王建民，賀智敏，程 博，黃 靜

（寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211）

陶粒輕骨料混凝土相比較普通混凝土，具有容重小、相對強(qiáng)度高、良好的耐久性和耐高溫性能，逐漸被推廣應(yīng)用于海工結(jié)構(gòu)、高層建筑等工程.實(shí)際應(yīng)用中，許多工程結(jié)構(gòu)在服役期間有可能處于高溫、凍融循環(huán)和腐蝕等惡劣環(huán)境條件下.有些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件甚至處于不同環(huán)境因素的先后或交替疊加影響，如寒冷地區(qū)的沿海隧道、橋梁和海工結(jié)構(gòu)等，在服役期內(nèi)經(jīng)歷一定程度海水侵蝕凍融循環(huán)影響后，其后續(xù)使用過程中的抗火性能是否會受到前期海水侵蝕凍融的影響？考慮凍融損傷影響如何對后期的抗火性能、火災(zāi)評定進(jìn)行科學(xué)的分析等.這種不同惡劣環(huán)境因素的疊加影響將給結(jié)構(gòu)未來的安全性能帶來很大的不確定性和隱患.

覃麗坤[1]對分別處于單軸應(yīng)力和多軸應(yīng)力狀態(tài)下的普通混凝土，在高溫后及凍融循環(huán)后的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，沒有考慮兩種環(huán)境因素的疊加影響.程紅強(qiáng)等[2]通過試驗(yàn)分析認(rèn)為，凍融循環(huán)對混凝土強(qiáng)度的影響要比對相對動(dòng)彈性模量或重量損失影響要大，在相對動(dòng)彈性模量或重量損失滿足要求時(shí)，混凝土強(qiáng)度不一定滿足要求.文獻(xiàn) [3]通過試驗(yàn)分析表明，應(yīng)力比和海水凍融循環(huán)次數(shù)對輕骨料混凝土極限拉壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度都有較大影響，并建立了相應(yīng)破壞準(zhǔn)則.鋼纖維和引氣劑的聯(lián)合應(yīng)用可有效提高輕骨料混凝土的耐凍融性能[4].從常溫狀態(tài)到加熱溫度水平的逐漸升高，決定陶粒輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的因素在發(fā)生有規(guī)律的變化[5]：經(jīng)過200℃加熱后，陶粒與水泥石漿體的粘結(jié)性能開始削弱，但陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度仍主要決定于陶粒粗骨料；隨加熱溫度的逐漸升高，陶粒骨料與水泥石漿體的粘結(jié)性能逐漸削弱明顯，水泥石漿體自身強(qiáng)度也開始下降明顯，等試驗(yàn)溫度達(dá)到800℃后，水泥石強(qiáng)度可降低為常溫狀態(tài)下的40%以下[6]，且水泥石內(nèi)裂縫變寬、變長至貫通.此時(shí)，決定陶?；炷翉?qiáng)度的主要因素不再僅僅是陶粒骨料，甚至更主要是受到水泥石強(qiáng)度及界面粘結(jié)性能的影響.

關(guān)于輕骨料混凝土分別受高溫和凍融循環(huán)影響下的力學(xué)性能和耐久性變化規(guī)律，目前有相關(guān)試驗(yàn)和研究.但在凍融循環(huán)及高溫因素的先后疊加影響下，對陶粒輕骨料混凝土相關(guān)力學(xué)性能及耐久性等的影響及變化規(guī)律尚無相關(guān)試驗(yàn)和研究報(bào)告.本文首先對陶?；炷吝M(jìn)行一定程度的凍融循環(huán)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，采取分批階梯式升溫試驗(yàn)，研究陶粒混凝土凍融循環(huán)前后荷載變形性能的變化特征，以及聚丙烯腈纖維的摻入對陶?；炷羶鋈谘h(huán)前后高溫力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

粗骨料：寧波市遠(yuǎn)揚(yáng)新型建材科技有限公司生產(chǎn)的淤泥質(zhì)高強(qiáng)陶粒，堆積密度 =850 kg/m3，筒壓強(qiáng)度為：6.39 MPa，吸水率為8.5%.

聚丙烯腈纖維（PANF）：鄭州禹建鋼纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維，直徑為27 m，長度為6mm，抗拉強(qiáng)度 450 MPa，熔點(diǎn)為235～245℃.

其它材料：水泥為海螺牌P O 42.5普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）標(biāo)準(zhǔn)要求，粉煤灰為寧波鎮(zhèn)海發(fā)電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰.

