高溫后不同輕質(zhì)混凝土的劣化性能

李亞濤,薛盟盟

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037; 2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160)

1 概述

輕質(zhì)混凝土因骨料多孔性而具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗裂、抗震和抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，但也因其多孔性而導(dǎo)致高溫時(shí)蒸汽壓力大，由此造成其抗高溫爆裂溫度較普通混凝土低。為了改善這一缺陷，通過(guò)摻入適量纖維，使其在高溫時(shí)發(fā)生熔融而形成蒸汽壓力釋放通道，或通過(guò)提高混凝土內(nèi)部熱導(dǎo)率等方式以實(shí)現(xiàn)抗高溫爆裂性能。如文獻(xiàn)[1]認(rèn)為聚丙烯纖維(PPF)在高溫時(shí)發(fā)生熔化后所形成的孔隙有助于高溫氣體釋放，從而提高了抗爆裂溫度。陳煒等[2]發(fā)現(xiàn)CBF對(duì)高溫下高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高有貢獻(xiàn)，且能顯著改善高強(qiáng)混凝土的峰值韌性。王志坤等[3]發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土可以增強(qiáng)基體本身的黏聚力，從而減小溫度應(yīng)力帶來(lái)的損傷。文獻(xiàn)[4]表明，輕骨料混凝土加入鋼纖維可增強(qiáng)其延性，并提高其耐高溫性。除此之外，用輕骨料替代普通骨料配置而成的自密實(shí)輕骨料混凝土(SCLWC)，同時(shí)具有輕骨料混凝土和自密實(shí)混凝土的特性，不僅具有良好的力學(xué)性能，而且具有良好的耐久性。吳熙等[5]對(duì)自密實(shí)混凝土試驗(yàn)前后的抗壓、抗折、超聲波速及其自身質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量損失更大、更易爆裂，但其高溫后的超聲波速和殘余強(qiáng)度損失更小。本文在ALWAC中摻入不同種類的纖維，通過(guò)觀察高溫后不同F(xiàn)RALWAC表面色澤、裂紋爆裂情況，然后再對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究，比較不同種類纖維對(duì)輕質(zhì)混凝土的高溫改善作用，并和SCLWC進(jìn)行比較分析，分析不同輕質(zhì)混凝土高溫后的劣化性能。

2 試驗(yàn)概況

2.1 材料選擇

采用普通硅酸鹽水泥(堅(jiān)固牌P.O42.5級(jí))；輕骨料選擇頁(yè)巖陶砂(簡(jiǎn)稱陶砂)和頁(yè)巖陶粒(簡(jiǎn)稱陶粒，Φmax=15 mm)，其中，陶粒的堆積密度為755.0 kg/m3，筒壓強(qiáng)度為3.6 MPa，24 h吸水率為4.0%；陶砂的堆積密度為806 kg/m3，細(xì)度模數(shù)3.2，24 h吸水率為12.5%；本次試驗(yàn)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(簡(jiǎn)稱PPF)、短切玄武巖纖維(簡(jiǎn)稱CBF)以及鋼纖維(簡(jiǎn)稱SF)，性能指標(biāo)如表1所示；粉煤灰為焦作電廠產(chǎn)二級(jí)灰；減水劑為萘系高效復(fù)合減水劑，減水率為15%，摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.45%。

表1 三種纖維的物理性能指標(biāo)

2.2 配合比

通過(guò)多次配比實(shí)驗(yàn)，得到LC30ALWAC和LC30SCLWC的最優(yōu)配合比如表2,表3所示，纖維采用單摻和雙摻兩種類型，根據(jù)課題組前期試驗(yàn)確定纖維最優(yōu)摻量如表4所示。

