實時高溫下鋼纖維混凝土的力學特性及其聲發(fā)射響應(yīng)

劉 鑫，侯新宇，林 軍，景晶晶，劉為平,佘俊文，朱 浩

(1.江蘇開放大學建筑工程學院，南京 210036；2.江蘇城市職業(yè)學院建筑工程學院，南京 210019)

0 引 言

建筑物及構(gòu)筑物遭遇火災(zāi)時，會導致混凝土的服役能力下降，建筑工程的倒塌將嚴重影響人類的正常生活。目前國內(nèi)外對混凝土材料的耐高溫性能和采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測建筑材料損傷等方面進行了一定的研究，并取得了一定的研究成果。

文獻[1-4]對不同類型混凝土高溫后的力學性能進行了研究，認為隨著溫度的升高，會對混凝土的強度造成一定的影響。Tanyildizi[5]通過實驗和統(tǒng)計方法研究了聚丙烯(PP)纖維和硅粉對輕質(zhì)混凝土高溫下力學性能的影響。Lau等[6]研究表明，對于低于400 ℃的溫度段，抗壓強度的損失相對較小。Xiao等[7]認為，摻有PP纖維的高性能混凝土(HPC)進行燃燒測試時，未觀察到爆炸性剝落，而沒有PP纖維的HPC發(fā)生了一些剝落。Poon等[8]研究表明，混凝土暴露于高溫后，剛度的損失比抗壓強度的損失要快得多。Peng等[9]研究表明，通過摻加鋼纖維、聚丙烯纖維可以增加混凝土的斷裂能。秦李林[10]認為，鋼纖維的摻加，可以增強混凝土常溫和高溫后的力學性能。聲發(fā)射作為一種材料無損監(jiān)測手段，可以對水泥混凝土受載全過程進行實時跟蹤、在線監(jiān)測，可實現(xiàn)材料力學性能變化規(guī)律與其聲發(fā)射信號損傷強弱在時間上的對應(yīng)統(tǒng)一。文獻[11-14]對各類巖石高溫下的力學性能以及聲發(fā)射特性進行了研究，較為統(tǒng)一的結(jié)論為：巖石釋放的能量越多，聲發(fā)射活動越頻繁。文獻[15-17]對單軸壓縮下巖石的耐高溫性能進行了研究，均對巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射曲線的對應(yīng)關(guān)系進行了探討。

從以上分析可以看出，目前國內(nèi)外對混凝土的高溫性能研究主要側(cè)重于高溫后水泥混凝土力學特性的變化情況，多數(shù)是將經(jīng)歷高溫作用的混凝土試件冷卻一段時間，然后進行力學性能測試，而對混凝土材料實時高溫下的損傷劣化研究較少。但實際發(fā)生火災(zāi)時實時高溫下混凝土的各項力學行為與其經(jīng)歷高溫并冷卻后的力學性能差異較大，因而高溫后的試驗研究不能反映實際受火過程中混凝土結(jié)構(gòu)材料的劣化情況。

因此，研究實時高溫下混凝土及纖維混凝土的力學性能變化規(guī)律，并且通過聲發(fā)射探頭實現(xiàn)全過程實時跟蹤、在線監(jiān)測并表征材料的能量釋放，為遭遇火災(zāi)的實際工程材料及結(jié)構(gòu)安全提供理論依據(jù)，具有較大的現(xiàn)實意義。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

圖1 鋼纖維

水泥選用揚州綠揚水泥有限責任公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用I級粉煤灰，砂選用中砂。石子采用連續(xù)級配為5～20 mm的碎石，水為自來水，減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，含固量為20%。緩凝劑采用吳江市華譽化工有限公司生產(chǎn)的葡萄糖酸鈉，占膠凝材料質(zhì)量的0.5%。鋼纖維由江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供，型號為S2端勾型，長度為30 mm，體積摻量為1%。圖1為試驗用鋼纖維照片，鋼纖維的基本性能指標及試驗所用混凝土配合比分別如表1、表2所示。

