PP 纖維和鋼筋對高溫下C60HPC 板熱應變的影響

杜紅秀， 吳振戌， 杜 帆，2

（1.太原理工大學土木工程學院，山西太原 030024；2.中建科工集團有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著經濟的發展，高性能混凝土（HPC）由于耐久性高、工作性好、體積穩定性強等特點被廣泛用于超高層、大跨建筑［1-2］.然而，發生火災時高性能混凝土內部化學成分發生變化、內部結構被破壞，致使其力學性能、耐久性等降低［3-7］，甚至發生爆裂［8-9］.有研究表明，摻加聚丙烯（PP）纖維能夠改善高溫時高性能混凝土的內部結構，降低高溫對高性能混凝土的損傷，有效抑制高性能混凝土的高溫爆裂［10-13］.

目前國內外已經對高溫后混凝土的熱應變進行了一系列研究，發現混凝土應變隨著受火溫度的升高而逐漸增大［14-17］；摻加PP 纖維可增大混凝土延性，降低混凝土損傷時的變形［18-19］.當建筑物發生火災時，混凝土構件在高溫、荷載及相關約束等多重作用下，內部所產生的熱應力、熱變形是結構力學性能發生變化的重要影響因素.本文針對C60 高性能混凝土（C60HPC）板，采用振弦式應變計測量該板的熱應變，分析溫度、纖維、鋼筋對C60HPC 板不同位置處熱應變的影響，以期為分析計算結構熱應力及承載力損傷提供試驗依據.

1 試驗設計

1.1 原材料及配合比

水泥為太原產P·O42.5 水泥；粗骨料選用粒徑為5～25 mm 連續級配的石灰石碎石；細骨料選用細度模數為2.89的豆羅沙；粉煤灰為太原熱電廠的Ⅱ級粉煤灰，礦粉為S95級礦粉；PP纖維長度為15 mm、直徑為25 μm，熔點約170 ℃；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率25%～30%；水為自來水.

在制備C60 高性能混凝土板之前，本課題組已進行了C60 高性能混凝土配合比設計及力學性能試驗.該混凝土設計坍落度為（180±20）mm，實測拌和物坍落度為170～200 mm，黏聚性、保水性良好；試塊成型后標準養護28 d，測得其立方體抗壓強度滿足C60強度等級，氯離子遷移系數為1.711×10-12m2/s［20］，小于3.0×10-12m2/s，符合JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標準》的要求.本試驗C60HPC 配合比見表1.表1 中：SJHPC 表示布置鋼筋網且PP 纖維體積分數為0%的C60 鋼筋混凝土板；PWHPC 表示無鋼筋網且PP 纖維體積分數為0.2%的C60 纖維增強混凝土板；PJHPC 表示布置鋼筋網且PP 纖維體積分數為0.2%的C60 纖維增強鋼筋混凝土板.

表1 C60HPC 配合比Table1 Mix proportions of C60HPC kg/m3

1.2 混凝土板的制備及測試

參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》以及實驗室電阻爐尺寸，3 種混凝土板尺寸均為390 mm×390 mm×100 mm；鋼筋混凝土板所用鋼筋為HRB400、φ12 螺紋鋼，兩同向鋼筋間距為200 mm，距側面95 mm，鋼筋網呈“井”字排布，距混凝土板底部受熱面25 mm.為監測加熱過程中混凝土板不同位置處的熱應變變化情況，在距混凝土板底部受熱面25、50、75 mm 處埋置測溫范圍為-55～125 ℃的振弦式應變計；同時，為監測整個加熱過程中混凝土板不同位置處的溫度變化情況，在應變計周圍埋置K型熱電偶，通過與溫度巡檢儀連接可測得加熱過程中距混凝土板底部受熱面25、50、75 mm 處的溫度.鋼筋在混凝土板中的排布、混凝土板內部熱電偶和應變計的布置見圖1.混凝土板成型24 h 后脫模，放入（20±2）℃的水中養護至28 d，養護完畢后撈出靜置，使其達到當地平衡含水率.

