高溫后超高性能混凝土殘余受壓性能試驗(yàn)研究

溫沛綱，高晨源

（1.保利華南實(shí)業(yè)有限公司 廣東佛山 528253；2、中國(guó)電建集團(tuán)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 廣州 511458）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一種具有低水灰比（＜0.2），由大量細(xì)粉料摻和不同類型的纖維組成的新型混凝土［1-2］。UHPC 中鋼纖維的存在提高了拉伸強(qiáng)度和開裂后的延性，并通過纖維橋聯(lián)作用控制裂紋傳播［3-4］。

火災(zāi)是常見災(zāi)害之一，因此在使用UHPC時(shí)，UHPC構(gòu)件必須滿足耐火要求。與普通混凝土相比，UHPC表現(xiàn)出更低的耐火性能。這歸因于UHPC 中致密的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的低孔隙率和滲透性［5-6］，當(dāng)水蒸氣聚集形成的孔隙壓力大于混凝土拉伸強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生爆裂［7-8］。爆裂會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的橫截面積損失，顯著降低其力學(xué)性能。

雖然傳統(tǒng)混凝土的高溫力學(xué)性能已被廣泛關(guān)注，但針對(duì)UHPC的相似研究仍然較少［9］?，F(xiàn)有關(guān)于UHPC高溫下和高溫后力學(xué)性能的研究表明［10-15］，各個(gè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和測(cè)試程序尚未統(tǒng)一（如采用不同試件尺寸、加熱速率和配合比）。這導(dǎo)致不同試驗(yàn)得到的結(jié)果差異較大［16］。

為了彌補(bǔ)UHPC 高溫后力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的稀缺，開展了4 種配合比共計(jì)120 個(gè)UHPC 圓柱體高溫后殘余力學(xué)性能試驗(yàn)，考察了不同溫度下，不同纖維種類和不同養(yǎng)護(hù)方式等參數(shù)對(duì)UHPC 殘余抗壓強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料準(zhǔn)備及配比

本研究制作的UHPC 按照表1中列出的材料比例制備。共設(shè)計(jì)了4組配合比，按照纖維種類的不同，分別為UHPC-N（無纖維）、UHPC-P（POM 纖維）、UHPC-S（鋼纖維）和UHPC-H（混合纖維）。其中混合纖維含有鋼纖維和PP纖維。

表1 4種UHPC的配合比Tab.1 Mix Proportions in Four Batches of UHPC

本研究采用的鋼纖維是鍍銅微絲端鉤型鋼纖維（型號(hào)DY-C-GSF0325），在UHPC中用作增強(qiáng)材料，體積分?jǐn)?shù)取2%。鋼纖維長(zhǎng)25 mm，直徑0.3 mm（長(zhǎng)寬比為83）。

PP 纖維（聚丙烯纖維）是一種穩(wěn)定且強(qiáng)度較高的纖維，加入混凝土中具有極佳的分散性，可有效保證混凝土的力學(xué)性能。相關(guān)研究表明，UHPC 中加入適量的PP 纖維可以有效提高UHPC 的耐火性能［17-18］。本次研究采用的PP 纖維長(zhǎng)12 mm，直徑0.018 mm（長(zhǎng)寬比為667），用量選用30 kg/m3（體積比為0.33%）。

POM 纖維（共聚甲醛纖維）是具有高強(qiáng)度、高彈性模量的一種專用于UHPC 的新型纖維種類，在UHPC耐火領(lǐng)域尚未開展相應(yīng)的研究。本次研究采用的POM 纖維長(zhǎng)8 mm，直徑0.2 mm（長(zhǎng)寬比為40），用量選用5.3 kg/m3（占體積的0.33%）。本研究所用的鋼纖維、PP纖維、POM纖維如圖1所示，其特性如表2所示。

表2 用于UHPC纖維的特性Tab.2 Properties of Fibers Used in UHPC

為了確定試驗(yàn)方案的目標(biāo)溫度，額外澆筑3 個(gè)UHPC-S 和3 個(gè)UHPC-H 圓柱體試件進(jìn)行試燒。在澆筑后的90 d，將這6 個(gè)試件放入實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行800 ℃的高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述UHPC 試件均在800 ℃環(huán)境中發(fā)生嚴(yán)重的爆裂，爆裂后的UHPC 如圖2所示。因此，最終決定進(jìn)行UHPC 在20 ℃、100 ℃、300 ℃、500 ℃和700 ℃共5 個(gè)目標(biāo)溫度下的高溫后殘余力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

