火災(zāi)后纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗研究

周云龍, 亢晉軍, 梁雄雄, 王興國,2, 尤志國,2,3*

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 河北 唐山 063210;2.河北省地震工程研究中心, 河北 唐山 063210;3.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室, 河北 廊坊 065201)

0 引言

建筑火災(zāi)事故嚴重影響著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。當(dāng)混凝土受到火災(zāi)高溫作用時,內(nèi)部材料性能發(fā)生變化,混凝土的力學(xué)性能隨著溫度升高而下降。輕骨料混凝土具有質(zhì)量輕、強度高、耐火性能好等優(yōu)點,在生產(chǎn)輕骨料和配置輕骨料混凝土?xí)r,利用了粉煤灰、硅灰等工業(yè)固體廢棄物,有利于資源的綜合利用和節(jié)能減排[1-3]。隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展,輕骨料混凝土在大跨橋梁、高層建筑、隧道等工程中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

近年來的研究結(jié)果表明[6-7],輕骨料混凝土的高吸濕性和低密實性對混凝土的高溫爆裂影響顯著,高溫后的殘余抗壓強度、抗彎和抗拉強度小于普通混凝土的。目前,很多學(xué)者對輕骨料混凝土中摻加適量纖維提高力學(xué)性能、耐火耐高溫性能進行了大量研究。研究結(jié)果表明,適量無機纖維可在輕骨料混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)并降低了混凝土內(nèi)部含氣量,提高了混凝土的抗壓強度[8-10];鋼纖維或混雜纖維混合摻入輕骨料混凝土中,有效地限制裂縫的發(fā)展,同時增強了混凝土的延性,提高了混凝土高溫后的力學(xué)性能[11-12]。鍍銅鋼纖維是一種高強度、高彈性模量的鋼纖維,并且鋼纖維表面鍍銅可有效防止鋼纖維在混凝土中生銹膨脹,有效提高了混凝土的抗壓強度[13]。陶瓷纖維是一種新型綠色環(huán)保的無機纖維,與混凝土結(jié)合性能更好,不易與混凝土內(nèi)各種添加劑發(fā)生反應(yīng)。

目前,對于高溫后混凝土殘余性能的研究,很多學(xué)者[14-15]采用箱式電爐以恒定速率升溫至目標(biāo)溫度后恒溫一定時間(2～6 h),使試塊內(nèi)外達到相同溫度。此外,國內(nèi)學(xué)者韋宇碩等[16]、陳海彬等[17]在研究混凝土火災(zāi)高溫后混凝土抗壓性能時,采用耐火試驗爐按照ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進行明火試驗。國外學(xué)者Kiran等[18]在研究輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)混凝土耐火性能時,使用箱式電爐根據(jù)ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進行高溫試驗,試塊分別加熱30 min(821 ℃)、60 min(925 ℃)和90 min(986 ℃)后再恒溫30 min,對輕質(zhì)保溫石膏增強高強結(jié)構(gòu)混凝土耐火性能進行評價及研究了高強混凝土殘余抗壓強度、黏結(jié)強度和抗剪強度。對于高溫后纖維混凝土殘余力學(xué)性能的研究,國外學(xué)者[19-20]通過調(diào)整升溫速率使電爐內(nèi)升溫趨勢與ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線趨勢盡量相近進行升溫試驗,升溫至目標(biāo)溫度后恒溫一定時間。

采用耐火試驗爐按照ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進行明火試驗,目前還不能實現(xiàn)維持某一恒定目標(biāo)溫度2～6 h,不能實現(xiàn)使試塊內(nèi)外溫度相同的效果,但是耐火試驗爐明火試驗更接近模擬真實火災(zāi)?？紤]到在我國城鎮(zhèn)地區(qū)95%以上的火災(zāi)能在 2 h 內(nèi)撲滅,因此,本文選取3種2 h內(nèi)不同受火時間20、30、60 min,通過對不同類型及摻量的鍍銅鋼纖維、陶瓷纖維以及陶瓷-鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土,按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 834升溫曲線進行明火升溫試驗,分析不同纖維類型及摻量對輕骨料混凝土在不同受火時間的爆裂情況、質(zhì)量損失率、抗壓強度及抗壓強度殘余率的影響。本文旨在開發(fā)一種可用于內(nèi)外墻保溫承重體系的纖維輕骨料混凝土,從而為纖維輕骨料混凝土的抗火性能優(yōu)化設(shè)計以及火災(zāi)后修復(fù)加固提供依據(jù)。