表1 鋼纖維的基本性能指標

表2 試驗所用混凝土配合比

圖2 實時高溫下混凝土力學性能及聲發(fā)射響應(yīng)監(jiān)測設(shè)備圖

1.2 試驗設(shè)備

混凝土實時高溫下力學性能試驗設(shè)備采用中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的MTS810材料測試系統(tǒng)及其配套的高溫爐。聲發(fā)射檢測儀采用沈陽計算機技術(shù)研究設(shè)計院生產(chǎn)的AE21C聲發(fā)射檢測儀，設(shè)備增益值采用38 dB,門檻值采用47 dB，聲發(fā)射探頭與傳感器之間通過凡士林耦合。整個試驗設(shè)備如圖2所示。

1.3 試件準備

成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后，通過切割、鉆芯、打磨成直徑為25 mm、長徑比為2∶1的圓柱形試件。

1.4 試驗方法

試驗?zāi)繕藴囟葹?0 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃的四個溫度段，升溫速率為15 ℃/min，加載速率為0.003 mm/s，恒溫時間為15 min。試驗時將試件在儀器夾頭上加緊，然后關(guān)閉高溫爐，等到加熱到目標溫度后恒溫15 min，確保高溫爐內(nèi)溫度的恒定。然后對試件施加單軸荷載,同時打開聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，直至混凝土失穩(wěn)破壞。

聲發(fā)射信號參數(shù)選用振鈴計數(shù)率，信號的強弱代表混凝土在受壓過程中釋放能量的多少，它可對混凝土的開裂損傷進行實時在線監(jiān)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫下混凝土的抗壓強度和殘余強度

抗壓強度是混凝土的一項基本力學性能，而殘余強度代表試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上經(jīng)過峰值應(yīng)力后大致穩(wěn)定的最終強度。測試普通混凝土、鋼纖維混凝土各溫度段的抗壓強度、殘余強度，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 各溫度段兩類混凝土的抗壓強度

圖4 各溫度段兩類混凝土的殘余強度

如圖3和圖4所示，鋼纖維混凝土的抗壓強度和殘余強度均比對應(yīng)溫度段普通混凝土的高，20～600 ℃四個溫度段鋼纖維混凝土比普通混凝土抗壓強度分別提高了12.07%、4.15%、11.25%、3.24%,殘余強度分別提高了2.67 MPa、3.51 MPa、0.98 MPa、2.74 MPa。

分析主要原因，與普通混凝土相比，鋼纖維的摻入在水泥混凝土中較好地發(fā)揮了其增強增韌的效果，因而鋼纖維混凝土的抗壓強度都比同溫度段普通混凝土高。且由于鋼纖維的熔點很高，超過1 000 ℃，因此在600 ℃范圍內(nèi)，鋼纖維都能與混凝土一起協(xié)同承受荷載，鋼纖維混凝土的強度損失較低，因而鋼纖維混凝土的殘余強度都比同溫度段普通混凝土高。

2.2 高溫下混凝土的時間-應(yīng)力-振鈴計數(shù)率曲線

溫度場處于相對均勻狀態(tài)時，試驗儀器施加給混凝土的荷載除少部分被耗散掉以外，大部分會以能量的形式被混凝土吸收，而被混凝土吸收的能量又會因其內(nèi)部微裂紋的張開、擴展等釋放出來，即混凝土整個受壓過程是能量的吸收、耗散和釋放循環(huán)反復(fù)的過程。試件的時間-應(yīng)力-振鈴計數(shù)率曲線表示隨著時間的推進，具體時間點試件的承載能力變化情況以及對應(yīng)能量釋放的強弱，可實現(xiàn)各溫度段試件的力學行為變化及其聲發(fā)射特性在時間上的統(tǒng)一，具體試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 各溫度段兩類混凝土的時間-應(yīng)力-振鈴計數(shù)率曲線

