杜 詠，嚴(yán)奧宇，戚洪輝

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

超高強(qiáng)混凝土(UHSC)具有抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、密度大、孔隙率低的特點(diǎn)，在建筑、橋梁、公路和軍事設(shè)施等工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛[1].火災(zāi)在結(jié)構(gòu)服役周期內(nèi)是遭遇最為頻發(fā)的災(zāi)害，超高強(qiáng)混凝土在火災(zāi)高溫下也會(huì)出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象.

已有研究表明，高溫爆裂主要遵循蒸汽壓力機(jī)理和熱應(yīng)力機(jī)理[2-4].混凝土強(qiáng)度[5-11]、水膠比[5-11]、孔隙率[5]、含水率[11]、骨料類型[6,12-14]、升溫速率[14-15]、加載水平[13,15-16]和試件尺寸[17-19]等因素對(duì)混凝土高溫爆裂的影響均有試驗(yàn)研究.

在UHSC中添加聚丙烯纖維是防止其高溫爆裂較為有效的方法[14,20].聚丙烯纖維的熔點(diǎn)較低，通常為170℃.在高溫下，聚丙烯纖維會(huì)熔化，因此蒸汽可以通過纖維熔化后留下的孔隙排出[12]，從而阻止UHSC的高溫爆裂.歐洲規(guī)范EN 1992-1-2：2004《Eurocode 2：Design of concrete structures-Part 1-2：General rules structural fire design》建議，摻入體積分?jǐn)?shù)不少于0.22%的聚丙烯纖維可防止強(qiáng)度等級(jí)105MPa及以下的混凝土高溫爆裂；Xiong等[20]指出體積分?jǐn)?shù)0.10%的聚丙烯纖維可有效防止150MPa混凝土高溫爆裂.另外，由于超高強(qiáng)混凝土在常溫下表現(xiàn)出顯著的脆性，通常摻入一定量的鋼纖維來提高其常溫下的延性[21].而已有研究表明，鋼纖維可延緩高強(qiáng)混凝土爆裂[7].

在廣州東塔工程中實(shí)現(xiàn)高層泵送120MPa混凝土技術(shù)的工程實(shí)踐表明，超高強(qiáng)混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是大勢所趨.由于影響混凝土高溫爆裂的因素較為復(fù)雜，至此，已有研究并未得出統(tǒng)一的防止超高強(qiáng)混凝土高溫爆裂的措施，以指導(dǎo)工程應(yīng)用.本文在已有研究基礎(chǔ)上，首先開展了15組立方體抗壓強(qiáng)度為116～143MPa的纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土(FRUHSC)試件在ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的高溫爆裂試驗(yàn)，考慮混凝土的水膠比、孔隙率和試件尺寸，提出能防止UHSC高溫爆裂的混雜纖維摻量.然后，通過14根大尺寸混雜纖維增強(qiáng)120MPa混凝土型鋼組合柱的高溫加載試驗(yàn)，進(jìn)一步考察優(yōu)化混雜纖維摻量對(duì)120MPa混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件防高溫爆裂的有效性，為正確評(píng)價(jià)超高強(qiáng)混凝土型鋼組合柱的高溫承載能力，推進(jìn)120MPa混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)方案

1.1 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土原料及配合比

膠凝材料選用P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，920 U型硅灰；細(xì)骨料為二區(qū)中砂；粗骨料由5～10mm與10～20mm 這2種粒徑的玄武巖碎石按質(zhì)量比4∶6混合；外加劑為聚羧酸高性能減水劑，固含量(1)文中涉及的固含量、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為20.3%；纖維采用熔抽超細(xì)型鋼纖維(SF)和聚丙烯纖維(PPF)，其性能指標(biāo)見表1.超高強(qiáng)混凝土水膠比mW/mB分別為0.18和0.15(編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ)，其余配合比見表2.

表1 纖維性能指標(biāo)

表2 超高強(qiáng)混凝土配合比

1.2 試件制備

以超高強(qiáng)混凝土在ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(最嚴(yán)重建筑火災(zāi)升溫條件)下歷經(jīng)2h，試件中心溫度不超過200℃為原則，設(shè)計(jì)混凝土試件尺寸.在升溫過程中，既滿足試件截面的溫度非均勻(試件表面溫度已超過1000℃)，又可使試件全截面溫度超過100℃ 時(shí)逐步形成較大蒸汽壓力；在試件全截面溫度超過170℃時(shí)，PP纖維逐步融化，形成可緩解蒸汽壓力的空隙.根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求，按照表2中的配合比，摻入PPF和SF(其體積分?jǐn)?shù)分別用φPPF和φSF表示)，配制15組試件，如表3所列，同時(shí)每組制備3塊邊長為150mm的立方體試塊用來測試其抗壓強(qiáng)度fcu，結(jié)果也列于表3.