圖1 粉煤灰陶粒Fig.1 Fly ash ceramsite

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗采用盾石牌P·O42.5型號普通硅酸鹽水泥;摻合料采用燒失量為6.5的Ⅱ級粉煤灰和燒失量為2.6的Ⅱ級硅灰;細骨料為細度模數(shù)為2.76的優(yōu)質(zhì)河砂,屬Ⅱ區(qū)中砂;粗骨料為5～16 mm粉煤灰陶粒,粉煤灰陶粒如圖1所示,實測的粉煤灰陶粒性能指標(biāo)見表1;纖維采用導(dǎo)熱性能好的鍍銅鋼纖維和阻燃耐火的陶瓷纖維,纖維外觀形狀如圖2所示,其性能指標(biāo)見表2。

表1 粉煤灰陶粒性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of fly ash ceramsite

(a) 鍍銅鋼纖維

(b) 陶瓷纖維

表2 纖維性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of fibers

1.2 試驗配合比

試驗考慮不同摻量的鍍銅鋼纖維和陶瓷纖維以及不同受火時間(20、30、60 min)對纖維輕骨料混凝土火災(zāi)高溫后抗壓強度的影響,輕骨料混凝土配合比見表3,試驗分組及結(jié)果見表4。

表3 輕骨料混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of lightweight aggregate concrete kg·m-3

表4 試驗分組及結(jié)果Tab.4 Test grouping and results

1.3 試驗方案

本次試驗制作了15組不同纖維種類、不同纖維摻量的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm(長度×寬度×高度)的立方體試塊,在不同受火時間(20、30、60 min)后進行抗壓強度試驗。為了保證混凝土拌合質(zhì)量,攪拌前用聚丙烯酰胺(PAM)對陶瓷纖維進行分散,用水將粉煤灰陶粒潤濕。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件28 d后,置于干燥通風(fēng)處2～3 d,自然干燥后進行火災(zāi)實驗。試驗采用華北理工大學(xué)火災(zāi)實驗室尺寸為3 600 mm×6 000 mm×1 760 mm(長度×寬度×高度)的水平爐,按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進行火災(zāi)升溫實驗。當(dāng)加熱到預(yù)定時間后停止升溫,自然降溫冷卻至常溫后,打開爐蓋,觀測試塊爆裂情況,測量試塊的質(zhì)量損失及殘余抗壓強度。

初步設(shè)計受火加熱時間方案為20 min(781 ℃)、30 min(821 ℃)、60 min(925 ℃)。第1次試驗受火時間為60 min,由于ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線前期升溫速度快,打開爐蓋發(fā)現(xiàn)試件破壞嚴重,單摻陶瓷纖維輕骨料混凝土試件無完整試件,均有不同程度的爆裂現(xiàn)象,所以將第2次受火時間調(diào)整為30 min。第2次試驗受火時間為30 min,但陶瓷纖維輕骨料混凝土試件依然無完整試件,故將第3次試驗受火時間調(diào)整為20 min。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

圖3給出了受火時間為20、30、60 min實測爐溫與ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對比?？梢?不同受火時間下爐溫升溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫趨勢相同,符合ISO 834標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 升溫曲線Fig.3 Temperature rise curves

圖4至圖6分別給出了陶瓷纖維輕骨料混凝土、鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土、陶瓷-鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土不同受火時間后表觀特征。高溫后不同纖維種類試塊在不同受火時間下爆裂個數(shù)及爆裂情況存在明顯差異,受火后纖維輕骨料混凝土爆裂特征見表5。

由圖4和表5可知,摻加陶瓷纖維的輕骨料混凝土在受火20 min后,18個混凝土試塊均有不同程度的剝落,輕骨料暴露,試塊成深灰色;受火30 min后,四周剝落嚴重,輕骨料由掉落現(xiàn)象,試塊成灰白色;受火60 min后,混凝土試塊發(fā)生嚴重爆裂。陶瓷纖維輕骨料混凝土爆裂情況嚴重主要是由于陶瓷纖維為阻燃材料,受火后未發(fā)生融化,與混凝土骨料粘結(jié)好,內(nèi)外溫度差大。

由圖5和表5可知,摻加鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土,受火20 min后,試塊表面光滑平整,整體性完好,無裂縫和剝落現(xiàn)象;受火30 min后,試塊表面出現(xiàn)細小裂縫和輕微粉末顆粒,仍然保持完整;受火60 min后,試塊表面由粉質(zhì)顆粒,裂縫寬度增大。隨著受火時間增大,混凝土試塊由深灰色變?yōu)榛野咨?/p>