圖1 混凝土板設計圖Fig.1 Design drawing of concrete slab（size：mm）

1.3 試驗方法

使用SRJX 箱式電阻爐（額定電壓220 V，爐膛溫度0～1 200 ℃）對混凝土板進行加熱，最高升溫速率為23～24 ℃/min，平均升溫速率約15 ℃/min，低于標準升溫速率.由于本次試驗與課題組的蒸汽壓試驗同時進行，且蒸汽壓試驗的溫度需要達到800 ℃，故本次試驗目標溫度設置為800 ℃.將混凝土板立置于爐膛門口，并將混凝土板與爐膛的縫隙用耐高溫巖棉封堵，以防止爐膛內熱氣逸散.加熱過程中每隔5 min 通過應變計讀數儀、溫度巡檢儀記錄1 次混凝土板不同位置處的應變和溫度，直至應變計在高溫下燒損；待加熱完成的混凝土板自然冷卻后取出，試驗結束.

2 試驗結果分析

2.1 混凝土板在高溫下的現象

混凝土板在加熱溫度小于100 ℃時無明顯變化；大于100 ℃時，混凝土板內部自由水變為水蒸氣向外逸出，并伴隨“呲呲”的聲響；隨著溫度的升高，混凝土板背后出現滲水現象（見圖2），且伴隨刺鼻的味道，這可能是高溫下外加劑蒸發引起的；當加熱溫度大于500 ℃時，混凝土板四周出現大量肉眼可見的水蒸氣；當加熱溫度達到800 ℃時，混凝土板表面有殘留水印.

圖2 混凝土板高溫滲水圖Fig.2 Water seepage diagram of concrete slab at high temperature

2.2 混凝土板測點溫度隨加熱時間的變化關系

本文用升溫速率（溫度變化差值與溫度變化時間的比值）來表征高溫作用下鋼筋和PP 纖維對混凝土板內部溫度變化的影響.

在高溫作用下，有鋼筋網、無鋼筋網的纖維增強混凝土板PJHPC、PWHPC 在不同測點處的溫度隨加熱時間的變化關系見圖3.由圖3 可見：加熱前，這2種混凝土板在各測點處的溫度基本相同，隨著加熱時間的增加，混凝土板在各測點處的溫度逐漸增大；測點距底部受熱面越近，其升溫速率越快，溫度越高［21］.距底部受熱面25 mm 處，PJHPC、PWHPC 的升溫速率分別為2.39、2.21 ℃/min；距底部受熱面75 mm 處，PJHPC、PWHPC的升溫速率分別為0.84、0.87 ℃/min.當加熱時間大于75 min 時，距底部受熱面25 mm 處，PJHPC 的溫度較PWHPC 略大，這可能是由于此處熱電偶靠近鋼筋網，而鋼筋網的升溫速率遠大于混凝土的升溫速率所致.圖4 為PJHPC、PWHPC 在加熱時間達120 min 時，距底部受熱面25、50、75 mm 處的溫度. 由圖4 可知：距底部受熱面25 mm 處，PJHPC 的溫度明顯高于PWHPC 的溫度，兩者相差20.1 ℃；距底部受熱面50、75 mm 處，由于距鋼筋網較遠，PJHPC 與PWHPC 的溫度較接近，兩者分別相差8.4、7.0 ℃，遠小于25 mm 處兩者的溫差.

圖3 PJHPC、PWHPC 的溫度隨加熱時間變化關系Fig.3 Temperature changes of PJHPC and PWHPC with the heating time

圖4 加熱120 min 時PJHPC、PWHPC 在不同測點處的溫度Fig.4 Temperature of PJHPC and PWHPC at different measuring points when heating for 120 min

高溫作用下，未摻、摻有PP 纖維的鋼筋混凝土板SJHPC、PJHPC 在不同測點處的溫度隨加熱時間的變化關系見圖5.由圖5 可見，SJHPC 和PJHPC 在各測點處的溫度均隨著加熱時間的增加而增大.SJHPC 在距底部受熱面25、50、75 mm 處的升溫速率分別為2.60、1.30、1.18 ℃/min；PJHPC 在距底部受熱面25、50、75 mm 處的升溫速率分別為2.39、1.15、0.84 ℃/min. 加 熱 時 間 為60 min 時，SJHPC 和PJHPC 在距底部受熱面25、50、75 mm 處的溫度分別為118、64、53 ℃左右，兩者較為接近；加熱時間大于60 min 后，SJHPC 在各測點處的溫度均大于PJHPC，且加熱時間越長，兩者的溫差越大.圖6 為SJHPC 和PJHPC 在 加 熱 時 間 達120 min 時，距 底 部受熱面25、50、75 mm 處的溫度.由圖6 可知，距底部受熱面25、50、75 mm 處，SJHPC 和PJHPC 的溫差分別為22.8、16.4、41.6 ℃.表明摻加PP 纖維可以降低混凝土受熱時的溫度.原因是PP 纖維導熱系數較低，致使加熱時間相同時PJHPC 的升溫速率低于SJHPC［22］.