表2 LC30ALWAC的配合比與試驗(yàn)值

表3 LC30SCLWC的配合比與試驗(yàn)值

表4 纖維最優(yōu)摻量

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以LC30ALWAC，SCLWC，F(xiàn)RALWAC試件為研究對(duì)象，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后放入高溫爐中進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用加熱室尺寸為300 mm×200 mm×120 mm的TDL-1400F(北京德志融泰環(huán)?？萍加邢薰?箱式高溫爐，加熱速率15 ℃/min。將試件加熱到預(yù)定溫度，并且持溫6 h后使其自然冷卻至室溫。400 ℃時(shí)ALWAC部分試塊爆裂，450 ℃時(shí)，ALWAC全部爆裂；高溫達(dá)到600 ℃后，SCLWC全部爆裂；650 ℃時(shí)單摻CBF，SF的ALWAC部分試塊爆裂，700 ℃時(shí)試塊全部爆裂；而單摻PPF、混摻PPF+CBF、混摻PPF+SF的ALWAC試塊在溫度達(dá)到800 ℃時(shí)仍未發(fā)生爆裂。然而FRALWAC在600 ℃高溫時(shí)，其軸心抗壓強(qiáng)度已低于0.4fc。以高溫后試件的軸壓強(qiáng)度f(wàn)Tc不低于0.4fc作為本試驗(yàn)的最高溫度。因此設(shè)定ALWAC的試驗(yàn)溫度范圍為100 ℃～400 ℃，SCLWC和FRALWAC試驗(yàn)溫度范圍為100 ℃～600 ℃。

3 高溫后試驗(yàn)現(xiàn)象

ALWAC試件表觀在經(jīng)歷過(guò)不同溫度后，呈現(xiàn)出不同的變化。100 ℃后，試件顏色和表面狀態(tài)與常溫?zé)o異；200 ℃后，試件顏色開(kāi)始泛白，表面無(wú)裂縫；300 ℃后，試件表觀開(kāi)始呈淺褐色，并且出現(xiàn)了少量細(xì)小裂紋；400 ℃后，試件變?yōu)楹稚?，裂紋增加，且有掉皮、掉角現(xiàn)象；450 ℃后，試件爆裂。

100 ℃后，SCLWC試件的顏色和表面狀態(tài)與常溫?zé)o異；200 ℃后，試件呈淺灰色，外觀完整；300 ℃后，試件呈灰白色，外觀基本完好但出現(xiàn)少量裂紋；400 ℃后，顏色由灰白色變?yōu)闇\褐色，并且有較多紋出現(xiàn)；500 ℃后，試件由淺褐色變?yōu)榧t褐色，表面裂紋密布，部分試件開(kāi)始掉角，部分發(fā)生爆裂；600 ℃后，試件全部爆裂。而FRALWA經(jīng)歷600 ℃高溫后均未發(fā)生爆裂。不同溫度下，F(xiàn)RALWAC試件呈現(xiàn)出的不同特點(diǎn)如表5所示。

表5 全輕纖維混凝土高溫冷卻后表觀特征

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 抗壓強(qiáng)度劣化性能

(1)

表6 高溫后不同輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù) MPa

由圖1可知：1)除SCLWC外，其余輕質(zhì)混凝土均出現(xiàn)強(qiáng)度回升現(xiàn)象，并在200 ℃時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。這是由于隨著溫度的升高，骨料內(nèi)部自由水蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)收縮，輕骨料的多孔性，水蒸氣循環(huán)，在內(nèi)部形成高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)的效果，使其強(qiáng)度有所提升，這種回升也和由于吸收的水分的流失引起的凝膠顆粒之間的表面力的增加相關(guān)。隨著溫度的升高，混凝土內(nèi)部脫水嚴(yán)重，水泥收縮而骨料膨脹，出現(xiàn)裂紋并開(kāi)始擴(kuò)展，使其強(qiáng)度急劇下降。2)FRALWAC高溫后的殘余抗壓強(qiáng)度要高于ALWAC，因?yàn)閾饺肜w維后的輕骨料混凝土在高溫環(huán)境下出現(xiàn)裂紋時(shí)，纖維的存在能起到橋接的作用，阻止裂紋的快速擴(kuò)展，尤其摻入SF的效果最好，而由于纖維的混雜效應(yīng)，混摻纖維比單摻纖維能更好的改善輕質(zhì)混凝土的高溫性能，比如PPF+SF。3)SCLWC出現(xiàn)強(qiáng)度持續(xù)下降現(xiàn)象，因?yàn)樽悦軐?shí)混凝土的密實(shí)性導(dǎo)致其內(nèi)部水蒸汽不易釋放，形成蒸汽壓力，不僅不能形成蒸汽養(yǎng)護(hù)，反而使其強(qiáng)度降低，當(dāng)蒸汽壓力比混凝土抗拉強(qiáng)度高時(shí)，混凝土開(kāi)裂直至爆裂，SCLWC抗壓強(qiáng)度持續(xù)下降分為三個(gè)階段：初始強(qiáng)度損失階段，溫度在20 ℃～300 ℃時(shí)，強(qiáng)度損傷較小，為8.7%；強(qiáng)度穩(wěn)定和恢復(fù)階段，300 ℃～400 ℃時(shí)，強(qiáng)度損傷為16.3%；永久強(qiáng)度損失階段，400 ℃之后損傷較大，為31%。SCLWC雖不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度回升現(xiàn)象，但是其高溫爆裂前最終殘余強(qiáng)度僅下降到試驗(yàn)前強(qiáng)度的70%，說(shuō)明自密實(shí)混凝土經(jīng)歷高溫環(huán)境后抗壓強(qiáng)度并未損失太多。