1.2 試驗(yàn)方案

試配兩組陶?；炷粒阂唤M是LC30無纖維陶?；炷粒硪唤M是摻入聚丙烯腈纖維的陶?；炷罫C30A，配合比及相關(guān)參數(shù)見表1.兩組陶?；炷凉仓谱?00 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊120塊.試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，在實(shí)驗(yàn)室自然室溫條件下氣干1個(gè)月后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

表1 陶粒混凝土配合比及相關(guān)參數(shù)Tab.1 Test m ixing proportion of ceramsite LWAC and parameters

首先取出兩組配合比試塊各一半進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)為25次，所用設(shè)備為浙江路達(dá)機(jī)械儀器有限公司CABR-HDK9型混凝土快速凍融儀，試件在凍融試驗(yàn)過程中均處于完全水浸泡狀態(tài)，每次凍融循環(huán)時(shí)間為3 h左右，在凍結(jié)和融化終了時(shí)，試件中心溫度分別控制在 17.5℃和7.5℃.

待凍融試驗(yàn)結(jié)束后，將所有試塊烘干，再分常溫（20℃）、200℃、400℃、600℃和800℃5個(gè)溫度水平進(jìn)行升溫試驗(yàn).為防止試塊加熱過程中發(fā)生爆裂，對試塊分批進(jìn)行階梯式升溫試驗(yàn)，即爐溫每升高50℃恒溫保持一定時(shí)間，待有預(yù)埋熱電耦的溫控試塊的中心溫度接近爐溫時(shí)，再將爐溫升高50℃，循環(huán)直至試塊中心溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度.然后恒溫保持30 m in，打開爐門令試塊自然冷卻至室溫.高溫試驗(yàn)采用長春方銳科技有限公司GWM-1100型電爐加熱系統(tǒng)，圖1為相關(guān)試驗(yàn)過程.

圖1 試塊高溫及荷載試驗(yàn)Fig.1 Test of high temperature and loading

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載變形曲線

圖2為歸一化處理后棱柱體試塊的實(shí)測抗壓荷載變形曲線.不論經(jīng)歷凍融循環(huán)試驗(yàn)與否，高溫試驗(yàn)后達(dá)到極限荷載狀態(tài)下，摻入聚丙烯腈纖維后可有效減緩陶?；炷恋拇嘈云茐奶匦?在常溫～200℃較低溫度范圍內(nèi)，凍融循環(huán)前后LC30和LC30A兩組試塊的峰值荷載均有較小幅度的變化.其中，無凍融循環(huán)前LC30A經(jīng)歷200℃升溫試驗(yàn)后，其峰值略有增長.影響這一階段峰值荷載小幅度變化的原因，一方面是經(jīng)歷200℃升溫試驗(yàn)，陶粒混凝土內(nèi)部游離水的逸出使水泥顆粒更緊密，其作用相當(dāng)于對混凝土進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)了水泥顆粒的進(jìn)一步水化，對強(qiáng)度提高有一定的積極作用；另一方面，此階段由于水泥石與骨料間粘結(jié)性能削弱造成一定程度的強(qiáng)度損失.二者作用的相互疊加，加之試驗(yàn)結(jié)果的偶然因素，最后導(dǎo)致在該溫度段內(nèi)峰值荷載出現(xiàn)小幅度的上升或下降.

圖2 凍融循環(huán)前后LC30與LC30A棱柱體高溫試驗(yàn)荷載變形曲線Fig.2 Load-deformation curves of LC30 and LC30A prism test blocks before and after freeze-thaw cycling

表2給出凍融前后LC30和LC30A陶?；炷晾庵w抗壓強(qiáng)度隨高溫試驗(yàn)的變化.相對200℃升溫試驗(yàn)，經(jīng)歷400℃后，LC30陶?；炷恋姆逯岛奢d開始出現(xiàn)明顯的削弱下降.而摻入聚丙烯腈纖維的LC30A陶?；炷两?jīng)歷400℃后的下降幅度小于LC30，超過400℃后，其峰值荷載才開始明顯下降.究其原因，聚丙烯腈纖維的熔點(diǎn)為235～245℃，經(jīng)歷400℃升溫試驗(yàn)后，混凝土內(nèi)部纖維組織大部分熔融并蒸發(fā)溢出，剩余尚未蒸發(fā)溢出的纖維在冷卻后對混凝土尚能發(fā)揮一定的增韌阻裂效應(yīng)，在一定程度上減緩了峰值荷載的降低.

經(jīng)歷凍融循環(huán)試驗(yàn)后，LC30陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度在各溫度段內(nèi)均出現(xiàn)下降.其中，在200℃升溫試驗(yàn)后的下降幅度較小，其余溫度段的平均下降幅度為4.6%.相比較LC30，LC30A陶?；炷羶鋈谘h(huán)后，在200℃和400℃的升溫試驗(yàn)中，其抗壓強(qiáng)度無明顯下降，尚略微有所上升，在其它溫度段的平均下降幅度為2.1%.其可能原因主要是在常溫～400℃較低溫度范圍內(nèi)，聚丙烯腈纖維有效的增韌阻裂效應(yīng)抑制了陶?；炷量箟簭?qiáng)度的降低，超過400℃后，纖維組織的熔融蒸發(fā)致使增韌和阻裂作用喪失.