由各溫度段試驗數(shù)據(jù)可以看出，普通混凝土和鋼纖維混凝土的時間-應(yīng)力-振鈴計數(shù)率曲線大致可分為以下四個階段：壓密階段、線彈性階段、塑性階段、破壞階段。

壓密階段：混凝土在初始受壓狀態(tài)下，由于其內(nèi)部存在一定的原生裂紋和微細孔洞，因此這一階段主要是這些原生裂紋和孔隙被壓密，使得這一階段混凝土的損傷劣化較小，反映在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力的增長速度較緩慢，曲線形狀呈凹型；體現(xiàn)在振鈴計數(shù)率上表現(xiàn)為聲發(fā)射信號的強度較小，并且總體而言聲發(fā)射活動較為稀疏。

線彈性階段：在經(jīng)過第一階段之后，隨著荷載的繼續(xù)施加，導致混凝土材料內(nèi)部被壓密的微細裂紋和微孔隙開始張開，試件的應(yīng)力曲線上升速度與上一階段相比有了一定程度的提升，應(yīng)力與時間大致呈線性關(guān)系；與此同時，振鈴計數(shù)率表現(xiàn)出的聲發(fā)射信號的強度也高于壓密階段，這一階段混凝土材料的損傷有了一定程度的加劇。

塑性階段：當試件內(nèi)部的裂紋發(fā)展到一定程度之后，各裂縫之間將匯集、貫通形成更大的宏觀裂縫，混凝土的損傷劣化嚴重，此時試件時間和應(yīng)力曲線之間的線性關(guān)系被打破，此階段應(yīng)力曲線呈凸型并一直持續(xù)到峰值應(yīng)力點處；而振鈴計數(shù)率曲線的密集程度和活度也明顯加劇，與上一階段相比，此階段混凝土的損傷更甚。

破壞階段：隨著荷載持續(xù)施加，當混凝土的應(yīng)力曲線越過峰值應(yīng)力之后，試件內(nèi)部損傷嚴重，混凝土的承載能力開始降低，試件有的發(fā)生脆斷，應(yīng)力曲線產(chǎn)生驟降；有些產(chǎn)生延性破壞，應(yīng)力曲線緩慢下降，具有一定的殘余應(yīng)力；而振鈴計數(shù)率曲線表現(xiàn)出的聲發(fā)射信號的強度在經(jīng)過前三個階段的上升趨勢之后也開始降低，這與應(yīng)力曲線表現(xiàn)出的宏觀力學性能一致。

對比相同溫度段普通混凝土和鋼纖維混凝土的時間-應(yīng)力-振鈴計數(shù)率曲線可以得出鋼纖維摻入的影響，聲發(fā)射損傷信號方面，除峰值應(yīng)力點附近個別聲發(fā)射數(shù)據(jù)以外，整體上鋼纖維混凝土的振鈴計數(shù)率曲線的密集程度都明顯高于普通混凝土。分析原因是鋼纖維在水泥混凝土中較好地發(fā)揮了阻裂效果，可有效阻礙微裂縫的擴展，增強了混凝土的強度和延性?；炷猎诟邷叵碌氖軌航?jīng)過實質(zhì)上是試件能量的吸收、耗散和釋放循環(huán)反復(fù)的過程，混凝土強度的提高將使得其在受壓過程中吸收更多的能量，而吸收的能量將伴隨著試件內(nèi)部微裂紋的張開等釋放出來，反映在聲發(fā)射上表現(xiàn)為鋼纖維混凝土的振鈴計數(shù)率曲線整體上更為密集，聲發(fā)射信號強度更大、活度更高，并且密集持續(xù)波段更長。