表3 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土試件方案匯總

1.3 試驗(yàn)裝置

燃?xì)庠囼?yàn)爐工作升溫歷程遵循ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，最高可達(dá)1250℃.為防止試件高溫爆裂損壞爐內(nèi)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過程中使用高溫防爆保護(hù)網(wǎng).在試件的幾何中心預(yù)埋熱電偶，并使用多功能數(shù)據(jù)采集器測量超高強(qiáng)混凝土試件中心的升溫歷程.

1.4 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土試件的孔隙率

較低的孔隙率是超高強(qiáng)混凝土在高溫下爆裂的主要因素之一[18].根據(jù)GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度 第一部分：壓汞法》，為了取樣具有代表性，用切割機(jī)分別從水膠比0.18和0.15的未摻纖維UHSC試件中取若干大小約為1cm3的樣品，采用壓汞法，測試樣品的孔隙率，定量評(píng)價(jià)纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土的密實(shí)性.

2 高溫爆裂試驗(yàn)

2.1 試件升溫歷程

試件中心升溫歷程如圖1所示，實(shí)測爐溫與預(yù)設(shè)ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線基本重合，試件試驗(yàn)溫度條件良好.試件受火初期，其中心溫度顯著低于爐溫.試件FRUHSC5在點(diǎn)火后約50min發(fā)出爆裂聲響，其溫度曲線在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變；其他部分爆裂試件的中心溫度增長基本平穩(wěn).除試件FRUHSC5外，其他試件受火2h后，中心溫度均為200℃左右.

圖1 試件中心升溫曲線Fig.1 Temperature history in core of specimens

2.2 試驗(yàn)高溫爆裂現(xiàn)象

試件經(jīng)歷ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫后外觀如圖2所示.升溫過程中發(fā)現(xiàn)，不同纖維體積分?jǐn)?shù)的混凝土試塊外觀顏色隨溫度變化基本一致：經(jīng)歷20～200℃ 后，為青灰色；經(jīng)歷200～400℃后，由青灰色變?yōu)榛液稚?；?jīng)歷400～800℃后，由灰褐色變?yōu)榛野咨?由圖2可見：未摻加纖維的試件FRUHSC5在經(jīng)歷2h高溫后，發(fā)生粉碎性爆裂，如圖2(e)所示；φPPF=0.10%、mW/mB=0.18的試件FRUHSC1未出現(xiàn)剝落，僅上部出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，如圖2(a)所示；φPPF=0.10%、mW/mB=0.15的試件FRUHSC10，仍然發(fā)生高溫爆裂，如圖2(j)所示；φSF=1.00%的試件FRUHSC9未發(fā)生粉碎性爆裂，高溫爆裂現(xiàn)象有所緩解，如圖2(i)所示；φPPF=0.13%的試件FRUHSC11、FRUHSC14及φPPF=0.10%的試件FRUHSC13在高溫下仍有部分爆裂剝落現(xiàn)象，但爆裂現(xiàn)象不如FRUHSC10明顯，如圖2(k)、(m)、(n)所示，說明摻加PPF后試件高溫爆裂有所緩解，但試件表面出現(xiàn)爆裂脫落，仍然未有效防止高溫爆裂；對(duì)于其余φPPF≥0.15%的試件，無論是否摻加鋼纖維，其高溫爆裂均得到有效抑制.

各試件詳細(xì)的高溫爆裂試驗(yàn)現(xiàn)象如表4所列，其中，爆裂深度為爆裂面到爆裂前試件表面的最大距離，爆裂面積比為爆裂面積與試件受火表面積的百分比.