表2 棱柱體抗壓強(qiáng)度隨溫度變化 MPaTab.2 Change of prism compressive strength w ith high temperature

2.2 彈性模量

兩組陶?；炷羶鋈谘h(huán)前后彈性模量隨溫度的降低變化見表3.對于無纖維摻入的LC30陶?；炷粒唤?jīng)歷凍融循環(huán)試驗(yàn)，彈性模量隨溫度的降低變化規(guī)律與文獻(xiàn)[7]基本相似，本次試驗(yàn)在200℃和400℃升溫后的實(shí)測數(shù)據(jù)略低于文獻(xiàn) [7]所配LC20陶?；炷翑M合結(jié)果.凍融循環(huán)試驗(yàn)后，不同高溫水平后的彈性模量均低于凍融循環(huán)前.其中，經(jīng)歷200℃升溫試驗(yàn)后，彈性模量的降低幅度小于常溫狀態(tài)下.超過200℃后，彈性模量相對凍融循環(huán)前明顯降低，平均降低幅度為4.6%.

表3 彈性模量相對變化 %Tab.3 Relative change of elastic modulus

對于LC30A陶?；炷粒唤?jīng)歷凍融循環(huán)試驗(yàn)，在常溫～200℃溫度范圍內(nèi)，彈性模量的降低比LC30混凝土相對較小.超過200℃后，彈性模量下降加快.其主要原因可能為，在常溫～200℃較低溫度范圍內(nèi)，聚丙烯腈纖維的增韌阻裂效應(yīng)能有效抑制LC30A的變形；超過200℃后，纖維組織開始熔融蒸發(fā)，從而減弱和喪失其原有增韌阻裂效應(yīng)，并產(chǎn)生較多孔洞，加速了彈性模量的降低.凍融循環(huán)試驗(yàn)后，LC30A彈性模量的降低變化規(guī)律與LC30混凝土基本相似，經(jīng)歷200℃升溫試驗(yàn)后，彈性模量的降低幅度尚略小于常溫狀態(tài)下.超過200℃后，除600℃異常數(shù)據(jù)外，彈性模量相對凍融循環(huán)前明顯降低，平均降低幅度為6.1%，說明摻入聚丙烯腈纖維后，在較低溫度范圍內(nèi)，能有效抑制彈性模量的降低.但在較高溫度范圍內(nèi)，由于纖維組織熔融蒸發(fā)喪失原有增韌阻裂效應(yīng)，且在混凝土內(nèi)產(chǎn)生較多孔洞，二者相互疊加影響下加速了彈性模量的降低.

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)，分析了一定程度的凍融循環(huán)前后，陶?；炷恋暮奢d變形及彈性模量隨高溫溫度的變化，以及摻入聚丙烯腈纖維對陶?；炷料嚓P(guān)性能的影響.

1）凍融循環(huán)后，陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度在不同溫度水平均呈現(xiàn)不同程度的降低.其中經(jīng)歷200℃升溫試驗(yàn)后，其抗壓強(qiáng)度的降低相對較小，其它溫度段的平均降幅為4.6%.

2）摻入聚丙烯腈纖維后，在常溫～400℃溫度范圍內(nèi)，陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度的降低隨溫度變化較緩慢，凍融循環(huán)前后陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度無明顯變化；超過400℃后，其抗壓強(qiáng)度才開始明顯降低，其主要原因?yàn)?，較低溫度范圍內(nèi)，纖維組織有效的增韌阻裂效應(yīng)抑制了陶?；炷翉?qiáng)度的降低；較高溫度后，纖維組織的熔融蒸發(fā)導(dǎo)致增韌阻裂效應(yīng)喪失.

3）凍融循環(huán)導(dǎo)致陶?；炷粮邷睾髲椥阅Ａ慨a(chǎn)生一定程度的降低，其中經(jīng)歷200℃后彈性模量的降低相對較小；摻入聚丙烯腈纖維后，在較低溫度范圍內(nèi)對彈性模量的降低有一定的抑制作用，當(dāng)試驗(yàn)溫度超過纖維熔融點(diǎn)，導(dǎo)致纖維組織的增韌阻裂效應(yīng)喪失，并在陶?；炷羶?nèi)部形成孔洞，因而加速了彈性模量的降低.

本文分析基于所配制的LC30和LC30A纖維陶?；炷?，對于因試件材料的離散造成試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)不確定性，需進(jìn)一步通過足夠的試驗(yàn)給出一定的置信區(qū)間和統(tǒng)計(jì)分析.

致謝

本文工作得到寧波大學(xué)科研項(xiàng)目“陶?；炷僚c普通混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究”（F01622144302）的資助；作者對王寬誠教育基金會的資助謹(jǐn)致謝忱。

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