2.3 高溫下混凝土的時間-應(yīng)力-振鈴累計計數(shù)曲線

混凝土在高溫下的整個受壓過程伴隨著與外界進行能量交換，熱能以及外力所做的功轉(zhuǎn)化的能量被混凝土吸收后，混凝土又會在而后的受載過程中將這些能量逐漸釋放出來。試件的時間-應(yīng)力-振鈴累計計數(shù)曲線表示隨著時間的推進，混凝土材料的力學特性變化規(guī)律及其聲發(fā)射能量累計釋放的對應(yīng)關(guān)系，具體試驗結(jié)果如圖6所示。

通過各溫度段試驗數(shù)據(jù)可以看出，混凝土的振鈴累計計數(shù)曲線大致呈“S”型，整體上可分為以下三個階段：

第一階段：主要在應(yīng)力曲線的壓密和線彈性階段，由2.2節(jié)分析得知此時混凝土內(nèi)部以原生裂紋的壓密和微細裂紋的張開為主，即混凝土內(nèi)部能量釋放較為稀疏，從而聲發(fā)射信號接收的數(shù)據(jù)較少，且信號的強度不大，此時混凝土振鈴累計計數(shù)曲線的上升速度較為緩慢。

第二階段：從某一時間點開始，主要對應(yīng)于應(yīng)力曲線的塑性階段和破壞階段，相較于應(yīng)力曲線的前兩個階段，由于此階段試件內(nèi)部裂紋的萌生、發(fā)育以及擴展的速度明顯提高，因而聲發(fā)射信號的強度和頻度也隨之上升，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率曲線更為密集，數(shù)值更大，導致振鈴累計計數(shù)曲線的上升速度加快。

第三階段：在破壞階段的某一對應(yīng)時間點上，即一般當超過振鈴計數(shù)率最大值對應(yīng)的時間點之后，由于試件內(nèi)部已形成使其承載力逐漸下降的大孔徑宏觀裂縫，而后裂紋的擴展速度放緩，從2.2節(jié)分析可知振鈴計數(shù)率數(shù)值變小，聲發(fā)射信號的強度降低，從而致使振鈴累計計數(shù)曲線的上升速度放緩。

圖6 各溫度段混凝土的時間-應(yīng)力-振鈴累計計數(shù)曲線

從以上三個階段可以看出，兩類混凝土在實時高溫下的振鈴累計計數(shù)曲線的變化規(guī)律為“緩-急-緩”的趨勢。

各相同溫度段普通混凝土和鋼纖維混凝土的振鈴累計計數(shù)最大值分別為：20 ℃,普通混凝土402.48，鋼纖維混凝土702.22；200 ℃,普通混凝土204.46，鋼纖維混凝土617.12；400 ℃,普通混凝土376.29，鋼纖維混凝土425.48；600 ℃,普通混凝土850.34，鋼纖維混凝土1 087.66，即鋼纖維混凝土的振鈴累計計數(shù)最大值都比相同溫度段普通混凝土高。主要是因為鋼纖維在水泥混凝土中較好地發(fā)揮了其增強增韌的作用，在高溫下吸收了更多的能量，同時釋放出了更多的能量，從而促使鋼纖維混凝土振鈴累計計數(shù)最大值比對應(yīng)溫度段普通混凝土高。

3 結(jié) 論

(1)高溫下鋼纖維混凝土的抗壓強度、殘余強度均比對應(yīng)溫度段普通混凝土高，鋼纖維起到了較好的增強增韌效果。

(2)高溫下鋼纖維混凝土聲發(fā)射信號的強度和頻度均高于普通混凝土，試件的宏觀力學性能與其聲發(fā)射響應(yīng)具有較好的對應(yīng)性。

(3)高溫下混凝土的振鈴累計計數(shù)曲線大致分為三個階段，高溫下強度更高的鋼纖維混凝土在受壓過程中釋放出了更多的能量，因而其振鈴累計計數(shù)最大值均比相同溫度段普通混凝土的數(shù)值高。

(4)鋼纖維的摻入可以延緩混凝土在實時高溫下的損傷。