聚丙烯纖維混凝土高溫后單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€

李 兵,張 剛,林煜期,謝卓衡,秦培成

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,海南 海口 570228；2.海南省消防救援總隊(duì),海南 ?？?570228)

1 前 言

聚丙烯纖維(PPF)混凝土是在混凝土中摻入一定量PPF制成的一種新型混凝土,PPF摻入能有效改善混凝土的脆性、韌性以及耐火性能,并在交通、房建、機(jī)場、水利等土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。期間國內(nèi)外學(xué)者對(duì)PPF 混凝土的常溫下和高溫后力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)開展了一系列研究[3-5]。姚武等[6]對(duì)PPF混凝土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究,提出摻入PPF可以提高混凝土的抗裂性能并改善其界面特性。劉沐宇等[7]開展了PPF高強(qiáng)混凝土的高溫性能研究,發(fā)現(xiàn)高溫后PPF摻入可在一定程度上提高其抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度并可以改善其抗爆性能。元成方等[8]發(fā)現(xiàn)高溫后PPF混凝土的質(zhì)量損失率更小且其動(dòng)彈性模量顯著高于素混凝土。上述研究多集中在高溫后PPF 混凝土的基本力學(xué)性能和微觀損傷機(jī)理方面。部分學(xué)者對(duì)常溫下PPF 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了一些探討。徐禮華等[9]通過單軸循環(huán)加載對(duì)PPF 混凝土進(jìn)行了受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究,結(jié)果表明PPF 混凝土在循環(huán)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線與單調(diào)受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線相近。張廣泰等[10]通過單軸受壓試驗(yàn)分析了PPF摻量對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響,并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了不同摻量下PPF混凝土的本構(gòu)關(guān)系。郜珊珊等[11]對(duì)水飽和狀態(tài)下PPF混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究,建立了PPF混凝土在干燥與水飽和條件下的本構(gòu)方程。相關(guān)研究均集中在常溫下的單軸受壓方面,而對(duì)高溫后PPF混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的研究甚少[12-15],同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大,試驗(yàn)結(jié)論同樣存在較大差異,還需要深入探索。

隨著PPF混凝土大量應(yīng)用于工程實(shí)踐,其火災(zāi)隱患日益凸顯,關(guān)于PPF混凝土的過火后性能也亟需確定,從而實(shí)現(xiàn)過火后PPF混凝土結(jié)構(gòu)的精確力學(xué)性能分析,繼而為過火后PPF混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和修繕提供理論依據(jù)。

本研究擬對(duì)高溫后PPF 混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€開展試驗(yàn)研究,考察PPF摻量和長度對(duì)其質(zhì)量損失率、峰值應(yīng)力和應(yīng)變、彈性模量、泊松比的影響,并建立高溫后PPF 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)方程。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

PPF混凝土的配合比如表1所示,其中水泥采用海南“天涯牌”P.C32.5級(jí)；細(xì)骨料選用中砂,細(xì)度模數(shù)為2.96,表觀密度為2705 kg/m3；粗骨料選用海南澄邁產(chǎn)級(jí)配人工碎石,表觀密度為2650 kg/m3,最大粒徑為30 mm；纖維采用“擰強(qiáng)牌”單絲PPF,直徑80μm,PPF外觀見圖1。

圖1 PPF截面照片F(xiàn)ig.1 Section of PPF

表1 混凝土的配合比Table 1 Concrete mix ratio

2.2 試塊制作和養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了60組尺寸均為100 mm×100 mm×300 mm 的PPF混凝土棱柱體試件,每組3個(gè)試塊,共計(jì)180個(gè)。PPF長度分別選用3、9、15 mm,摻量分別選用0.5、1.0、1.5 kg/m3。PPF混凝土均采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌120 s后在溫度為(20±2)℃、濕度≥95%的環(huán)境中成型,靜置24 h后拆模,水中養(yǎng)護(hù)28 d后取出待用。由于試塊初始含水率極高,需在自然干燥通風(fēng)的環(huán)境中靜置14 d,待其含水率趨于穩(wěn)定后再對(duì)其進(jìn)行高溫試驗(yàn)。每組試件分別在25、200、300、400、600及800 ℃下進(jìn)行高溫試驗(yàn)。