為保證單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，每種工況均至少澆筑3 個(gè)試件，共計(jì)120 個(gè)圓柱體試件。澆筑完成后，每組試件分成兩批，其中一批在常溫下進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，另一批放入高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 UHPC試件設(shè)計(jì)方案Tab.3 Test Matrix of Specimens Utilized for High-temperature Mechanical Property Tests

1.2 測(cè)試程序

混凝土試件的熱處理過程可分為升溫與恒溫兩個(gè)階段。在熱處理前，先將電熱爐加熱到500 ℃，并保持恒溫20 min，以達(dá)到干燥爐內(nèi)環(huán)境的目的。升溫過程中，采用恒定速率加熱試件。至目標(biāo)溫度后，保持恒溫120 min，使試件充分吸收熱量以達(dá)到熱平衡狀態(tài)。各種目標(biāo)溫度的加熱程序如圖3所示。熱處理過程結(jié)束后，混凝土試件仍放置于爐膛內(nèi)，直至降至室溫時(shí)才將其取出。

試件從爐內(nèi)取出后，先用高強(qiáng)石膏找平試件上下兩個(gè)端面，再移至壓力機(jī)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2002》［19］中規(guī)定的方法進(jìn)行，直至試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述試驗(yàn)方案和程序，對(duì)UHPC 進(jìn)行高溫后的殘余力學(xué)性能試驗(yàn)，并測(cè)量UHPC 的殘余抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等數(shù)據(jù)。

2.1 殘余抗壓強(qiáng)度

試件加載過程中的峰值荷載除以圓柱體的橫截面積，可以獲得該特定溫度處理后混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度；各試件的殘余抗壓強(qiáng)度如圖4所示。

在20 ℃時(shí)，不同組別的常溫養(yǎng)護(hù)試件與蒸汽養(yǎng)護(hù)試件相比，抗壓強(qiáng)度較低，這是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)加速了混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，致使混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)受火溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，隨著混凝土中大量微觀結(jié)構(gòu)被破壞，混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度大幅度下降，養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響已經(jīng)不明顯。

與UHPC-H 相比，在20 ℃時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)條件的UHPC-S 抗壓強(qiáng)度均略高。這歸因于在UHPC-H 中添加了PP纖維。PP纖維的加入導(dǎo)致混凝土的密度降低，因?yàn)镻P 纖維的結(jié)合強(qiáng)度較低，與水泥基體形成結(jié)合程度相對(duì)較弱的混凝土，同時(shí)在內(nèi)部形成微裂紋。在受火溫度20～100 ℃期間，這兩種UHPC 的抗壓強(qiáng)度隨著溫度升高略微下降，這是因?yàn)榛炷恋谋┞队诟邷丨h(huán)境時(shí)會(huì)發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)溫度小幅度的提高并未降低混凝土的力學(xué)性能。在受火溫度100～300 ℃期間，兩種UHPC 的殘余抗壓強(qiáng)度隨著溫度升高顯著下降。當(dāng)受火溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，UHPC-H 比UHPC-S 具有更高的強(qiáng)度。這是因?yàn)镻P 纖維在170 ℃左右熔化所促進(jìn)的孔隙壓力消散，且熔化后形成的孔道使得水蒸氣更容易逸散。同時(shí)，在高于300 ℃的溫度環(huán)境下，化學(xué)結(jié)合水通過氫氧化鈣和水合硅酸鈣（C-S-H）的分解從混凝土中釋放出來，從而進(jìn)一步降低抗壓強(qiáng)度。當(dāng)受火溫度達(dá)到500 ℃以上，UHPC-H 和UHPC-S 的殘余抗壓強(qiáng)度值繼續(xù)下降，但兩者之間強(qiáng)度差別不大。受火溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，兩種試件僅保留了原始抗壓強(qiáng)度的25%左右。

