史英豪，杜紅秀，閻蕊珍

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,太原　030024)

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高溫后C80高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失和抗壓性能研究

史英豪，杜紅秀，閻蕊珍

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,太原030024)

對摻聚丙烯纖維的C80高強(qiáng)混凝土立方體試件模擬高溫試驗(yàn)后，進(jìn)行混凝土質(zhì)量損失和抗壓性能測試，研究分析了不同作用溫度對聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，摻聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失逐漸增加而抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢，600℃高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度急劇下降，強(qiáng)度值僅為常溫的25.05%；高溫后聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的相對質(zhì)量損失和相對殘余抗壓強(qiáng)度的整體變化趨勢基本相似。

聚丙烯纖維； 高強(qiáng)混凝土； 質(zhì)量損失； 抗壓性能

1　引　言

高強(qiáng)混凝土因其具有良好的力學(xué)性能被廣泛地應(yīng)用于土木工程各領(lǐng)域中，但高強(qiáng)混凝土因其內(nèi)部致密，遭受火災(zāi)高溫時(shí)易發(fā)生爆裂[1]。在高強(qiáng)混凝土中摻聚丙烯纖維可以有效的改善混凝土的高溫爆裂性，改善混凝土的脆性，增加混凝土的韌性[2]。

目前，對摻聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的研究主要集中在纖維摻量和直徑的比較上[3-6]，但對高溫后摻聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的的抗壓強(qiáng)度以及相對殘余抗壓強(qiáng)度和相對質(zhì)量損失關(guān)系的研究尚無明確定論。本試驗(yàn)在C80高強(qiáng)混凝土中摻入比重0.91 g/cm3，長度8 mm，直徑25 μm的聚丙烯纖維，探究其對不同作用高溫后C80高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度及相對殘余抗壓強(qiáng)度和相對質(zhì)量損失關(guān)系的影響，分析摻聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝士高溫后抗壓強(qiáng)度和所受溫度之間的關(guān)系，并建立了關(guān)系曲線及相應(yīng)的回歸方程，對探索高強(qiáng)混凝土高溫后損傷程度的評估[2]，具有重要的理論依據(jù)和工程實(shí)用價(jià)值。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

本試驗(yàn)采用水泥：P·O 52.5級普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為54.5 MPa；粗骨料：石灰石碎石，5～20 mm連續(xù)級配，其中5～10 mm占30%，10～20 mm占70%，壓碎指標(biāo)為9.92%；細(xì)骨料：優(yōu)質(zhì)豆羅砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.95；硅灰：埃肯微硅粉，28 d活性指數(shù)為119.9%；礦渣：S95級磨細(xì)礦渣粉；粉煤灰：活性指數(shù)71.12%的Ⅰ級粉煤灰；高效外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為28%；聚丙烯纖維：束狀單絲，比重0.91 g/cm3，長度8 mm，直徑25 μm；拌合水：普通自來水。

2.2混凝土配合比

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C80，設(shè)計(jì)坍落度為180～220 mm，入模坍落度為200 mm，擴(kuò)展度為440 mm、560 mm，具體配合比見表1。

表1　C80聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土配合比

2.3試件制作

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)立方體150 mm試件，且在高強(qiáng)混凝土立方體每個(gè)目標(biāo)溫度對應(yīng)的試塊中放置一根熱電偶，熱電偶置于試塊中心，如圖1。且嚴(yán)格按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GB/T50081-2002之規(guī)定進(jìn)行試件制作，試件成型24 h后拆模，并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)，達(dá)28 d齡期后，取出試塊進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1　熱電偶放置位置 Fig.1　Thermocouple placement

2.4試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)采用SRJX型箱式電阻爐，其額定電壓為220 V，輸出功率為15 kW，最高工作溫度為1200 ℃，爐膛尺寸長×寬×高為：600 mm ×400 mm×400 mm。目標(biāo)溫度為20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃，并配備有溫度自動(dòng)控制器，可自行控制爐膛內(nèi)的溫度，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)溫度后自動(dòng)保持恒溫狀態(tài)。

具體加溫方法如下：將試件在常溫下放入電阻爐爐膛內(nèi)，并設(shè)定目標(biāo)溫度，關(guān)閉爐門，然后以全功率輸出方式開始升溫；當(dāng)溫度升至預(yù)定溫度時(shí)，電阻爐自動(dòng)控制系統(tǒng)可以保持爐膛溫度，使試件內(nèi)外溫度趨于均勻[2]，通過熱電偶測定混凝土立方體試件內(nèi)外溫度，當(dāng)電阻爐顯示器顯示的爐內(nèi)溫度與熱電偶外接傳感器顯示溫度一致時(shí)，即認(rèn)為所研究的試件燒透。取出試件，將其靜置于干燥通風(fēng)的環(huán)境中自然冷卻，24 h后進(jìn)行加載試驗(yàn)。

