)歷ISO834火災(zāi)標準升溫后外觀如圖2所示.升溫過程中發(fā)現(xiàn)，不同纖維體積分數(shù)的混凝土試塊外觀顏色隨溫度變化基本一致：經(jīng)歷20～200℃ 后，為青灰色；經(jīng)歷200～400℃后，由青灰色變?yōu)榛液稚?；?jīng)歷400～800℃后，由灰褐色變?yōu)榛野咨?由圖2可見：未摻加纖維的試件FRUHSC5在經(jīng)歷2h高溫后，發(fā)生粉碎性爆裂，如圖2(e)所示；φPPF=0.10%、mW/mB=0.18的試件FRUHSC1未出現(xiàn)剝落，僅上部出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，如圖2(a)所示；φPPF=0.10%、mW/mB=0.15的試件FRUHSC10，仍然發(fā)生高溫爆裂，如圖2(j)所示；φSF=1.00%的試件FRUHSC9未發(fā)生粉碎性爆裂，高溫爆裂現(xiàn)象有所緩解，如圖2(i)所示；φPPF=0.13%的試件FRUHSC11、FRUHSC14及φPPF=0.10%的試件FRUHSC13在高溫下仍有部分爆裂剝落現(xiàn)象，但爆裂現(xiàn)象不如FRUHSC10明顯，如圖2(k)、(m)、(n)所示，說明摻加PPF后試件高溫爆裂有所緩解，但試件表面出現(xiàn)爆裂脫落，仍然未有效防止高溫爆裂；對于其余φPPF≥0.15%的試件，無論是否摻加鋼纖維，其高溫爆裂均得到有效抑制.

各試件詳細的高溫爆裂試驗現(xiàn)象如表4所列，其中，爆裂深度為爆裂面到爆裂前試件表面的最大距離，爆裂面積比為爆裂面積與試件受火表面積的百分比.

2.3 試件尺寸對爆裂的影響

根據(jù)表4所列爆裂程度指標，以及圖2(l)和圖2(o)所示的試件受火后外觀，φPPF=0.15%的2種尺寸試件FRUHSC12(φ300×300mm)和FRUHSC15(φ100×200mm)在高溫下均未發(fā)生爆裂；而比較φ300×300mm試件FRUHSC10、FRUHSC11和φ100×200mm試件FRUHSC13、FRUHSC14，發(fā)現(xiàn)當φPPF=0.10%、0.13%時，試件在高溫下仍表現(xiàn)為部分爆裂.試驗現(xiàn)象表明，當試件尺寸從φ100×200mm增大到φ300×300mm時，只要φPPF≥0.15%，試件就可防高溫爆裂.

2.4 孔隙率對爆裂的影響

mW/mB=0.18的試件FRUHSC1孔隙率為4.25%，而mW/mB=0.15的試件FRUHSC10孔隙率為2.34%，兩者的φPPF均為0.10%，試件FRUHSC10在高溫下發(fā)生部分爆裂，爆裂深度為38mm；而孔隙率較高的試件FRUHSC1在高溫下其表面僅出現(xiàn)裂紋.

將本文試驗值與文獻[18，22]中數(shù)據(jù)對比可得：孔隙率大于10%為普通混凝土；孔隙率在6%～10%為強度低于100MPa的高強混凝土；而當孔隙率小于6%時，混凝土強度達到100MPa以上.混凝土孔隙率越低，抗壓強度越高.本文4.25%孔隙率試件(FRUHSC1)的強度為116MPa,而2.34%孔隙率試件(FRUHSC10)的強度為123MPa.因此，更高強度的超高強混凝土具有更小的孔隙率.

圖2 纖維增強超高強混凝土試件高溫后外觀Fig.2 Appearance of FRUHSC specimens subject to fire

表4 纖維增強超高強混凝土試件高溫爆裂試驗現(xiàn)象匯總

2.5 混雜纖維摻量對爆裂的影響

如圖2(e)所示，未摻加纖維的超高強混凝土試件FRUHSC5在高溫下發(fā)生粉碎性爆裂；而單摻鋼纖維且φSF=1.00%的試件FRUHSC9高溫爆裂現(xiàn)象得到緩解，表現(xiàn)為部分爆裂.這表明φSF=1.00%的鋼纖維不能有效防止混凝土高溫爆裂，僅可緩解其高溫爆裂程度[19]，這主要得益于鋼纖維所具有的優(yōu)異導(dǎo)熱性能，可以使熱量在混凝土內(nèi)部有效傳遞，從而減小由溫度差所致的熱應(yīng)力；同時，鋼纖維可提高混凝土的抗拉強度，因此，摻加鋼纖維可延緩混凝土的爆裂.但是隨著混凝土溫度的升高，鋼纖維對提高混凝土抗拉強度的貢獻隨著鋼纖維變脆失效而衰退.由圖2可見，當φPPF≥0.15%時，可有效防止超高強混凝土高溫爆裂.