對(duì)比相同養(yǎng)護(hù)條件下的UHPC-N 與UHPC-P 試件，在20 ℃和受火溫度達(dá)到100 ℃后，UHPC-N 的絕對(duì)抗壓強(qiáng)度略高。隨著受火溫度達(dá)到300 ℃，POM纖維的熔化降低了混凝土內(nèi)部的孔隙壓力，致使UHPC-P比UHPC-N的強(qiáng)度高。受火溫度超過300 ℃后，UHPC-N與UHPC-P 均發(fā)生了爆裂。由于缺少鋼纖維，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展更快，這是因?yàn)殇摾w維的橋聯(lián)作用延緩了混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。同時(shí)POM 纖維摻量較少，導(dǎo)致UHPC-P 試件與UHPC-N 試件的耐火性能類似。

2.2 彈性模量

彈性模量定義為40%峰值應(yīng)力處的割線模量，結(jié)果如圖5所示。對(duì)于同一類型UHPC 暴露于相同的溫度而言，不同養(yǎng)護(hù)條件下的彈性模量損失幾乎相同，偏差小于10%。

UHPC-S 在受火溫度為100 ℃、300 ℃、500 ℃、700 ℃彈性模量的平均值分別為20 ℃時(shí)的83%、38%、9%、3%；UHPC-H 在受火溫度為100 ℃、300 ℃、500 ℃、700 ℃彈性模量的平均值分別為20 ℃時(shí)的77%、33%、8%、4%。受火溫度達(dá)到到100 ℃時(shí)，彈性模量下降是由于混凝土中水分流失而導(dǎo)致的微裂紋和微觀結(jié)構(gòu)變化。此時(shí)混凝土的力學(xué)性能并未大幅下降，UHPC-H 中添加的PP 纖維影響了混凝土的密實(shí)度，造成了更大的彈性模量降幅。受火溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，混凝土力學(xué)性能開始下降，其彈性模量隨之大幅度下降。當(dāng)受火溫度300～700 ℃期間，由于溫度的不均勻分布以及氫氧化鈣和水合硅酸鈣的分解，造成彈性模量的大部分損失。對(duì)于UHPC-N與UHPC-P，不同受火溫度下彈性模量的降低幅度大致與以上趨勢(shì)相當(dāng)。

2.3 壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

4 組UHPC 在所有目標(biāo)溫度下的壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系被繪制成全曲線，如圖6 所示。在圖6 中還同時(shí)繪制了不同養(yǎng)護(hù)方式試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?？梢钥闯?，受火溫度為100～300 ℃時(shí)，蒸汽養(yǎng)護(hù)試件的殘余抗壓強(qiáng)度略高，超過300 ℃后則沒有明顯的差異。

隨著溫度升高，4 種UHPC 的峰值壓應(yīng)力和彈性模量逐漸減小，而相應(yīng)的峰值應(yīng)變?cè)龃蟆?0 ℃和受火溫度達(dá)到100 ℃后，由于自由水分蒸發(fā)產(chǎn)生裂紋，峰值應(yīng)力略有下降，峰值應(yīng)變略有增加。受火溫度升至300 ℃、500 ℃、700 ℃過程中，峰值應(yīng)力的降低和峰值應(yīng)變的增加速度明顯加快。這主要?dú)w因于混凝土中氫氧化鈣脫水、水合硅酸鈣分解等導(dǎo)致的混凝土微觀結(jié)構(gòu)退化。

通過比較UHPC-S 和UHPC-H 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可知在20℃和受火溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，UHPC-H的峰值應(yīng)力比UHPC-S 略低，這歸因于混凝土內(nèi)添加了PP 纖維，密度略有降低。受火溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，與UHPC-S 相比，UHPC-H 保持更高的強(qiáng)度，因?yàn)镻P纖維的熔化增加了滲透性并延緩了混凝土微觀結(jié)構(gòu)的退化。受火溫度超過300 ℃后，隨著溫度升高，兩種UHPC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得越來越平坦。UHPC試件延性的增強(qiáng)是鋼纖維的存在以及在高溫下發(fā)生軟化的結(jié)果。當(dāng)受火溫度超過300 ℃后，UHPC-H 比UHPC-S 表現(xiàn)出了更好的延性，其下降段更為平緩。這是因?yàn)橛捎赑P 纖維完全熔化會(huì)增加微裂紋，同時(shí)在孔隙水?dāng)U散過程中的附加應(yīng)變略微增加，因此延展性也略微增加。