2.3 高溫試驗(yàn)

試驗(yàn)采用RX3箱式電阻爐進(jìn)行升溫,工作電壓為380 V,輸出功率為24 k W,平均升溫速率約為25 ℃/min,最高工作溫度為1300 ℃。爐膛內(nèi)部工作尺寸為500 mm×400 mm×400 mm。具體升溫過程:先將試件放入爐膛,然后開始升溫,當(dāng)爐溫達(dá)到目標(biāo)溫度后保溫2 h,使試塊內(nèi)外均達(dá)到目標(biāo)溫度,最后關(guān)閉電源,打開爐門,取出試塊并自然冷卻至室溫后進(jìn)行高溫后單軸受壓加載試驗(yàn)。

2.4 單軸受壓試驗(yàn)

單軸受壓試驗(yàn)在海南大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行。考慮到應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的加載速率要求較高,因此采用30 t微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行全位移控制加載,調(diào)試后加載速率設(shè)定為0.12 mm/min。試驗(yàn)時(shí)在試件兩側(cè)布置YHD-10型位移計(jì),以記錄試件的豎向位移,同時(shí)在試件四個(gè)側(cè)面正中粘貼縱向與橫向應(yīng)變片,以測(cè)量其縱向與橫向應(yīng)變。試驗(yàn)開始前對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,使試件上下表面與試驗(yàn)機(jī)裝置貼合緊密。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過DH3816N 數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集,采樣頻率為10 Hz。加載裝置如圖2所示。

圖2 單軸受壓加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of uniaxial compression loading device

2.5 高溫試驗(yàn)現(xiàn)象及高溫后表觀特征

試驗(yàn)中不同PPF 摻量和長度的混凝土試件的高溫試驗(yàn)現(xiàn)象如下:25～300 ℃時(shí)無明顯現(xiàn)象；400 ℃時(shí)爐門處出現(xiàn)水蒸氣；400～500 ℃時(shí)爐口處有水霧并附著在爐壁上,并有水珠從爐門處滴落；500 ℃時(shí),爐門處水霧漸漸消失；600～800 ℃時(shí)能聽到細(xì)微的混凝土破裂聲,整個(gè)高溫過程未出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。

400～800 ℃試驗(yàn)后,混凝土試件發(fā)生顯著的物理和化學(xué)變化,各組試塊的表觀特征類似,如表2所示。其高溫后外觀顏色變化見圖3。

表2 PPF混凝土經(jīng)歷不同溫度的表觀特征Table 2 Apparent characteristics of PPF concrete under different temperatures

圖3 經(jīng)歷不同溫度后的試塊外觀Fig.3 Appearance of test block after different temperatures

3 結(jié)果與分析

3.1 高溫后試件的質(zhì)量損失率

試驗(yàn)對(duì)試件高溫前、后的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定,質(zhì)量損失率η與溫度T 的關(guān)系見圖4。從圖可見,25～200 ℃后η顯著增大,主要是由于PPF混凝土內(nèi)部的自由水蒸發(fā),導(dǎo)致試件產(chǎn)生較大的質(zhì)量損失。300 ℃后,η仍保持較大程度的增長,因?yàn)樵摐囟认翪-S-H 凝膠受熱,混凝土內(nèi)部的毛細(xì)水與凝膠水蒸發(fā),同時(shí)PPF 的融化和揮發(fā),使試件中水分溢出的通道增加。400 ℃后毛細(xì)水與凝膠水蒸發(fā)殆盡,同時(shí)混凝土中的氫氧化鈣開始受熱分解[16],η繼續(xù)緩慢增加。600～800 ℃后,混凝土內(nèi)部的結(jié)晶水接近完全蒸發(fā),關(guān)系曲線趨于一致。

