纖維對混凝土筒體高溫下變形的影響

柳根金， 丁一寧

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

不斷增加的隧道工程建設需求[1-3]以及頻發的隧道火災事故，使得隧道火災安全越來越受到關注，提高隧道襯砌結構的耐火性能已成為當前迫切需要解決的問題[4].

隧道火災因同時具有溫度高、升溫劇烈的特點而區別于一般建筑火災[5-6]，火災中暴露于高溫下的襯砌結構會發生開裂甚至嚴重變形，危害隧道的安全性和整體性[7].目前，國內外學者對隧道襯砌結構在火災下的力學性能研究，大多關注到溫度高這一特點，而升溫劇烈的特征并沒有得到足夠的重視.

高溫下普通混凝土材料的物理化學變化會對其宏觀熱工性能和力學性能產生明顯影響：升溫和高溫持續作用使混凝土內部形成溫度和蒸汽壓力梯度[8-9]，迅速升高的熱應力和蒸汽壓力使混凝土內部損傷積累，最終導致爆裂、強度下降[10]；對于暴露在高溫下的高性能混凝土，因其具有更好的密實性，在高溫早期便會發生爆裂[11].學者們已經從材料層面上探索了如何改善混凝土的耐高溫性能：聚丙烯(polypropylene, PP)纖維可有效提高混凝土的爆裂性能[12-14]；鋼纖維(steel fiber, SF)雖無法阻止混凝土發生高溫爆裂，但可以提高其高溫后的殘余力學性能[15-17].纖維可以提升經歷高溫以及高溫后混凝土的物理力學性能，為改善混凝土筒體類構件的耐高溫性能提供了一種新的途徑.但該結論是基于材料層面得出的，而從材料與構件相互聯系角度出發，研究纖維對高溫作用下混凝土構件整體性能的改善作用，意義更加重大.

本文借鑒德國工業標準DIN-18 160《Hausschornsteine Pruefbedinggungen und Beurteilungskviterien》中筒體構件的時間-溫度曲線，通過燃燒液化氣來模擬隧道火災的高溫作用，對高溫試驗過程中SF，PP纖維和鋼筋掛網改性混凝土筒體的筒壁各層溫度變化、徑向變形以及高溫后筒體的殘余徑向變形等展開了研究，以期為隧道襯砌結構在高溫下的性能研究以及高溫后的修復工作奠定基礎.

1 試驗

1.1 原材料及試件

水泥(C)為P·Ⅱ 42.5 R型硅酸鹽水泥；二級粉煤灰(FA)；細骨料(FIA)為細度模數2.46的Ⅱ區河砂；粗骨料(CA)為碎石；減水劑(SP)為聚羧酸類高效減水劑；拌和水(W)為自來水；混凝土基準配合比見表1.纖維采用冷拉鋼絲型鋼纖維(SF)和三葉截面型聚丙烯(PP)纖維，纖維性能參數見表2.

表1 混凝土基準配合比

表2 鋼纖維與聚丙烯纖維性能參數

圓筒內半徑a為200mm，外半徑b為250mm，高1200mm.鋼筋混凝土(RC)筒體采用未摻纖維的混凝土，配置直徑為6mm的光圓鋼筋，其環向和縱向配筋率均為0.4%，其余筒體采用纖維混凝土.各試件纖維摻量見表3(表中“SFa40”表示單摻 40kg/m3SF，“HFa403”表示混摻40kg/m3SF和 3kg/m3PP纖維，以此類推).不同配合比混凝土試件的坍落流動度、28d立方體抗壓強度同列于表3.

表3 混凝土試件的纖維摻量、坍落流動度與抗壓強度

1.2 試驗加熱裝置與制度

進行高溫試驗的混凝土筒體截面及測點布置如圖1所示.試驗燃燒系統由液化氣罐、液化氣壓力控制閥、液化氣管道和噴火嘴構成.在混凝土筒壁上布置鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶(LVDT)后灌入水泥砂漿填實，熱氣溫度和徑向位移測量點位于噴火嘴上方600mm處.加熱溫度-時間(T-t)曲線如圖2所示，Tg表示熱氣溫度.除1次高溫試驗外，針對隧道中可能出現的重復燃爆，還進行了2次循環高溫試驗(2次相同的1次高溫試驗).快速升溫階段升溫速率約為 100℃/min，最高溫度 1000℃；恒溫階段Tg在 1000℃ 左右，持續時間30min；降溫階段為自然冷卻約3h[13].試驗時，實測的熱氣溫度-時間曲線與DIN-18 160標準曲線吻合良好.