4.2 軸心抗壓強(qiáng)度劣化性能

(2)

表7 高溫后不同輕質(zhì)混凝土軸壓強(qiáng)度折減系數(shù) MPa

從圖2中可知：

4.3 劈拉強(qiáng)度劣化性能

(3)

表8 高溫后不同輕質(zhì)混凝土劈拉強(qiáng)度折減系數(shù) MPa

從圖3中可知：

2)摻入纖維后，由于纖維能迅速阻止裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展，并在混凝土內(nèi)部形成類似的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，F(xiàn)RALWAC的劈拉強(qiáng)度折減系數(shù)要高于ALWAC。

3)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，SCLWC的相對(duì)劈拉強(qiáng)度最大，這是由于自密實(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，在高溫下，相比其他輕質(zhì)混凝土而言，不容易產(chǎn)生微裂紋。說(shuō)明自密實(shí)混凝土高溫后的劈拉性能高于FRALWAC，而纖維可以很好的改善輕骨料混凝土高溫下的劈拉性能。

4.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的劣化性能

如圖4所示，試驗(yàn)選取了三種輕骨料混凝土在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。ALWAC在高溫下脆性比普通混凝土大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段無(wú)法測(cè)得，而纖維的摻入可以較好的抑制混凝土在高溫下裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)其破壞時(shí)間；FRALWAC的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)吻€可以測(cè)得，且其應(yīng)力-應(yīng)變曲線高溫下與常溫下基本一致，且試驗(yàn)結(jié)果與同濟(jì)大學(xué)陸洲導(dǎo)[6]提出的方程相吻合，如式(4)所示。常溫下的應(yīng)力-應(yīng)變的曲線方程可使用文獻(xiàn)[7]中提出的公式，如式(5)所示。

(4)

(5)

(6)

表9 不同溫度時(shí)的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變

從圖4可知：

1)無(wú)論是ALWAC還是各種FRALWAC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均隨著溫度的提高逐漸下降、向右移動(dòng)，峰值應(yīng)力不斷下降，峰值應(yīng)變明顯增加，曲線上升段斜率顯著減小，表明彈性模量不斷降低，說(shuō)明隨著溫度的升高混凝土內(nèi)部損傷逐漸加劇。2)FRALWAC由于纖維的摻入，其峰值應(yīng)力都比ALWACRC的要高，而峰值應(yīng)變也會(huì)較ALWAC減小。由表9可知，單摻纖維尤其以SF效果更明顯，一方面因?yàn)镾F的存在提高了混凝土內(nèi)部的導(dǎo)熱速率，減小了內(nèi)部溫度梯度，從溫差熱應(yīng)力得到減小，使熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋的延伸和擴(kuò)展減?。涣硪环矫?，SF具有顯著的阻裂作用，其均勻分布在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成類似的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以很好地抑制并阻止裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展?；鞊絇PF+SF時(shí)，峰值應(yīng)力達(dá)到最大，效果最佳，除了鋼纖維的作用，PPF發(fā)揮了更多的作用。一方面PPF的熔點(diǎn)較低，達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)便會(huì)熔化，并且揮發(fā)逸出，這時(shí)會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部留出部分通道，這部分通道均勻分布在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，使得在高溫下混凝土內(nèi)部的溫度和蒸汽可以散發(fā)出去，使其不會(huì)產(chǎn)生很大的蒸汽壓力，提高了混凝土的爆裂溫度；另一方面，PPF和SF兩種纖維在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互纏繞，亂向分布，形成一個(gè)三維均勻分布體，發(fā)揮各自的增強(qiáng)增韌機(jī)理能夠更好的抑制混凝土在高溫下產(chǎn)生微裂縫，并且能在產(chǎn)生裂縫時(shí)，利用大量的纖維堵塞裂縫，起到很好的橋接作用，阻止裂縫的迅速擴(kuò)展，提高輕骨料混凝土的剛度和延展性，提高混凝土高溫抗爆裂性能，改善其高溫后的韌性。

