探究鋼纖維混凝土高溫應(yīng)力損傷性能

鄒浩

（江西建工第三建筑有限責(zé)任公司）

引言：材料的高溫性能是結(jié)構(gòu)抗火性能研究的基礎(chǔ)。從20世紀(jì)中期以來，許多學(xué)者對混凝土經(jīng)歷高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，對素混凝土在火災(zāi)時或高溫后力學(xué)強(qiáng)度及變形性能的變化規(guī)律、混凝土的微觀變化、破壞機(jī)理等提出了各自的結(jié)論和見解。由于混凝土各組分的熱性能不同，而且各組分的性能與水分、孔結(jié)構(gòu)也具有很大的關(guān)系，因此混凝土的抗火能力是一個非常復(fù)雜問題。隨著高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土應(yīng)用的不斷增加，對其耐火性能的研究也日益活躍起來。

一、纖維混凝土的高溫性能

（一）聚丙烯纖維

作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，鋼纖維混凝土具有明顯的增強(qiáng)（主要是抗拉、抗折、抗剪強(qiáng)度）、增韌、阻裂作用，雖然只有20多年的歷史，但是發(fā)展異常迅速。在建筑工程中，鋼纖維混凝土主要用于內(nèi)部懸臂結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)、剛性屋面等，遠(yuǎn)不如素混凝土普及，因而對其耐火性能的研究也開展得很少。然而，噴射鋼纖維混凝土已成功應(yīng)用于隧道工程中，從應(yīng)用于我國一些隧道的情況來看，已經(jīng)取得了很好的使用效果。隧道中由于車輛故障等原因，可能發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)進(jìn)行災(zāi)后評估、鑒定時有必要了解鋼纖維混凝土高溫后性能的變化情況。另外，橋梁構(gòu)件中應(yīng)用鋼纖維混凝土也較多，而橋梁建設(shè)過程中模板失火、使用過程中橋上或橋下由于交通事故造成車輛起火等事故也時有發(fā)生[1]。此時，也很有必要了解鋼纖維混凝土的高溫性能，從而為災(zāi)后處理工作提供必要的數(shù)據(jù)。聚丙烯纖維的熔點(diǎn)較低，在改善混凝土高溫性能及抗爆裂方面有較好作用。元成方的研究表明：素混凝土較聚丙烯纖維混凝土對溫度變化更為敏感。150℃時外觀均無明顯變化，但升溫至800℃，素混凝土表面有大量貫穿裂紋并有脫落，而聚丙烯纖維混凝土僅有少量微裂紋且外觀完好。Arabi[5]認(rèn)為：聚丙烯纖維摻量為0.5%時高溫后性能較優(yōu)，且立方體試件較圓柱體試件具有更高的殘余性能。金祖權(quán)等[6]發(fā)現(xiàn)：普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土在200℃時抗壓強(qiáng)度分別下降了8%和16%，400℃時強(qiáng)度均有所恢復(fù)，800℃后殘余抗壓強(qiáng)度為30%和67%。此外，聚丙烯纖維對混凝土的線膨脹系數(shù)影響較小，在溫度從400℃上升到800℃過程中，孔隙率降低，但孔道依然可保持原有直徑的74%。

（二）混雜纖維

由于聚丙烯與鋼纖維不同的理化特性，其對混凝土高溫作用亦不相同，當(dāng)二者共同工作時，則有更為優(yōu)異的表現(xiàn)。康義榮試驗表明：聚丙烯纖維摻入到鋼纖維混凝土后對其高溫后殘余斷裂能影響不大，但鋼纖維摻入到聚丙烯纖維混凝土中能有效提高混凝土高溫后的殘余斷裂能。楊學(xué)超研究表明：高溫后采用水淬冷的混凝土較自然冷卻的滲透性系數(shù)要更大，且這種差異隨溫度升高呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢。鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土無論何種冷卻方式，其面層滲透系數(shù)相對內(nèi)部滲透系數(shù)的差值較素混凝土均有所降低。

