工業回收鋼纖維混凝土高溫后力學性能試驗研究

李 妍，赫 巖

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

0 引言

隨著城市現代化的建設以及高層建筑的密集,極大地提高了建筑物發生火災的概率,例如:位于天津市河西區的城市大廈38層發生火災,造成10人死亡,5人受傷,給人民群眾生命財產安全帶來重大損失.因此,對高溫后混凝土的力學性能研究一直是國內外學者[1-3]研究的重點.過鎮海[4]認為混凝土抗高溫性能的高低,不僅直接關系到建筑物高溫后的安全問題,而且直接關系到經常性的高溫作用.蔣玉川,朋改非等[5]人研究了PVA纖維對高性能混凝土高溫爆裂和高溫后力學性能的影響.伴隨著國家經濟的高速發展,我國已成為汽車使用大國,廢舊輪胎的回收利用也受到業內的極大關注[6].目前,利用廢舊輪胎生產回收鋼纖維成為可能,工業回收鋼纖維混凝土既可實現廢舊資源的再生利用,又可為今后工業回收鋼纖維混凝土用于實際工程提供指導.綜上,關于高溫后混凝土及纖維混凝土國內外學者雖然進行了大量試驗研究,但對回收鋼纖維混凝土高溫后的力學性能研究卻較少.研究普通混凝土和回收鋼纖維混凝土在高溫后的力學性能變化,對火災后建筑物的安全評定及加固具有指導意義.本文基于普通混凝土高溫試驗研究,擬對高溫后回收鋼纖維進行立方體抗壓和劈裂抗拉力學性能試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

試驗設計50組共150個試件,均為150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試件,回收鋼纖維長度為50 mm,混凝土試塊嚴格按《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T 50080-2002)[7]要求澆筑,所有試塊均采用涂有機油的成型優質塑料模具澆筑,養護至28 d后拆模,再進行高溫試驗,經自然冷卻后,再進行力學性能試驗.試驗采用強度等級為P.0 42.5的普通硅酸鹽水泥,粗骨料采用級配良好、粒徑為3 mm～15 mm的天然碎石,細骨料為普通河沙,含泥量小于1%.試驗素混凝土按C 40進行配合比設計.為研究不同溫度對工業回收混凝土力學性能的影響,其中25組用于抗壓試驗,25組用于劈拉試驗,每組試樣取3個,并取其平均值作為最終試驗結果.試驗溫度分別采用常溫,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃共5個溫度級別,鋼纖維摻量分別采用0 %,0.5 %,1 %,1.5 %,2 % 共5個摻量等級.鋼纖維混凝土配合比見表1.

表1 鋼纖維混凝土試件材料的配合比

1.2 加熱試驗裝置與火災試驗環境

本試驗高溫加熱裝置采用高溫組合式電阻加熱爐,電爐縫隙由高溫防火棉塞滿,電爐最高加熱溫度可達1 200 ℃,試驗各個加熱參數設計在計算機上編程完成,之后下傳至高溫控制裝置,升溫速度設定為4 ℃/min,當加熱爐加熱到目標溫度后,各組混凝土立方體試塊再恒溫3 h,達到設計時間,去掉防火棉,打開電阻爐,混凝土試塊自然冷卻至室溫.試驗所用儀器和材料見圖1.

(a)高溫試驗爐(a)Experimental furnace of high temperature

(b)高溫試驗控制裝置(b)Control cabinet of high temperature experimental system

(c)回收鋼纖維外貌(c)Appearance of steel fiber

(d)劈拉試驗墊塊(d)Filling blocks of splitting tensile

1.3 高溫后試塊抗壓試驗及劈拉試驗

混凝土試塊高溫冷卻后進行抗壓試驗和劈拉試驗,試驗按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[8]及《纖維混凝土試驗方法標準》[9]進行,試驗機采用2 000 kN液壓伺服式壓力試驗機,對試件進行抗壓強度試驗和劈拉強度試驗,試驗全程由計算機自動控制,均勻連續加荷.抗壓試驗及劈拉試驗見圖2.

(a)立方體素混凝土試件高溫抗壓破壞(a)Compression failure of plain concrete after high temperature

(b)立方體回收鋼纖維混凝土高溫后抗壓破壞(b)Compression failure of recycled steel fiber concrete after high temperature

(c)立方體素混凝土試件高溫后劈拉破壞(c)Splitting tensile failure of plain concrete after high temperature

(d)立方體回收鋼纖維混凝土試件高溫后劈拉破壞(d)Plitting tensile failureof recycled steel fiber concrete after high temperature

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結構及計算

不同溫度作用下不同鋼纖維摻量混凝土試塊的抗壓強度和劈拉強度的計算值見表2.

表2 試塊的抗壓強度和劈拉強度Table 2 Block of the compressive strength and splitting tensile strength

2.2 試驗分析

圖3,圖4分別表示不同回收鋼纖維摻量的混凝土在不同溫度梯度下其抗壓強度、劈拉強度的變化規律.由圖3～圖4可見,經高溫作用后,素混凝土和回收鋼纖維混凝土的力學性能均下降,其中200 ℃～400 ℃降低較為平緩.主要原因是當試件加熱到200 ℃時,混凝土內部大部分自由水蒸發,試件處于脫水狀態;當溫度達到400 ℃時,試件內部大量水分開始蒸發，混凝土內部C-S-H凝膠和鈣礬石中結晶水開始脫水分解,而溫度超過600 ℃后,氫氧化鈣大量分解,生成游離的氧化鈣,混凝土強度下降幅度較快.但是,隨著回收鋼纖維的增加,在相同溫度作用下,其抗壓強度及劈拉強度降低幅度明顯低于素混凝土.這種現象表明,在混凝土中三維亂向分布的回收鋼纖維,在高溫作用下會減小溫度梯度產生的內部應力,改善混凝土內部物理條件,在一定程度上可抑制混凝土微裂縫的發展,從而減輕混凝土內部的損傷,增加混凝土的殘余抗壓強度,而且隨著回收鋼纖維摻量的增加,效果越明顯.因此,高溫后回收鋼纖維混凝土的強度高于素混凝土強度.

圖3 抗壓強度與溫度的關系Fig.3 Relationship between compressive strength and temperature

圖4 劈拉強度與溫度的關系Fig.4 Relationship between splitting tensile strength and temperature

3 結論

通過對不同摻量工業回收鋼纖維混凝土高溫后立方體抗壓強度和劈拉強度的抗火試驗研究,對試件的破壞特征及強度與溫度關系曲線進行了分析,得出了不同溫度對不同工業回收鋼纖維摻量下混凝土力學性能的影響規律.試驗結論如下:

(1) 混凝土及回收鋼纖維混凝土在高溫后的抗壓強度均隨溫度升高而降低.溫度在400 ℃以內，其降低幅度不明顯；當溫度大于600 ℃以后，其降低幅度明.隨著回收鋼纖維摻量的提高,其高溫后力學性能的降低均有所減小.

(2) 混凝土及回收鋼纖維混凝土在高溫后的劈拉強度均隨溫度升高而降低,但抗拉強度的降幅遠低于抗壓強度的降幅.當混凝土試件劈拉破壞時,回收鋼纖維可起到阻裂作用.

(3) 回收鋼纖維的摻入對混凝土高溫后的力學性能有明顯的改善作用,可提高混凝土的耐火性能.