圖5 SJHPC、PJHPC 的溫度隨加熱時間變化關系Fig.5 Temperature changes of SJHPC and PJHPC with the heating time

圖6 加熱120 min 時SJHPC、PJHPC 在不同測點處的溫度Fig.6 Temperature of SJHPC and PJHPC at different measuring points when heating for 120 min

2.3 鋼筋對混凝土板熱應變的影響

有無鋼筋網的纖維增強混凝土板PJHPC、PWHPC 在各測點處的熱應變隨其溫度的變化關系如圖7 所示.由圖7 可見，PJHPC、PWHPC 這2 種纖維增強混凝土板在各測點處的熱應變均隨其溫度的升高而增大.距混凝土板底部受熱面25 mm 處，當其溫度小于60 ℃時，PWHPC 和PJHPC 的熱應變變化趨勢基本相同、應變值接近，60 ℃時兩者應變值約為61 μm/m；當其溫度大于60 ℃后，PWHPC 和PJHPC的熱應變變化速率分別為1.10、0.82 μm/（m·℃），前者大于后者；至140 ℃時，與PJHPC 的應變值相比，PWHPC 的應變值高出32 μm/m 左右，表明鋼筋網對相同溫度下的混凝土變形有約束作用.距混凝土板底部受熱面50 mm 處，PWHPC和PJHPC的熱應變變化趨勢大致相同，兩者的熱應變變化速率分別為2.23、2.25 μm/（m·℃）；當溫度大于70 ℃后，PWHPC 和PJHPC 的應變值接近，兩者相差7 μm/m 左右.距混凝土板底部受熱面75 mm 處，當其溫度小于60 ℃時，PWHPC 和PJHPC 的熱應變變化趨勢基本相同、應變值接近，60 ℃時兩者應變值約為125 μm/m；當其溫度大于60 ℃后，PWHPC 的應變值略大于PJHPC，但遠小于25 mm 處兩者的差值.通過測試距混凝土板底部受熱面25、50、75 mm 處的熱應變可知，在高溫作用下，鋼筋網對自身周圍的混凝土有明顯的約束作用，而對距鋼筋網較遠的混凝土約束作用效果不明顯［19］.

圖7 高溫作用下鋼筋對混凝土板不同測點處熱應變的影響Fig.7 Effect of steel bars on thermal strain of concrete slab at different positions under high temperature

2.4 纖維對鋼筋混凝土板熱應變的影響

摻與未摻纖維的鋼筋混凝土板PJHPC、SJHPC在各測點處的熱應變隨其溫度的變化關系如圖8 所示.由圖8 可見，PJHPC、SJHPC 這2 種鋼筋混凝土板在各測點處的熱應變均隨其溫度的升高而增大.距混凝土板底部受熱面25 mm 處，當溫度小于40 ℃時，相同溫度下SJHPC 和PJHPC 的熱應變基本相同，40 ℃時兩者應變值約為48 μm/m；當溫度大于40 ℃后，SJHPC 和PJHPC 的熱應變變化速率分別為1.34、0.83 μm/（m·℃），前者大于后者；至122 ℃時，SJHPC的應變值明顯高于PJHPC，兩者相差約54 μm/m.距混凝土板底部受熱面50 mm 處，當溫度小于55 ℃時，相同溫度下SJHPC 和PJHPC 的熱應變接近，55 ℃時兩者應變值約為120 μm/m；當溫度大于55 ℃后，SJHPC 和PJHPC 的熱應變變化速率分別為1.69、1.42 μm/（m·℃），前者大于后者；至98 ℃時，SJHPC的應變值明顯高于PJHPC，兩者相差約50 μm/m.距混凝土板底部受熱面75 mm 處，當溫度小于60 ℃時，相同溫度下SJHPC 和PJHPC 的熱應變接近，60 ℃時兩者應變值約為123 μm/m；當溫度大于60 ℃后，SJHPC 和PJHPC 的熱應變變化速率分別為1.94、1.24 μm/（m·℃），前者大于后者；至113 ℃時，SJHPC的應變值明顯高于PJHPC，兩者相差約36 μm/m.通過測試SJHPC 和PJHPC 在距底部受熱面25、50、75 mm 處的應變值，發現相同溫度、相同測點處PJHPC 的應變值均小于SJHPC，表明摻加PP 纖維能夠約束混凝土的變形，降低混凝土的高溫損傷［23］.