抗壓性能試驗(yàn)采用STYE-3000C型電腦全自動(dòng)混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，額定電壓為380 V，額定功率為750 W，試驗(yàn)力范圍為0～3000 kN。

3　結(jié)果與討論

3.1高溫后混凝土的質(zhì)量損失

通過觀察熱電偶外接溫度傳感器顯示溫度和爐膛內(nèi)顯示溫度，及時(shí)測得C80 PPHSC試件內(nèi)部溫度與爐膛內(nèi)溫度一致的時(shí)間，即為燒透時(shí)間。將達(dá)到所設(shè)目標(biāo)溫度的PPHSC試件在爐膛內(nèi)稍微冷卻，立即取出，用電子稱進(jìn)行稱重。與高溫前的混凝土立方體試件質(zhì)量進(jìn)行對比，得出不同目標(biāo)溫度作用下立方體試件的質(zhì)量損失。而不同目標(biāo)溫度作用下混凝土內(nèi)部的理論水分質(zhì)量定義為高溫前混凝土立方體試件的質(zhì)量與高溫前1 m3相同混凝土中水分所占百分?jǐn)?shù)之積。C80 PPHSC高溫前后的質(zhì)量及質(zhì)量損失見表2。

表2　C80 PPHSC高溫前后質(zhì)量及質(zhì)量損失

由表2可知，高溫前混凝土內(nèi)部理論水分質(zhì)量基本保持不變，100 ℃高溫后，混凝土立方體試件的質(zhì)量緩慢減少，質(zhì)量減少了0.05 kg，由于高溫后混凝土內(nèi)部自由水的蒸發(fā)；200 ℃高溫后，混凝土質(zhì)量大幅度損失，與理論水分質(zhì)量相比，增加了0.032 kg；而300 ℃高溫后，混凝土損失質(zhì)量與相應(yīng)的理論水分質(zhì)量非常接近；400 ℃高溫后，混凝土內(nèi)部損失的質(zhì)量明顯大于其內(nèi)部理論水分質(zhì)量，增加了0.153 kg，表明此時(shí)混凝土內(nèi)部不僅自由水以水蒸氣形式溢出，同時(shí)伴隨有Ga(OH)2受熱分解其結(jié)合水的蒸發(fā)；500 ℃高溫后，與400 ℃相比，混凝土內(nèi)部理論水分質(zhì)量相同，損失的質(zhì)量也變化不大，僅增加0.06 kg；600 ℃高溫后，混凝土的質(zhì)量損失達(dá)到0.60 kg，約為相應(yīng)的混凝土內(nèi)部理論水分質(zhì)量的2.26倍，此時(shí)混凝土內(nèi)部物質(zhì)分解程度加深，GaCO3受熱分解，氣體逸出導(dǎo)致混凝土質(zhì)量損失加快。

3.2高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖2　高溫后C80 PPHSC的立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.2　Cube compressive strength of C80 PPHSC exposed to high temperatures

圖2為高溫后C80 PPHSC立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化曲線。由圖2可知，與常溫相比，隨著溫度的升高，PPHSC的立方體試件抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢。100 ℃高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度較常溫下降了22.2%，強(qiáng)度值減少較明顯；200 ℃高溫后，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度有所回升，上升幅度為21%；300 ℃高溫后，強(qiáng)度下降且無回彈趨勢；400 ℃高溫后，強(qiáng)度降低至常溫時(shí)的60%；與400 ℃相比，500 ℃高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降不明顯，僅達(dá)到8.15%；600 ℃高溫后，立方體抗壓強(qiáng)度急劇下降，其強(qiáng)度值僅為常溫時(shí)25.05%，強(qiáng)度基本喪失。將溫度和立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，擬合回歸方程為：

y=1.5774x2+2.9226x+83.5

相關(guān)系數(shù)R2=0.9031

式中：x-溫度(℃)，20 ℃≤x≤600 ℃；y-高溫后PPHSC立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)。根據(jù)上式可由溫度初步推斷出PPHSC高溫后的抗壓強(qiáng)度，為高強(qiáng)混凝土火災(zāi)后損傷評估提供一定的科學(xué)依據(jù)。

3.3高溫后混凝土的相對質(zhì)量損失與相對殘余抗壓強(qiáng)度關(guān)系

本試驗(yàn)中，高強(qiáng)混凝土高溫后的相對殘余抗壓強(qiáng)度定義為高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與其常溫下立方體抗壓強(qiáng)度之比；高溫后高強(qiáng)混凝土相對質(zhì)量損失定義為高溫后混凝土立方體質(zhì)量損失量與其常溫下混凝土立方體內(nèi)部理論水分質(zhì)量之比。

表3　C80 PPHSC高溫后相對殘余抗壓強(qiáng)度與相對質(zhì)量損失

圖3　高溫后PPHSC的相對質(zhì)量損失與相對殘余抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3　Relative residual compressive strength and relative mass loss of PPHSC after high temperatures