圖1 筒體截面及測點布置Fig.1 Cross-section of specimen and measuring positions

圖2 高溫試驗T-t曲線以及RC筒體筒壁溫度變化曲線Fig.2 Temperature-time curve and temperature change of RC specimen

2 試驗結果

2.1 T-t曲線及筒壁溫度分布變化

試驗中所有試件的筒壁溫度分布規律均比較類似[18-19].由圖2(a)可以看出：1次高溫試驗時，RC試件內壁首先升溫，隨后，筒壁中間和外壁溫度逐漸升高.由于混凝土材料的熱惰性，試件由內向外各層溫度的傳遞表現出一定的滯后性：Tg上升到1 000℃時，筒體內壁溫度Tinn達到106℃，筒壁中間層溫度Tmid為33℃，而外壁溫度Tout仍保持為室溫；熱氣溫度穩定階段末，筒壁溫度達到峰值，此時Tinn上升至420℃，Tmid為176℃，Tout為107℃，筒壁內外溫差也達到峰值；隨著熱氣關閉，筒壁各點溫度開始逐漸下降，筒壁內外層溫度差也逐漸縮小；自然冷卻階段末(210min)，筒內外壁溫差降至20℃.由圖2(b)可見，2次高溫試驗中，第2個高溫循環熱氣溫度穩定階段末筒體各層的溫度比第1個高溫循環高出50℃左右.

2.2 纖維對混凝土筒體構件徑向變形的影響

2.2.1SF混凝土筒體與RC筒體徑向位移對比

圖3為不同摻量SF混凝土筒體與RC筒體在1次高溫作用下筒壁徑向位移與加熱時間的關系曲線.由圖3可以看出：熱氣升溫開始后30min內，筒體的徑向位移隨熱氣升溫迅速增大，SFa40，SFa55，SFa70的徑向位移增加速率相近，30min后SFa70徑向位移增加速率減緩；RC，SFa40，SFa55與SFa70的最大徑向位移均發生在熱氣升溫的第40min，試件SFa70的最大徑向位移為0.70mm，比SFa55，SFa40以及RC筒體的最大徑向位移分別減少了7.9%，13.6%和18.6%；40min后筒體進入冷卻階段，徑向位移逐漸減小，而RC筒體徑向位移的減少比摻SF筒體更迅速.

圖3 鋼纖維/鋼筋混凝土筒體徑向位移-加熱 時間對比曲線Fig.3 Comparison of radial deformation-time curves of SF reinforced and RC specimen

圖4為2次高溫循環下不同摻量SF混凝土筒體與RC筒體徑向位移-熱氣溫度曲線對比.由圖4可以看出：第1次高溫試驗中，Tg小于400℃時筒壁無明顯徑向變形；Tg升至500～600℃時筒體徑向變形顯著增加，其中SFa70的徑向位移增大幅度小于SFa55和SFa40，而相同熱氣溫度下摻SF筒體的徑向位移均小于RC筒體；Tg增至1000℃時，筒壁徑向變形急劇增加；關閉熱氣后筒內熱氣溫度下降迅速，徑向變形開始減小，最終殘余變形為0.3～0.4mm；第2次高溫循環試驗中熱氣上升段徑向位移增加相對平緩，隨后徑向位移又開始急劇增加，最終附加的不可恢復殘余徑向變形達0.1～0.2mm.2次高溫循環后，SFa70的最大徑向位移為1.15mm，比SFa55，SFa40和RC試件的最大徑向位移分別減少了2.6%，7.8%，13.0%.在熱氣溫度穩定階段末和冷卻階段相同的熱氣溫度下，摻SF筒體均比RC筒體相應的徑向位移小，且隨著SF摻量增加，筒體徑向位移減小，表明了筒體中摻入SF對限制其高溫徑向變形具有顯著作用.

圖4 熱氣溫度-鋼纖維/鋼筋混凝土筒體徑向位移對比曲線Fig.4 Comparison of gas temperature-radial deformation curves of SF reinforced and RC specimen

2.2.2PP纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移對比

圖5為1次高溫作用下PP纖維混凝土筒體與RC筒體的徑向位移與時間關系曲線.由圖5可以看出：熱氣升溫開始后13min，摻PP纖維筒體的徑向位移隨加熱時間的增加比RC筒體更為明顯；第40min，筒體徑向位移達到峰值，隨著PP纖維摻量的增加，筒體最大徑向位移有所減少，其中PP3的最大位移比PP1減少了19.2%，但與RC筒體相比，PP3最大徑向位移高出22%；冷卻階段末(取為180min)PP1筒體的殘余徑向位移為0.42mm，比PP3和RC筒體分別大了23.8%和90.9%.上述結果表明3kg/m3PP纖維對徑向位移的限制作用不及RC筒體所配鋼筋網片的作用.

