高溫后RPC立方體抗壓強度退化規律研究

李海艷，鄭文忠，羅百福

(哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱，haiyan126@163.com)

高溫后混凝土立方體抗壓強度對火災后混凝土結構的損傷評估與鑒定加固具有重要意義.國內外學者對普通混凝土與高強混凝土的高溫抗壓性能進行研究發現，普通混凝土高溫后立方體抗壓強度隨經歷溫度的升高總體呈下降趨勢，300℃以內，抗壓強度下降不明顯，400℃作用后，抗壓強度明顯下降，600℃作用后，抗壓強度已降至常溫的35%左右［1-2］;高強混凝土高溫后立方體抗壓強度200℃開始下降，400℃已下降至常溫的85%左右，600℃前，高強混凝土抗壓強度退化速率比普通混凝土快，600℃后，退化趨勢緩于普通混凝土［3-5］.高強混凝土快速升溫易發生爆裂，為避免爆裂，文獻［6-7］在高強混凝土中摻入體積率1%、長度25 mm的鋼纖維和體積率0.2%、長度15 mm的單絲聚丙烯纖維，并進行高溫試驗測得，經歷溫度低于400℃時，高強混凝土高溫后立方體抗壓強度退化較慢，超過400℃后強度退化加快，且高溫試驗過程中無爆裂發生.

活性粉末混凝土(reactive powder concrete簡稱RPC)是一種具有超高強度、高韌性、高耐久性和低滲透性的水泥基復合材料，其組份為水泥、石英砂、硅灰、高效減水劑、鋼纖維等［8］.RPC與普通混凝土及高強混凝土的區別在于:(1)用石英砂代替粗骨料，并摻入硅灰、礦渣等活性摻合料，優化了顆粒級配，提高了內部結構的均勻性和基體密實度;(2)采用高效減水劑，減少用水量，降低了孔隙率;(3)高溫養護加速水泥水化反應并增進火山灰反應，改善了水化產物的微觀結構;(4)在集料中添加小尺寸的鋼纖維，提高了韌性和延性.以上特點使得活性粉末混凝土的高溫力學性能不同于普通混凝土及高強混凝土.

為研究高溫后RPC立方體抗壓強度的退化規律，完成300個70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的RPC立方體試件和120個40 mm×40 mm×160 mm的RPC棱柱體試件經20、120、200、300、400、500、600、700、800、900℃高溫后的抗壓試驗，研究了纖維種類、纖維摻量、溫度歷程、尺寸效應等因素對RPC立方體抗壓強度和受壓破壞特征的影響，建立了活性粉末混凝土立方體抗壓強度隨溫度變化的計算公式.

1 試件設計

1.1 試驗原材料

選用黑龍江賓州水泥有限公司生產的“虎鼎牌”P.O42.5級普通硅酸鹽水泥;SiO2含量94.5%，比表面積20 780 m2/kg的微硅粉;比表面積為475 m2/kg的S95型礦渣粉;哈爾濱晶華水處理材料有限公司生產的40～70目和70～140目石英砂;山東萊蕪紋河化工有限公司生產的FDN濃縮型高效減水劑;長度13 mm，直徑0.22 mm的鞍山昌宏鋼纖維廠生產的高強平直鋼纖維;長度18～20 mm的聚丙烯(PP)纖維.

1.2 配合比確定

課題組通過前期試配試驗確定了RPC的最佳基準配合比［9］.本試驗在此基準配比的基礎上，通過單摻體積率為1%、2%和3%的鋼纖維，單摻體積率為0.1%、0.2%和0.3%的聚丙烯纖維及不同體積率的鋼纖維和聚丙烯纖維混摻等，研究纖維種類和摻量變化對高溫后RPC立方體抗壓強度的影響，具體配比見表1.

1.3 試件制備與養護

RPC制備過程中的投料順序、攪拌時間及養護制度需按一定要求進行.首先將稱量好的石英砂、水泥、硅灰、礦渣、減水劑依次倒入SJD60型單臥軸強制式混凝土攪拌機，干拌3 min;然后向攪拌機內加入稱量好的水，攪拌6 min;再均勻撒入鋼纖維和聚丙烯纖維攪拌6 min出料.將拌合物注入鋼模，在混凝土振動臺上經高頻振動成型，標準環境下靜置24 h后拆模，然后將試件放入90℃的混凝土加速養護箱內養護3 d，再在標準養護室養護60 d拿出晾干，2個月后進行高溫試驗.