圖4 質(zhì)量損失率η 與溫度T 的關(guān)系曲線圖Fig.4 Relationship between mass loss rate and temperature

對(duì)比基準(zhǔn)混凝土,高溫后PPF 混凝土的η與其PPF長度和摻量密切相關(guān)。當(dāng)PPF長度為3 mm 時(shí),25～800 ℃后η的變化與基準(zhǔn)混凝土近似。當(dāng)PPF長度為9 mm,摻量分別選用0.5、1.0 kg/m3時(shí),25～300 ℃后η的變化與基準(zhǔn)混凝土近似,但300～800 ℃后η明顯偏大；但當(dāng)摻量增加到1.5 kg/m3時(shí),其η又與基準(zhǔn)混凝土近似。當(dāng)PPF 長度為15mm 時(shí),300～800 ℃后η明顯偏小。上述現(xiàn)象主要取決于兩個(gè)原因:一方面PPF高溫熔融、氣化,增加了混凝土內(nèi)部水汽和熱量溢出的通道,使PPF 混凝土的η偏大；另一方面,PPF 長度越長、摻量越高,PPF 分散性變差,反而不利于水分溢出,使得η偏小。

3.2 峰值應(yīng)力

PPF混凝土試件的受壓峰值應(yīng)力fc,T 隨溫度T的變化曲線如圖5所示。常溫下基準(zhǔn)混凝土試件P0-0的峰值應(yīng)力最小,為30.1 MPa。當(dāng)PPF 長度為3 mm、摻量為1.0 kg/m3時(shí)fc,T最大,達(dá)到35.9 MPa,增強(qiáng)率達(dá)到19.7%。其他各組試件的fc,T介于兩者之間。隨PPF 長度的增加,fc,T呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),這是由于隨PPF 長度的增長,分散性逐漸降低,其增強(qiáng)作用難以發(fā)揮。300℃,fc,T顯著高于基準(zhǔn)混凝土,這是因?yàn)镻PF高溫融化,導(dǎo)致試塊內(nèi)部的孔隙顯著增加,有效釋放了蒸汽壓力,從而延緩了裂縫的開展[17],使fc,T降幅減緩。400 ℃,PPF對(duì)混凝土的影響開始減弱,僅P3-10、P3-15和P9-05組仍有增強(qiáng)作用,其他工況則發(fā)生減強(qiáng)作用,使得fc,T低于基準(zhǔn)混凝土。600～800 ℃,fc,T基本一致,PPF 的影響可忽略。數(shù)據(jù)對(duì)比表明當(dāng)PPF 長度為9 mm,摻量為0.5 kg/m3時(shí),高溫后性能最優(yōu)。

圖5 峰值應(yīng)力f c,T和溫度T 的關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship between peak stress and temperature

3.3 峰值應(yīng)變

PPF混凝土的峰值應(yīng)變?chǔ)與,T與溫度T的關(guān)系曲線見圖6。從圖可見,εc,T隨溫度升高呈增大趨勢(shì),且溫度越高εc,T增幅越明顯。常溫下,除P9-15和P15-15兩組的εc,T低于P0-0 組外,其余各組εc,T均高于P0-0組,因此當(dāng)PPF摻量與長度適宜時(shí),PPF 的摻入對(duì)混凝土起到一定的增韌作用。200～400 ℃,εc,T變化較為平緩,有小幅下降,除P3-10組外均低于基準(zhǔn)混凝土,各組試件的關(guān)系曲線相近；600～800 ℃,PPF的摻入使εc,T增長顯著,其中P15-05組最為明顯；800 ℃后εc,T高出基準(zhǔn)混凝土36.89%。整體來看,當(dāng)PPF長度分別為3、9 mm 時(shí),隨PPF摻量的增加,εc,T均呈先增后減；當(dāng)PPF 長度為15 mm,摻量為0.5 kg/m3時(shí),εc,T最大。PPF 摻量的繼續(xù)增加,εc,T發(fā)生下降并趨于穩(wěn)定,這是由于PPF長度越長,摻量越大,分散性越差,對(duì)εc,T影響越小。PPF 摻量相同時(shí),當(dāng)PPF 長度為3 mm 時(shí),εc,T偏低；PPF 長度分別 為9、15 mm時(shí),εc,T數(shù)值接近。