圖8 高溫作用下PP 纖維摻量對混凝土板不同測點處熱應變的影響Fig.8 Effect of PP fiber content on thermal strain of concrete slab at different positions under high temperature

SJHPC、PJHPC 這2 種鋼筋混凝土板在各測點處的熱應變隨其溫度的變化關系見圖9. 由圖9 可見，對于未摻PP 纖維的鋼筋混凝土板SJHPC 而言，當距其底部受熱面50、75 mm 處的溫度小于60 ℃時，兩者應變值相近，25 mm 處的熱應變由于鋼筋網的約束作用而偏小；當溫度大于60 ℃后，50 mm 處（混凝土板中心）的應變值較另2 處測點大，至98 ℃時，50 mm 處的應變值約為225 μm/m，要比75、25 mm處的應變值分別高出19.5%、40.7%. 對于摻有PP纖維的鋼筋混凝土板PJHPC 而言，其在各測點處的熱應變變化關系與SJHPC 相似，但數值偏小；至98 ℃時，PJHPC 在50 mm 處的應變值較SJHPC 降低了21.6%，原因同樣是摻加PP 纖維能夠有效約束混凝土的變形.

圖9 SJHPC、PJHPC 的熱應變隨溫度變化情況Fig.9 Thermal strain of SJHPC and PJHPC varies with temperature

2.5 加熱時間、溫度與熱應變的關系

SJHPC、PWHPC、PJHPC 的加熱時間和溫度對其熱應變的影響見圖10.由圖10 可見，隨著加熱時間和溫度的增加，3 種混凝土板的熱應變均逐漸增大.相同加熱時間和溫度下：（1）3 種混凝土板在距底部受熱面50 mm 處的熱應變均大于25、75 mm 測 點 處 的 熱 應 變；（2）與 未 摻PP 纖 維的鋼筋混凝土板相比，摻加PP 纖維后的鋼筋混凝土板熱應變偏小；（3）在鋼筋混凝土板中，鋼筋周圍混凝土的熱應變明顯小于無鋼筋網混凝土板的熱應變.

圖10 在SJHPC、PWHPC、PJHPC 不同測點處加熱時間、溫度與熱應變的關系Fig.10 Relationship between heating time，temperature and thermal strain at different positions of SJHPC，PWHPC，PJHPC

3 結論

（1）隨著加熱時間的增加，C60 高性能混凝土板的溫度逐漸升高；相同加熱時間下，C60 高性能混凝土板的溫度隨著與受熱面距離的增加而降低；鋼筋網能增加自身周圍混凝土的升溫速率；與高溫下未摻聚丙烯纖維的鋼筋混凝土板相比，摻加聚丙烯纖維能夠減緩鋼筋混凝土板的升溫速率.

（2）隨著溫度的升高，無鋼筋網和有鋼筋網的纖維增強混凝土板PWHPC 和PJHPC 的熱應變逐漸增大；距混凝土板底部受熱面25 mm 處，當其溫度小于60 ℃時，PWHPC 和PJHPC 的熱應變變化趨勢基本相同，當其溫度大于60 ℃時，PWHPC 和PJHPC 的熱應變變化速率分別為1.10、0.82 μm/（m·℃），至140 ℃時，PWHPC 的熱應變值要比PJHPC 高32 μm/m 左右，表明鋼筋網對混凝土的變形有約束作用.

（3）隨著溫度的升高，摻與未摻PP 纖維的鋼筋混凝土板PJHPC 和SJHPC 的熱應變逐漸增大，且距鋼筋混凝土板底部受熱面50 mm 處的熱應變較25、75 mm 處略大；當溫度相同時，SJHPC 在不同測點處的熱應變均大于PJHPC，兩者在距鋼筋混凝土板底部受熱面25、50、75 mm 處測得的最大差值分別為54、50、36 μm/m 左右，表明摻加聚丙烯纖維能夠降低高溫時混凝土的應變，改善混凝土的變形能力.