為研究纖維種類和摻量變化對高溫后RPC立方體抗壓強度的影響，本試驗共成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件300個;為研究尺寸效應對活性粉末混凝土立方體抗壓強度的影響，針對素RPC、SRPC2、PRPC3與HRPC2成型40 mm×40 mm×160 mm的試件120塊.每3個試件為一組，試驗數據取3個試件的平均值，邊長70.7 mm試件的常溫立方體抗壓強度(fcu)見表1.

2 試驗方案與測試內容

2.1 試驗方案

試驗設計目標溫度為:20、120、200、300、400、500、600、700、800、900℃.為避免含濕量過大導致升溫過程中RPC發生爆裂，將200～900℃高溫試驗所用試件在120℃烘箱內進行24 h烘干，高溫試驗采用電爐升溫.立方體抗壓試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ70—2009)的要求在YA-2000電液式壓力試驗機上進行.

2.2 恒溫時間測定

為了避免升溫速度過快導致試件爆裂，升溫速度定為4℃/min.當爐溫達到目標溫度后，需要恒溫一定時間以使試件內外溫度趨于一致.為確定恒溫時間，在立方體試件中心部位預埋熱電偶(圖1)，以便進行試件中心溫度與爐膛溫度的對比測量.

圖1 內置熱電偶立方體試件

表2列出了各目標溫度下試件中心溫度隨恒溫時間的變化情況.由表可知，恒溫2 h后，試件中心溫度比爐溫低30℃左右，繼續恒溫3～4 h后，溫差變化不大，因此，將恒溫時間定為2 h.圖2是目標溫度為200、400、600、800℃時實際爐溫與試件中心溫度的升溫曲線.冷卻方式為爐內自然冷卻至200℃后打開爐門冷卻至100℃，然后取出試件置于室內，令其自然冷卻至室溫.

表2 目標溫度下試件中心溫度隨恒溫時間變化 ℃

2.3 主要測試內容

試驗主要內容:(1)RPC高溫試驗并觀察記錄試驗過程中的試驗現象;(2)高溫后RPC立方體抗壓強度試驗，用于研究纖維種類、纖維摻量、溫度歷程和試件尺寸對立方體抗壓強度的影響.

圖2 爐溫與試件中心溫度隨時間變化曲線

3 試驗結果與分析

3.1 高溫試驗現象

通過肉眼觀察和電鏡掃描分析發現，纖維種類和摻量不同的活性粉末混凝土隨經歷溫度的升高材料物理化學變化基本一致.200℃以內，試件表面顏色同常溫下顏色一致為青灰色，試件內的自由水蒸發，C-S-H凝膠結構完整、密實，Ca(OH)2結晶排列整齊;升溫至300～400℃，試件表面呈棕褐色，C-S-H凝膠開始脫水分解，Ca(OH)2少量分解，RPC層間結構開始破壞，出現細微裂紋;升溫至500～600℃，試件表面呈黑褐色，C-S-H凝膠體繼續脫水，Ca(OH)2大量分解，生成游離氧化鈣，冷卻后氧化鈣與空氣中的水分結合生成Ca(OH)2，體積膨脹，裂縫增多，強度顯著下降;升溫至700～900℃，試件表面呈黃白色，結構疏松嚴重，產生大量龜裂裂紋，鋼纖維失去作用，800℃后鋼纖維輕折即斷.由上述分析可知，400℃前以物理變化為主，400℃后以化學變化為主.

由于RPC不含粗骨料，內部結構較高強混凝土更加密實，升溫過程中出現了爆裂現象.400℃恒溫結束后，素RPC與PP纖維體積摻量為0.1%的PRPC1爆裂成大小不一的碎塊;500℃恒溫結束后，鋼纖維體積摻量為1%的SRPC1產生較寬爆裂裂紋，試件已沒有相對平整的表面，后續抗壓強度試驗無法進行;700℃恒溫結束后，PP纖維體積摻量為0.2%的PRPC2爆裂成碎塊.高溫試驗過程中鋼纖維摻量為2%和3%的RPC在360～550℃范圍內發出爆裂聲，但恒溫結束后試件基本完好;PP纖維摻量為0.3%的PRPC3在450～580℃范圍內發出爆裂聲，恒溫結束后試件基本完好;混摻纖維的RPC高溫試驗過程中基本無爆裂.由此可知，鋼纖維通過提高RPC抗拉強度抑制爆裂的發生，體積摻量為2%時可以有效防止RPC發生爆裂;聚丙烯纖維融化后互相連通的孔洞為蒸汽溢出提供通道，摻入聚丙烯纖維可以推遲起爆溫度，體積摻量為0.3%時可以防止爆裂發生;混摻兩種纖維時，一方面鋼纖維提高了抗拉強度，另一方面聚丙烯纖維緩解了蒸汽壓力，二者共同作用抑制爆裂效果顯著.