3 纖維增強超高強混凝土型鋼組合柱防高溫爆裂試驗

3.1 組合柱試件制備

綜合考慮混凝土的延性和工作性能，制備φSF=0.50%、mW/mB=0.15、φPPF=0.15%的超高強混凝土試件C120，按照JGJT 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和CCES02—2004《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》中要求的測試方法，評估混凝土拌和物工作性能.測試指標包括坍落擴展度(expansion)、流動時間(t500)、J環(huán)通過指標(PA)、L型儀間隙通過指標(H2/H1)，測試結(jié)果見表5.

表5 C120混凝土工作性能指標

采用已配置的C120混凝土、H型鋼、直徑12mm 的縱向鋼筋和直徑8mm的箍筋制備纖維增強超高強混凝土型鋼組合柱(SRHSC)，其設(shè)計詳圖見圖3，受火構(gòu)件匯總表見表6.分別澆筑了1.4m長和2.5m長的超高強混凝土型鋼組合柱.

圖3 纖維增強超高強混凝土型鋼組合柱設(shè)計詳圖Fig.3 Fibre reinforced ultra-high strength concrete encased steel columns design details(size：mm)

表6 受火構(gòu)件匯總表

3.2 高溫加載試驗裝置

不同長度試件分別采用了2種加載受火試驗裝置，如圖4所示.高溫試驗爐遵循ISO834火災(zāi)標準升溫曲線，加載采用1000t電液伺服加載系統(tǒng)，柱子四面受火，為了防止超高強混凝土爆裂而致爐體損壞，在構(gòu)件表面包裹不銹鋼絲網(wǎng).根據(jù)GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》，當柱端軸向壓縮變形速率達到3×L/1000mm/min時(L為柱高)，認為試件破壞，停止高溫加載.

圖4 試驗裝置圖Fig.4 Test device diagram(size：mm)

3.3 高溫加載試驗現(xiàn)象

1.4m構(gòu)件SRHSC1高溫下柱端豎向變形速率達0.07mm/s 時則判定為發(fā)生破壞，其外觀如圖5所示.由圖5可見，1.4m構(gòu)件均表現(xiàn)為截面強度破壞，截面處混凝土由于達到其高溫抗壓強度而開裂剝落，構(gòu)件其余部分混凝土未見強度破壞及高溫爆裂現(xiàn)象.

2.5m構(gòu)件SRHSC5高溫下柱端豎向變形速率達0.125mm/s時則判定為發(fā)生破壞，其外觀如圖6所示.由圖6可見，2.5m構(gòu)件均表現(xiàn)為失穩(wěn)破壞，構(gòu)件表面出現(xiàn)典型的受拉側(cè)橫向裂縫及受壓側(cè)豎向裂縫，未觀察到混凝土爆裂現(xiàn)象.

試驗結(jié)果表明，mW/mB=0.15，φPPF=0.15%、φSF=0.50%的120MPa混凝土用于構(gòu)件中時，在常溫下表現(xiàn)出合格的工作性能，在高溫下表現(xiàn)出良好的抗高溫爆裂性能.

圖5 1.4m構(gòu)件SRHSC1高溫后外觀Fig.5 Surface of specimen SRHSC1 with 1.4m length subject to fire

圖6 2.5m構(gòu)件SRHSC5高溫后外觀Fig.6 Surface of specimen SRHSC5 with 2.5m length subject to fire

4 結(jié)論

(1)與水膠比為0.18的纖維增強超高強混凝土FRUHSC相比，水膠比為0.15的FRUHSC具有更低的孔隙率，當聚丙烯纖維體積分數(shù)小于0.15%時，孔隙率較大的試件高溫爆裂程度明顯低于孔隙率較小的試件；當聚丙烯纖維體積分數(shù)不小于0.15%時，2種水膠比試件均未發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象.

(2)體積分數(shù)為0.15%的聚丙烯纖維可防止φ100×200mm試件發(fā)生高溫爆裂，并適用于φ300×300mm試件.

(3)對于116～143MPa超高強混凝土，為改善常溫下混凝土延性而摻入體積分數(shù)為1.00%的熔抽超細型鋼纖維并不能防止其高溫爆裂，摻入體積分數(shù)為0.15%及以上的聚丙烯纖維，則可防止其高溫爆裂，因此，混摻纖維能防止其高溫爆裂.

(4)超高強混凝土型鋼組合柱高溫加載試驗表明，混摻體積分數(shù)為0.15%的聚丙烯纖維及0.50%的熔抽超細型鋼纖維可有效防止構(gòu)件的高溫爆裂.