圖3表示高溫后C80 PPHSC相對殘余抗壓強(qiáng)度與相對質(zhì)量損失的關(guān)系曲線。由圖3知，隨著溫度的升高，兩者的整體變化趨勢符合變化規(guī)律。隨著溫度升高，混凝土相對質(zhì)量損失增加，而相對殘余抗壓強(qiáng)度減小，在100 ℃和200 ℃高溫之間，兩者差異較大。從常溫加熱至100 ℃，高強(qiáng)混凝土的相對殘余抗壓強(qiáng)度降低了25.5%，而其相對質(zhì)量損失卻增加了0.19%；當(dāng)溫度升高至200 ℃后，其相對質(zhì)量損失急劇下降，混凝土質(zhì)量顯著降低，降幅約為100 ℃時(shí)質(zhì)量損失的7倍。相反，高強(qiáng)混凝土的相對殘余抗壓強(qiáng)度上漲了15.6%；300 ℃高溫后兩者的數(shù)值差距減?。划?dāng)溫度從300 ℃升高至400 ℃時(shí)，其之間的相對質(zhì)量損失增加最多，約為0.56%。同時(shí)，其相對殘余抗壓強(qiáng)度降低了19.3%；當(dāng)溫度達(dá)500 ℃時(shí)，兩個(gè)量值的變化幅度相對減小，相對質(zhì)量損失提高了0.22%，相對殘余抗壓強(qiáng)度僅降低了4.9%；600 ℃高溫后，相對質(zhì)量損失較500 ℃增加幅度減小，為0.1%，說明600 ℃高溫后，高強(qiáng)混凝土內(nèi)部分解反應(yīng)變化速率較小。然而其相對殘余抗壓強(qiáng)度變化幅度卻大量增加，約為30.4%。從而可知，600 ℃高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低而質(zhì)量損失增加幅度較大。

4　結(jié)　論

(1)高溫后摻聚丙烯纖維的C80高強(qiáng)混凝土質(zhì)量損失逐漸增加，400 ℃高溫后，混凝土內(nèi)部損失的質(zhì)量明顯大于其內(nèi)部理論水分質(zhì)量，此時(shí)混凝土內(nèi)部不僅自由水以水蒸氣形式溢出，同時(shí)伴隨有Ga(OH)2受熱分解其結(jié)合水的蒸發(fā)；600 ℃高溫后，混凝土的質(zhì)量損失達(dá)到0.60 kg，混凝土內(nèi)部物質(zhì)分解程度加深，GaCO3受熱分解，氣體逸出導(dǎo)致混凝土質(zhì)量損失加快；

(2)高溫后摻聚丙烯纖維的C80高強(qiáng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，600 ℃高溫后，混凝土抗壓強(qiáng)度急劇下降，其強(qiáng)度值僅為常溫時(shí)的25.05%，抗壓強(qiáng)度基本喪失；

(3)高溫后摻聚丙烯纖維的C80高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系的建立，為高強(qiáng)混凝土火災(zāi)損傷評估提供一定的科學(xué)理論依據(jù)；

(4)隨著溫度的升高，摻聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土相對質(zhì)量損失和相對殘余抗壓強(qiáng)度的整體變化趨勢基本相似。溫度升高，伴隨著相對質(zhì)量損失的增加，相對殘余抗壓強(qiáng)度減小，在100 ℃和200 ℃高溫之間，兩者差異較大，600 ℃高溫后高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低而其質(zhì)量損失增加幅度相對較大。

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[2] 杜紅秀,張寧,王慧芳,等.聚丙烯纖維對高強(qiáng)混凝土高溫后殘余抗壓強(qiáng)度的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,43(2):207-211.

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Mass Loss and Compressive Properties of C80 High Strength Concrete at Elevated Temperature

SHIYing-hao,DUHong-xiu,YANRui-zhen

(College of Architecture and Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

In this study, the mass loss and compressive properties of high strength concrete (HSC) cube specimens mixed with polypropylene (PP) fiber after high temperature was investigated. After these specimens were heated in an electric stove, the effect of high temperature on mass loss and compressive strength of HSC was analysiced. The results show that the compressive strength of HSC after high temperature indicated varying degrees of decline, on the contrary, the mass loss of HSC increased gradually. After 600 ℃, the compressive strength of HSC fell sharply and was only 25.05% of that at normal temperature. Meanwhile, with the increase of temperature, the relative mass loss and relative residual compressive strength of HSC with polypropylene fiber are similar to that of the overall trend.

polypropylene fiber;HSC;mass loss;compressive property

國家自然科學(xué)基金(51278325)；國家自然科學(xué)基金(51478290)

史英豪(1988-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土材料及結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究.

杜紅秀，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0980-04