3.2 高溫后立方體抗壓強度

為研究不同高溫作用后，纖維種類和摻量變化對RPC立方體抗壓強度的影響，圖3～5給出了邊長為70.7 mm的RPC高溫后立方體抗壓強度(fcuθ)、及其與常溫抗壓強度的比值(fcuθ/fcu)隨溫度的變化規律.

圖3 鋼纖維RPC高溫后立方體抗壓強度

圖4 聚丙烯纖維RPC高溫后立方體抗壓強度

圖5 混摻鋼纖維與聚丙烯纖維的RPC高溫后立方體抗壓強度

從圖中可以看出:摻不同纖維的RPC立方體抗壓強度隨經歷溫度的升高變化規律基本一致，均隨經歷溫度的升高先增大后減小，單摻纖維的RPC臨界溫度為300℃，而混摻纖維的RPC臨界溫度為400℃.鋼纖維的摻入可以有效提高高溫后RPC立方體抗壓強度，在各對應溫度下，RPC的立方體抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加逐漸增大;聚丙烯纖維對抗壓強度有不利影響，在各對應溫度下，立方體抗壓強度基本上隨PP纖維摻量的增加而減小.

分析上述結果產生原因:活性粉末混凝土中含有硅灰、礦渣等活性摻合料，經歷小于400℃的高溫作用后，相當于經歷了“高溫養護”的過程，使得二次水化反應更加充分，強度較常溫也相應提高.鋼纖維的摻入抑制了由于快速溫度變化(升溫或冷卻過程中)而產生的混凝土體積變化，另外，由于鋼纖維具有更好的熱傳導性能，使得混凝土在高溫下更快地達到內外溫度的均勻一致，減小溫度應力，因此，摻入鋼纖維可以有效提高RPC高溫后抗壓強度;聚丙烯纖維熔點較低，融化后互相連通的孔洞為蒸汽溢出提供了通道，但同時也增加了RPC的內部缺陷，所以抗壓強度隨PP纖維摻量的增加而減小.

3.3 試件尺寸對抗壓強度的影響

將素RPC、摻鋼纖維的RPC(SRPC2和HRPC2)、PRPC3在上述各溫度段內的尺寸換算系數取算術平均值匯總于表3.從表中可以看出:素RPC與PRPC3的立方體抗壓強度受試件尺寸的影響小于摻鋼纖維的RPC.主要因為鋼纖維體積摻量大于聚丙烯纖維，它的摻入增加了RPC內部缺陷出現的幾率，試件尺寸越大，鋼纖維RPC內大缺陷出現的概率也越大，因此受尺寸效應的影響較大.

圖6 摻不同纖維的RPC尺寸換算系數隨溫度變化曲線

表3 不同溫度段內RPC尺寸換算系數平均值

3.4 RPC立方體受壓破壞特征分析

3.4.1 纖維對RPC常溫受壓破壞特征的影響

圖7(a)為鋼纖維摻量不同的RPC常溫時的受壓破壞形態.由于活性粉末混凝土強度很高，試件破壞時，積聚在試驗機上的能量急劇釋放，給試塊以劇烈的沖擊.素RPC受壓時呈突然性的脆性破壞，破壞時發出巨大的響聲，同時碎塊向四周飛濺.摻入鋼纖維的試塊，裂縫形成后，橋架于裂縫間的鋼纖維開始工作，延遲裂縫的擴展，由于鋼纖維從基體拔出時需消耗大量能量，與素RPC相比，破壞時先聽到鋼纖維被拔出的撕裂聲，隨后試件發出巨響而最終破壞，破壞后出現許多裂紋，無碎塊迸裂，且整體性較好，隨著鋼纖維摻量的增加，試件破壞后的完整性也更好.可見，鋼纖維的摻入極大地改善了RPC的受壓破壞性能.