3 高溫后殘余受壓性能關(guān)系擬合曲線

從上述UHPC高溫后殘余受壓試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)用于建立高溫后殘余受壓性能關(guān)系擬合曲線，可用于對(duì)由UHPC的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行耐火分析。所有的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和壓應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)都可以用來表示在受火溫度20～700 ℃期間的的高溫后殘余受壓性能關(guān)系。這些關(guān)系可通過在MATLAB 中對(duì)從本研究中的試驗(yàn)結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘回歸分析得出。在該擬合曲線中，將溫度T 作為自變量，測(cè)量的材料特性作為因變量。決定系數(shù)R2是其自變量的誤差平方和之比，表示通過回歸分析得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)關(guān)系的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)UHPC 建立的高溫后殘余受壓性能方程的R2值介于0.95～1之間，表明所提出的方程有效地?cái)M合了測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)殘余抗壓強(qiáng)度fcT′和彈性模量（EcT隨溫度的變化，用系數(shù)αT表示在目標(biāo)受火溫度的測(cè)量值和20 ℃時(shí)相應(yīng)特征值fc′、Ec的比率。

由于測(cè)試數(shù)據(jù)顯示PP 纖維對(duì)UHPC 的力學(xué)性能沒有顯著影響，因此UHPC-S 和UHPC-H 高溫后殘余受壓性能關(guān)系相似。以方程的形式給出的UHPC-S、UHPC-H在目標(biāo)溫度T下推導(dǎo)出的αT值如表4所示。

表4 UHPC-S和UHPC-H的高溫后殘余受壓性能Tab.4 Residual Compressive Performances of UHPC Relations after High Temperature Exposure for UHPC-S and UHPC-H

UHPC-N、UHPC-P 在目標(biāo)溫度T 下推導(dǎo)出的αT值如表5所示。同樣的，POM 纖維對(duì)UHPC 的力學(xué)性能沒有顯著影響，因此這一組建立的關(guān)系適用于這兩種類型的UHPC。

4 設(shè)計(jì)適用性

為了可靠地預(yù)測(cè)UHPC 構(gòu)件的耐火性，需要通過UHPC 的高溫力學(xué)性能的數(shù)據(jù)來進(jìn)行。目前，關(guān)于UHPC 的高溫后殘余受壓性能的數(shù)據(jù)很少。即使在少數(shù)發(fā)表的研究成果中，由于缺乏關(guān)于在高溫下研究混凝土力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)化程序的規(guī)范，所有的研究測(cè)試設(shè)置和測(cè)試程序也存在一定的差異。為了研究溫度對(duì)UHPC 殘余受壓性能的影響，本次試驗(yàn)對(duì)UHPC試樣進(jìn)行了詳細(xì)的研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)UHPC的各種溫度下的殘余受壓性能，提出了一系列簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。提出的高溫力學(xué)性能方程可用于數(shù)值分析，以評(píng)估UHPC 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的火災(zāi)響應(yīng)。

5 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)的研究，可以得到如下初步結(jié)論：

⑴UHPC的殘余受壓性能隨受火溫度的升高而逐漸退化，當(dāng)受火溫度超過300℃時(shí)退化速率明顯加快；

⑵無纖維試件（UHPC-N）試件和POM 纖維摻量（0.33%）較少試件（UHPC-P）在500 ℃時(shí)發(fā)生完全爆裂。在這兩類試件相比，UHPC 中添加鋼纖維可顯著提高混凝土的殘余受壓性能及抗爆裂能力；

⑶在UHPC中添加0.33%的PP纖維可降低爆裂風(fēng)險(xiǎn)；

⑷在整個(gè)20～700 ℃溫度范圍內(nèi)，UHPC的峰值壓應(yīng)力隨著溫度升高而降低，延性隨著溫度升高而增加；

⑸在20～300 ℃范圍內(nèi)蒸汽養(yǎng)護(hù)試件具有比常溫養(yǎng)護(hù)試件更高的殘余抗壓強(qiáng)度。300～700 ℃范圍養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土的殘余力學(xué)性能內(nèi)沒有明顯影響；

⑹所提出的與溫度相關(guān)的力學(xué)性能的關(guān)系可用作評(píng)估UHPC 結(jié)構(gòu)耐火性的依據(jù)。