(a) 常溫

(b) 受火20 min

(c) 受火30 min

(a) 常溫

(b) 受火20 min

(c) 受火30 min

(d) 受火60 min

(a) 常溫

(b) 受火60 min

由圖6和表5可知,摻加陶瓷-鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土受火60 min后,四周出現(xiàn)較大裂縫和大量細小孔洞,部分試塊發(fā)生了邊角爆裂現(xiàn)象。

由圖4至圖6和表5可知,摻加陶瓷纖維輕骨料混凝土試塊均發(fā)生嚴重爆裂現(xiàn)象,無完整試塊;受火60 min后,摻加鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土試塊未發(fā)生爆裂現(xiàn)象,而混摻陶瓷-鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土部分發(fā)生邊角爆裂現(xiàn)象。

表5 受火后纖維輕骨料混凝土爆裂特征Tab.5 Burst characteristics of fiber reinforced lightweight aggregate concrete after fire

通過分析可知,在明火高溫作用下,單摻陶瓷纖維輕骨料混凝土試塊表面受熱膨脹,由于陶瓷纖維導(dǎo)熱系數(shù)小,因此試塊內(nèi)部與外部存在較大的溫度梯度;同時膠凝材料在高溫長時間作用下持續(xù)劣化,由于內(nèi)部蒸氣壓力和溫度應(yīng)力共同作用的影響,因此當(dāng)應(yīng)力達到混凝土自身抗拉強度時,試塊產(chǎn)生裂縫,高溫作用下裂縫急劇發(fā)展引起爆裂。單摻鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土,由于鍍銅鋼纖維導(dǎo)熱性能好,可緩解試塊內(nèi)部與外部的溫度梯度,降低了溫度應(yīng)力,同時鍍銅鋼纖維可有效拉結(jié)裂縫兩側(cè)的混凝土,因此提高了開裂后混凝土抗拉強度,降低了混凝土在溫度應(yīng)力和蒸汽壓力共同作用下的爆裂現(xiàn)象。

2.2 火災(zāi)后質(zhì)量損失率

在火災(zāi)高溫作用下,輕骨料混凝土中的水分逐漸蒸發(fā)、C-H和C-S-H等膠凝結(jié)構(gòu)逐漸水化分解,造成輕骨料混凝土的質(zhì)量損失。而質(zhì)量損失率可以間接反映輕骨料混凝土抗壓強度變化規(guī)律和內(nèi)部損傷情況。質(zhì)量損失率由式(1)計算。

(1)

式中:δ為質(zhì)量損失率,%;Δm為受火前后試塊質(zhì)量差,kg;m為受火前試塊質(zhì)量,kg。

不同受火時間、不同纖維摻量輕骨料混凝土質(zhì)量損失率計算結(jié)果見表4。分析單摻鍍銅鋼纖維摻量對不同受火時間輕骨料混凝土質(zhì)量損失率的影響,得到的鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土質(zhì)量損失率如圖7所示。由圖可知,受火30 min內(nèi),鍍銅鋼纖維摻量越大,質(zhì)量損失率越高,原因主要是鍍銅鋼纖維摻量越高,與混凝土基體受火后形成孔道越多,水蒸氣更容易釋放;隨著受火時間的增長,這部分影響越來越小,60 min后鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土質(zhì)量損失率相差很小。

受火60min后陶瓷-鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土質(zhì)量損失率如圖8所示。由圖可知,受火60 min后,不同陶瓷-鍍銅鋼纖維混摻方式對輕骨料混凝土質(zhì)量損失率的影響不同。當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量不變時,隨著陶瓷纖維摻量增加,輕骨料混凝土質(zhì)量損失率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。其中陶瓷纖維摻量為3.9 kg/m3與鍍銅鋼纖維摻量為40、50 kg/m3的混摻效果最好,質(zhì)量損失率僅為12.0%、10.3%。

圖7 鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土質(zhì)量損失率Fig.7 Mass loss rate of copperplated steel fiber lightweight aggregate concrete

圖8 受火60 min后陶瓷-鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土質(zhì)量損失率Fig.8 Mass loss rate of ceramic copper plated steel fiber lightweight aggregate concrete after 60 minutes of fire

2.3 火災(zāi)后殘余抗壓強度

纖維輕骨料混凝土受火后抗壓強度的降低主要是經(jīng)過火災(zāi)高溫后試塊內(nèi)部發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化,造成輕骨料混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞?；馂?zāi)下試塊內(nèi)自由水、結(jié)晶水逐漸蒸發(fā),以及C-H、C-S-H等膠凝結(jié)構(gòu)脫水蒸發(fā),加重了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷,造成抗壓強度繼續(xù)降低。