圖7(b)為聚丙烯(PP)纖維摻量不同的RPC常溫時的受壓破壞形態.PP纖維作為一種低彈性模量的有機纖維，其約束阻裂效果比鋼纖維差，對RPC破壞特征的影響也較小.摻量很低時，其破壞特征與素RPC相近，隨著摻量的增加，脆性破壞程度較素RPC有所改善，且破壞時聲音明顯變小，試件的破壞面上可見被拉斷的PP纖維以及由纖維連接的RPC小碎片.

圖7 纖維種類和摻量不同的RPC常溫受壓破壞形態

3.4.2 溫度對RPC受壓破壞特征的影響

圖8(a)為鋼纖維RPC經歷不同高溫后的受壓破壞形態.隨經歷溫度的升高，鋼纖維RPC破壞時發出的響聲先增大后減小，200～500℃高溫后，破壞特征同常溫相似，為脆性破壞，600℃后，當應力達到峰值后，出現明顯的卸載過程，破壞形式明顯呈現塑性.

圖8(b)為聚丙烯(PP)纖維RPC經歷不同高溫后的受壓破壞形態.由于聚丙烯纖維熔點較低為165℃，200～500℃高溫后，RPC中的聚丙烯纖維熔化，抗壓破壞特征與素RPC相似，破壞時無明顯塑性變形，呈突然性的脆性破壞，600～900℃高溫后，RPC抗壓強度急劇下降，破壞時出現明顯的卸載過程，破壞形式轉為塑性破壞.

圖8 經歷不同高溫后的RPC受壓破壞形態

4 高溫后立方體抗壓強度統計分析

鑒于摻鋼纖維與單摻聚丙烯纖維的RPC立方體抗壓強度隨經歷溫度的變化規律有較大不同，分別提出如式(1)和式(2)所示的線性擬合公式，理論曲線與試驗數據繪于圖9.

鋼纖維體積摻量為1%～3%的RPC(單摻鋼纖維、混摻纖維)高溫后立方體抗壓強度的計算公式為

單摻PP纖維體積率為0.1%～0.3%的RPC高溫后立方體抗壓強度的計算公式為

式中:fcuθ為高溫后的立方體抗壓強度;fcu為常溫時的立方體抗壓強度;θ為經歷溫度;R2為相關系數.

圖9 高溫后RPC立方體抗壓強度與溫度關系曲線

圖9中NC為普通混凝土線性回歸曲線［1］，HSC為高強混凝土線性回歸曲線［5］.通過對比分析可知:相對于普通混凝土與高強混凝土，活性粉末混凝土在400℃以內抗壓強度隨經歷溫度的升高明顯增大，600℃作用后強度明顯下降.這主要由于活性粉末混凝土不含粗骨料，內部結構較NC和HSC更加密實，但鋼纖維與聚丙烯纖維的摻入緩解了因結構密實而造成的高溫損傷，且鋼纖維的摻入可有效提高RPC高溫后力學性能.

5 結論

1)RPC升溫過程出現爆裂現象.鋼纖維體積摻量為2%時可有效抑制爆裂發生;聚丙烯纖維對爆裂改善作用不明顯，體積摻量為0.3%時才可防止爆裂發生;兩種纖維混摻時，一方面鋼纖維提高了抗拉強度，另一方面聚丙烯纖維緩解了蒸汽壓力，二者共同作用抑制爆裂效果顯著.

2)隨經歷溫度的升高，摻不同纖維的RPC高溫后立方體抗壓強度均呈現出先增大后減小的變化規律，300～400℃強度達到峰值，600℃開始明顯下降.鋼纖維可以有效提高RPC高溫后立方體抗壓強度，聚丙烯纖維對抗壓強度有不利影響.

3)鋼纖維RPC受尺寸效應的影響大于素RPC和單摻聚丙烯纖維的RPC.通過計算匯總，給出RPC在不同溫度段內的尺寸換算系數平均值.

4)由于活性粉末混凝土強度較高，在經歷溫度低于600℃時，抗壓破壞特征表現為明顯的脆性破壞，超過600℃后，由脆性破壞轉為塑性破壞.鋼纖維的加入，極大改善了RPC的抗壓破壞特征，聚丙烯纖維對RPC破壞特征的改善不明顯.

5)通過回歸分析，建立了活性粉末混凝土高溫后立方體抗壓強度隨溫度變化的計算公式.

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