圖6 峰值應(yīng)變?chǔ)與,T和溫度T 的關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship between peak strain and temperature

3.4 彈性模量

在PPF混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段取原點(diǎn)到40%峰值應(yīng)力點(diǎn)的割線作為彈性模量Ec,T。Ec,T與目標(biāo)溫度T 的關(guān)系如圖7所示。常溫下PPF 混凝土的Ec,T高于基準(zhǔn)混凝土,其對(duì)彈性模量的提升尤為顯著,因此PPF的摻入可有效改善混凝土的拉結(jié)性能并有效抑制混凝土的開裂,并且PPF 長度越長,摻量越大,拉結(jié)增強(qiáng)作用越明顯。25～400 ℃,PPF混凝土的Ec,T呈線性下降趨勢(shì),且與基準(zhǔn)混凝土接近；400～600 ℃,PPF混凝土的Ec,T下降幅度趨緩,但仍明顯高于基準(zhǔn)混凝土,其中PPF 摻量為1.0 kg/m3時(shí)殘余Ec,T最大；600～800 ℃,各組PPF 混凝土試塊的Ec,T僅為常溫下的1%～3%,PPF摻量和長度對(duì)的影響基本可忽略不計(jì)。

圖7 彈性模量E c,T和溫度T 的關(guān)系曲線圖Fig.7 Relation between elastic modulus and temperature

3.5 泊松比

PPF混凝土的泊松比υc,T取應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上升段40%峰值應(yīng)力點(diǎn)處橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變的比值。υc,T變化趨勢(shì)如圖8所示。常溫下,υc,T均位于0.20～0.23之間。25～200℃,υc,T相較于常溫情況略偏低,這是由于PFF混凝土水化反應(yīng)加快,填補(bǔ)了內(nèi)部微裂縫,使其完整性增強(qiáng),進(jìn)而使得橫向變形縮??；200～400℃,υc,T隨溫度升高逐漸增大,其中當(dāng)PPF長度為9 mm 時(shí),υc,T顯著高于其他工況,與基準(zhǔn)混凝土基本相同；400～800 ℃,υc,T變化更加復(fù)雜,這主要取決于PPF對(duì)混凝土截面的削弱和PPF 高溫氣化帶來的溫度應(yīng)力釋放兩個(gè)方面,其中P9-05和P15-10兩種工況時(shí)υc,T穩(wěn)定提高,整體高于基準(zhǔn)混凝土。

圖8 泊松比υc,T 和溫度T 的關(guān)系曲線圖Fig.8 Relation between Poisson’s ratio and temperature

4 高溫后PPF混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

4.1 高溫后單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

高溫后PPF 混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。從圖可見,各組PPF 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€相似,均隨著溫度的升高,峰值應(yīng)力逐漸減小,峰值應(yīng)變逐漸增大,最后趨于一致。25～300 ℃,壓力未達(dá)到峰值點(diǎn)前,混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展不明顯,橫向變形較小,上升段形狀基本一致。由于PPF的摻入一定程度上提升了混凝土的整體性,PPF混凝土峰值應(yīng)變出現(xiàn)略微回縮,之后隨著溫度升高又持續(xù)增大。400 ℃后,曲線上升段和下降段均較為平緩。600 ℃后,峰值應(yīng)力大幅降低,曲線整體趨于扁平。800 ℃后,峰值點(diǎn)已經(jīng)不再明顯,PPF混凝土與基準(zhǔn)混凝土的曲線特征基本一致。