4.5 高溫耗能分析

材料單位體積的變形性能為材料的韌性，材料遭受破壞時(shí)所吸收的能量可通過(guò)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線積分，即圖形上所圍面積表示。由圖4可知，ALWAC加入纖維后不僅峰值應(yīng)力變大，曲線圍成的面積也隨之增大，說(shuō)明纖維的加入能夠提高輕質(zhì)混凝土高溫下的韌性。另一方面，每一種混凝土在不同的溫度下圍成的面積也不相同，單摻與雙摻也不同，因此本文著重分析了單摻CBF、雙摻CBF+PPF在不同高溫下的能量，并用峰前能量Ef、峰后能量Eb和總能量Et表示，如圖5所示。

由圖5(a)可知，500 ℃之前，能量基本一直在增大，而500 ℃開(kāi)始下降，這可能是由于500 ℃時(shí)，混凝土基體已經(jīng)開(kāi)始爆裂，纖維也基本熔化完全。另一方面，混摻PPF+CBF纖維的ALWAC的峰值前、峰值后及總能量均比單摻CBF的要高，特別是峰值后要高更多。這是因?yàn)榛鞊嚼w維時(shí)，CBF和PPF共同作用，共同承擔(dān)了混凝土在塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的能量，從而減少了混凝土內(nèi)部微裂縫處的應(yīng)力集中，阻礙了微裂縫的擴(kuò)展，不僅提高了混凝土高溫抗爆裂能力，更提高了輕骨料混凝土的高溫韌性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)觀測(cè)七種不同輕質(zhì)混凝土在高溫后的爆裂情況、相對(duì)抗壓強(qiáng)度、相對(duì)軸壓強(qiáng)度、相對(duì)劈拉強(qiáng)度，及應(yīng)力-應(yīng)變曲線得出如下結(jié)論：

1)200 ℃以內(nèi)，除SCLWC外其余輕質(zhì)混凝土均出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度回升現(xiàn)象，但所有混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)相同，呈線性下降趨勢(shì)。2)ALWAC在450 ℃左右時(shí)就發(fā)生爆裂，摻入CBF和SF后在700 ℃時(shí)就完全爆裂，而摻入PPF后在800 ℃時(shí)仍未發(fā)生爆裂，表明PPF與其他纖維相比，更能很好的改善輕骨料混凝土高溫抗爆裂性能。3)SCLWC由于其密實(shí)性，導(dǎo)致其高溫下抗爆裂性能較差，但是其爆裂前的殘余抗壓強(qiáng)度僅下降到試驗(yàn)前強(qiáng)度的70%，表明其經(jīng)歷高溫后抗壓強(qiáng)度損失并不嚴(yán)重，仍可承受荷載。4)由于ALWAC高溫后脆性過(guò)大，因此無(wú)法測(cè)得其高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段，而FRALWAC可測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)吻€，且與常溫下的曲線基本一致；FRALWAC的峰值應(yīng)力均高于ALWAC，能量也隨之增大，表明纖維的加入，特別是混摻纖維能夠很好的提高混凝土的強(qiáng)度和韌性。