經(jīng)歷不同受火時間后(20、30、60 min),鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強度及抗壓強度殘余率與受火時間的關(guān)系如圖9所示。由圖可以看出,隨著受火時間的增加,不同鍍銅鋼纖維摻量的輕骨料混凝土抗壓強度均降低,受火時間對抗壓強度的影響較大。受火30 min后,摻量為30、40 kg/m3鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土抗壓強度殘余率相近,分別為91.2%、92.2%,而摻量為50 kg/m3鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土抗壓強度殘余率僅為62.5%,抗壓強度降幅較快;受火60 min后,鍍銅鋼纖維摻量為30、40、50 kg/m3的輕骨料混凝土抗壓強度殘余率相近,分別為15.8%、16.5%、16.7%,但是受火時間從30 min增長到60 min后,摻量為30、40 kg/m3鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土抗壓強度降幅分別為75.4%、75.7%,摻量為50 kg/m3鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土抗壓強度降幅為45.8%,說明鍍銅鋼纖維摻量為50 kg/m3的輕骨料混凝土受火30 min內(nèi)抗壓強度下降較快,從30 min到60 min抗壓強度降幅較小,主要原因與圖7所示質(zhì)量損失率分析一致,受火30 min內(nèi)鋼纖維摻量越大,質(zhì)量損失率增長速度快,蒸氣壓釋放越快,抗壓強度降低越快,30 min后質(zhì)量損率增長變慢,抗壓強度下降減緩。

(a) 抗壓強度

(b) 抗壓強度殘余率

受火60 min陶瓷-鍍銅鋼纖維混凝土抗壓強度及抗壓強度殘余率如圖10所示。由圖10(a)可以看出,受火60 min后鍍銅鋼纖維摻量為30、40 kg/m3的輕骨料混凝土混分別摻入1.3、2.6、3.9 kg/m3的陶瓷纖維抗壓強度比單摻鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土抗壓強度低;當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量不變時,隨著陶瓷纖維摻量的增加,受火后抗壓強度逐漸提高;鍍銅鋼纖維摻量為50 kg/m3的輕骨料混凝土摻入3.9 kg/m3的陶瓷纖維,抗壓強度高于單摻鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土。

(a) 抗壓強度

(b) 抗壓強度殘余率

由圖10(b)可知,受火60 min后鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土混分別摻入1.3、2.6、3.9 kg/m3的陶瓷纖維抗壓強度殘余率,比單摻鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強度殘余率高,隨著陶瓷纖維摻量的增大,抗壓強度殘余率逐漸增大,其中,鍍銅鋼纖維摻量為50 kg/m3的輕骨料混凝土混分別摻入1.3、2.6、3.9 kg/m3的陶瓷纖維抗壓強度殘余率提升效果最好,分別增加了0.2%、0.9%、2.9%。

3 結(jié)論

① 隨著受火時間的增長,不同摻量的陶瓷纖維輕骨料混凝土均發(fā)生嚴重爆裂現(xiàn)象;摻加鋼纖維輕骨料的混凝土未發(fā)生爆裂現(xiàn)象,混摻陶瓷-鍍銅鋼纖維輕骨料的混凝土部分發(fā)生邊角爆裂現(xiàn)象;在改善輕骨料混凝土抗爆裂性能方面,鍍銅鋼纖維優(yōu)于陶瓷纖維和陶瓷-鍍銅鋼纖維。

② 受火30 min內(nèi),鍍銅鋼纖維摻量越大,輕骨料混凝土質(zhì)量損失率越高,抗壓強度下降越快;受火60 min后,鍍銅鋼纖維摻量對輕骨料混凝土質(zhì)量損失率影響不明顯,抗壓強度降幅較小,50 kg/m3鍍銅鋼纖維摻量的輕骨料混凝土抗壓強度降幅為45.8%。

③ 相同受火時間(60 min)和相同摻量鍍銅鋼纖維的輕骨料混凝土,隨著陶瓷纖維摻量的增加,質(zhì)量損失率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,抗壓強度和抗壓強度殘余率逐漸增高;受火60 min后,摻量為3.9 kg/m3的陶瓷纖維與50 kg/m3的鍍銅鋼纖維的混摻效果最好,質(zhì)量損失率僅為10.3%,比單摻50 kg/m3的鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土的抗壓強度殘余率增加了2.9%。