圖5 聚丙烯纖維/鋼筋混凝土筒體徑向 位移-加熱時間對比曲線Fig.5 Comparison of radial deformation-time curves of PP fiber reinforced and RC specimen

圖6為2次高溫循環試驗中不同摻量PP纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移隨熱氣溫度的變化曲線.由圖6可以看出：第1次高溫循環試驗中Tg上升至500～600℃前，3種筒體的徑向位移增加不明顯；Tg超過 600 ℃ 后，3種筒體的徑向位移顯著增加，摻PP纖維筒體的徑向位移隨熱氣升溫的增加速率快于RC筒體.第2次高溫循環試驗中，PP1的最大徑向位移為2.1mm，比PP3和RC筒體分別增加了23.5%和90.9%；且經歷第2次高溫作用后，PP3和PP1筒體的殘余徑向位移趨于相同并明顯高于RC筒體，說明PP纖維摻量對筒體殘余變形的影響已經不明顯.

圖6 熱氣溫度-聚丙烯纖維/鋼筋混凝土筒體徑向 位移對比曲線Fig.6 Comparison of gas temperature-radial deformation curves of PP fiber reinforced and RC specimen

圖7對比了熱氣恒溫階段末筒體截面不同測點的最高溫度分布.以PP3筒體為例，1次高溫循環中，Tinn，Tmid和Tout最高可分別達到416，168，106℃；2次高溫循環中，Tinn，Tmid和Tout最高可分別達到460，258，155℃.上述結果表明：高溫后分布在筒壁中間層以內的PP纖維處于高于其熔點溫度(165 ℃)的環境而融化，可防止筒體內壁混凝土的爆裂；而處于外壁附近的PP纖維雖還未達到熔點，但試驗所用PP纖維屬于非結構型纖維，無法限制筒體因開裂所產生的徑向位移.

圖7 熱氣恒溫階段末筒體截面不同測點的最高溫度分布Fig.7 Maximum temperature distribution at different measuring points on the cross-section at the end of thermal stability stage

2.2.3混雜纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移對比

圖8為1次高溫作用下混雜纖維混凝土筒體與RC筒體徑向位移與時間關系曲線.由圖8可以看出：熱氣升溫開始后25min內，混雜纖維筒體與RC筒體的徑向位移增長相近，25min后HFa552筒體的徑向位移增速趨緩；摻混雜纖維筒體HFa701和HFa552比RC筒體的最大徑向位移(0.84mm)分別減少了8.1%和13.9%.

圖8 混雜纖維/鋼筋混凝土筒體徑向位移-加熱 時間對比曲線Fig.8 Comparison of radial deformation-time curves of hybrid fiber reinforced and RC specimen

為了分析纖維對經歷高溫后筒體殘余徑向位移的影響，取1次高溫試驗第180min(Tg為40℃)的數據進行對比.混雜纖維筒體相較于單摻纖維筒體，均表現出了更小的殘余變形，且與RC筒體的殘余變形(0.22mm)相近.其中，HFa701的殘余徑向變形為 0.25mm，比SFa70與PP1的殘余變形分別減少了28.6%和51.9%；HFa403的殘余徑向變形為 0.27 mm，比SFa40與PP3的殘余變形分別減少了28.9%和35.7%，表明混雜SF與PP纖維對混凝土筒體的徑向變形限制有一定的正混雜效應.

3 結論

(1)熱氣溫度穩定階段末，摻SF、PP纖維混凝土和RC混凝土筒體的筒壁溫度、內外溫差以及徑向位移均達到峰值；筒壁溫度的升/降相對于熱氣溫度的變化具有滯后性.

(2)單摻40～70kg/m3SF或SF與1～3kg/m3PP纖維混摻，對筒體高溫下最大徑向位移的限制作用優于配筋率為0.4%的RC筒體.

(3)經歷每次高溫循環后，混凝土筒體均有部分殘余徑向位移產生，混摻SF和PP纖維在減少混凝土筒體高溫后殘余變形方面可發揮一定的正混雜效應.