圖9 不同高溫后PPF混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(a)P0-0組；(b)P3-05組；(c)P3-10組；(d)P3-15組；(e)P9-05組；(f)P9-10組；(g)P9-15組；(h)P15-05組；(i)P15-10組；(j)P15-15組Fig.9 Full stress-strain curve of PPF concrete specimens at different temperatures (a)P0-0；(b)P3-05；(c)P3-10；(d)P3-15；(e)P9-05；(f)P9-10；(g)P9-15；(h)P15-05；(i)P15-10；(j)P15-15

整體來看,高溫后基準(zhǔn)混凝土和PPF 混凝土均發(fā)生劣化,殘余峰值應(yīng)力大幅降低。600 和800 ℃后,基準(zhǔn)混凝土殘余峰值應(yīng)力分別只有常溫下的39.5%(11.9 MPa)和15.0%(4.5 MPa),而P9-05組高溫后殘余峰值應(yīng)力最大,分別為12.7和4.8 MPa,略高于基準(zhǔn)混凝土。其他長度和摻量的PPF混凝土殘余峰值應(yīng)力明顯偏低。同時(shí)P9-05組的曲線包絡(luò)面積更大,能量吸收能力最強(qiáng),混凝土強(qiáng)度和抗裂性能均有改善,因此混凝土耐火性能設(shè)計(jì)時(shí)推薦采用P9-05組。

4.2 單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€本構(gòu)方程

結(jié)合PPF混凝土高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的相關(guān)特征,基于過鎮(zhèn)海、時(shí)旭東[18]提出的混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€分段式方程進(jìn)行擬合,具體見式(1):

式中:y=σ/σc,x=ε/εc,α表示曲線初始切線模量與峰值點(diǎn)割線模量的比值,β與下降段曲線和應(yīng)變軸包絡(luò)面積相關(guān)。

擬合得到高溫后不同PPF 摻量和長度時(shí)的參數(shù)值α和β,具體表達(dá)式見式(2)。隨著溫度的升高,α值逐漸減小,而β值呈先增大后減小的趨勢(shì),說明吸收能量的能力先減弱后略微增強(qiáng)。模型同時(shí)考慮了高溫后上升段和下降段的變化規(guī)律,可用于高溫后PPF混凝土結(jié)構(gòu)的全過程有限元模擬中。

將表3的相關(guān)系數(shù)代入式(1)和式(2),即可得到PPF混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€分段式方程。

表3 參數(shù)α,β 值與溫度T的相關(guān)系數(shù)Table 3 Coefficient between parameter valuesα,βand temperature T

上述公式的溫度T取值范圍為25～800 ℃之間,參數(shù)α,β值擬合后的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.96。

5 結(jié) 論

1.常溫下,PPF混凝土的峰值應(yīng)力、彈性模量均高于基準(zhǔn)混凝土；而峰值應(yīng)變和泊松比則與PPF摻量和長度相關(guān)。其中PPF長度為3 mm、摻量為1.0 kg/m3時(shí)峰值應(yīng)力最大。

2.高溫后,PPF 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€相似,其質(zhì)量損失率、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比的變化主要取決于PPF 對(duì)混凝土截面的削弱和PPF的高溫氣化。隨經(jīng)歷溫度的升高,峰值應(yīng)力和彈性模量逐漸減小,峰值應(yīng)變和泊松比先降低后增加,數(shù)據(jù)對(duì)比表明PPF長度為9 mm,摻量為0.5 kg/m3時(shí),高溫后性能最優(yōu)。

3.建立了高溫后PPF 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€本構(gòu)方程,模型考慮了上升段和下降段的曲線變化規(guī)律,可用于高溫后PPF混凝土的全過程有限元模擬。