二、原材料及試驗方法

（一）原材料及配合比

配制C60等級的鋼纖維混凝土?xí)r所采用的原材料為：P·O42.5級水泥；石灰石質(zhì)碎石，粒徑為5~20mm；普通江砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；自來水；聚羧酸系高效減水劑。銑削型鋼纖維的外形尺寸為0.5mm×1.2mm×35mm。為了研究不同鋼纖維體積摻量對鋼纖維混凝土高溫應(yīng)力損傷的影響，設(shè)計鋼纖維的體積摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2%。

（二）試驗方法

測試鋼纖維混凝土抗壓及劈拉強(qiáng)度的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試件采用試驗室振動臺振動成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后移出，為避免鋼纖維混凝土含水率的不同對試驗結(jié)果造成影響，在對鋼纖維混凝土進(jìn)行加熱之前，對其烘干。鋼纖維混凝土經(jīng)歷不同高溫后，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在溫度差，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土出現(xiàn)開裂。在火災(zāi)試驗中，通常采用圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線ISO834進(jìn)行抗火性試驗。本試驗中為了研究不同溫度對混凝土造成的損傷，沒有采用標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線，設(shè)計混凝土的加熱溫度分別為200、400、600、800℃。預(yù)先將高溫爐加熱到指定溫度后將試件放入，恒溫1h后爐內(nèi)自然冷卻[2]。

三、試驗結(jié)果與分析

（一）抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過實驗研究后可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)高溫作用使鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度下降且所受最高溫度越高，其殘余抗壓強(qiáng)度越低；溫度低于400℃時，強(qiáng)度下降較緩，而高于400℃后下降較大。隨著纖維摻量的增加，強(qiáng)度損失率逐漸降低。其抗壓強(qiáng)度與所受溫度的關(guān)系同文獻(xiàn)中素混凝土的結(jié)果相似。對試驗結(jié)果的分析機(jī)理一般可歸結(jié)為：溫度較低時（T＜150℃），水泥石內(nèi)部的水分主要以游離水的逸出為主，適當(dāng)?shù)母邷乜纱偈刮此乃囝w粒進(jìn)一步水化，使凝膠結(jié)構(gòu)更加致密。

（二）劈拉強(qiáng)度

與抗壓強(qiáng)度相比，劈拉強(qiáng)度隨溫度升高呈均勻下降。這是由于溫度不相容性在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了微裂縫及大裂縫，鋼纖維對其有一定的抑制作用，但隨著所受溫度的升高，混凝土基體強(qiáng)度及對鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度明顯變?nèi)酰瑥亩瓘?qiáng)度下降。隨著鋼纖維體積摻量的增加使鋼纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度較素混凝土有較大提高。經(jīng)過大量試驗研究表明，鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度之間具有如下關(guān)系：ft=0.85fts

四、溫度應(yīng)力模擬

（一）計算模型

以600℃下鋼纖維摻量2%為例分析混凝土試件內(nèi)部的溫度應(yīng)力。本試驗?zāi)M的混凝土實體為10mm×100mm×100mm的立方體試件。立方體從幾何形狀來講滿足對稱條件外壁受到相同的溫度荷載和邊界條件，即荷載與邊界條件也是對稱的[3]。

（二）加載與求解

首先進(jìn)行溫度場分析，屬于瞬態(tài)分析；初始溫度為20℃；邊界條件：空氣溫度為600℃，空氣對流系數(shù)為110W/（m2·℃）。計算時間：1800s，每一時間子步為120s。溫度求解結(jié)束后將單元類型由溫度轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)，根據(jù)對稱性確定邊界條件，將上面計算的溫度場結(jié)果導(dǎo)入，施加溫度荷載。計算時間：1800s，每一時間子步為120s。

結(jié)語：經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土高溫后的抗壓強(qiáng)度隨所受最高溫的升高而緩慢下降，400℃以后下降稍快。與素混凝土相比，其殘余抗壓強(qiáng)度率可比后者高達(dá)30%左右。因此，施工人員在對鋼纖維混凝土進(jìn)行施工運(yùn)用時需要積極的運(yùn)用其特性保證將鋼纖維混凝土的性能發(fā)揮到最大。