2.3 試件尺寸對(duì)爆裂的影響

根據(jù)表4所列爆裂程度指標(biāo)，以及圖2(l)和圖2(o)所示的試件受火后外觀，φPPF=0.15%的2種尺寸試件FRUHSC12(φ300×300mm)和FRUHSC15(φ100×200mm)在高溫下均未發(fā)生爆裂；而比較φ300×300mm試件FRUHSC10、FRUHSC11和φ100×200mm試件FRUHSC13、FRUHSC14，發(fā)現(xiàn)當(dāng)φPPF=0.10%、0.13%時(shí)，試件在高溫下仍表現(xiàn)為部分爆裂.試驗(yàn)現(xiàn)象表明，當(dāng)試件尺寸從φ100×200mm增大到φ300×300mm時(shí)，只要φPPF≥0.15%，試件就可防高溫爆裂.

2.4 孔隙率對(duì)爆裂的影響

mW/mB=0.18的試件FRUHSC1孔隙率為4.25%，而mW/mB=0.15的試件FRUHSC10孔隙率為2.34%，兩者的φPPF均為0.10%，試件FRUHSC10在高溫下發(fā)生部分爆裂，爆裂深度為38mm；而孔隙率較高的試件FRUHSC1在高溫下其表面僅出現(xiàn)裂紋.

將本文試驗(yàn)值與文獻(xiàn)[18，22]中數(shù)據(jù)對(duì)比可得：孔隙率大于10%為普通混凝土；孔隙率在6%～10%為強(qiáng)度低于100MPa的高強(qiáng)混凝土；而當(dāng)孔隙率小于6%時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到100MPa以上.混凝土孔隙率越低，抗壓強(qiáng)度越高.本文4.25%孔隙率試件(FRUHSC1)的強(qiáng)度為116MPa,而2.34%孔隙率試件(FRUHSC10)的強(qiáng)度為123MPa.因此，更高強(qiáng)度的超高強(qiáng)混凝土具有更小的孔隙率.

圖2 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土試件高溫后外觀Fig.2 Appearance of FRUHSC specimens subject to fire

表4 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土試件高溫爆裂試驗(yàn)現(xiàn)象匯總

2.5 混雜纖維摻量對(duì)爆裂的影響

如圖2(e)所示，未摻加纖維的超高強(qiáng)混凝土試件FRUHSC5在高溫下發(fā)生粉碎性爆裂；而單摻鋼纖維且φSF=1.00%的試件FRUHSC9高溫爆裂現(xiàn)象得到緩解，表現(xiàn)為部分爆裂.這表明φSF=1.00%的鋼纖維不能有效防止混凝土高溫爆裂，僅可緩解其高溫爆裂程度[19]，這主要得益于鋼纖維所具有的優(yōu)異導(dǎo)熱性能，可以使熱量在混凝土內(nèi)部有效傳遞，從而減小由溫度差所致的熱應(yīng)力；同時(shí)，鋼纖維可提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此，摻加鋼纖維可延緩混凝土的爆裂.但是隨著混凝土溫度的升高，鋼纖維對(duì)提高混凝土抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨著鋼纖維變脆失效而衰退.由圖2可見，當(dāng)φPPF≥0.15%時(shí)，可有效防止超高強(qiáng)混凝土高溫爆裂.

3 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土型鋼組合柱防高溫爆裂試驗(yàn)

3.1 組合柱試件制備

綜合考慮混凝土的延性和工作性能，制備φSF=0.50%、mW/mB=0.15、φPPF=0.15%的超高強(qiáng)混凝土試件C120，按照J(rèn)GJT 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和CCES02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》中要求的測試方法，評(píng)估混凝土拌和物工作性能.測試指標(biāo)包括坍落擴(kuò)展度(expansion)、流動(dòng)時(shí)間(t500)、J環(huán)通過指標(biāo)(PA)、L型儀間隙通過指標(biāo)(H2/H1)，測試結(jié)果見表5.

表5 C120混凝土工作性能指標(biāo)

采用已配置的C120混凝土、H型鋼、直徑12mm 的縱向鋼筋和直徑8mm的箍筋制備纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土型鋼組合柱(SRHSC)，其設(shè)計(jì)詳圖見圖3，受火構(gòu)件匯總表見表6.分別澆筑了1.4m長和2.5m長的超高強(qiáng)混凝土型鋼組合柱.

圖3 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土型鋼組合柱設(shè)計(jì)詳圖Fig.3 Fibre reinforced ultra-high strength concrete encased steel columns design details(size：mm)

表6 受火構(gòu)件匯總表

3.2 高溫加載試驗(yàn)裝置

不同長度試件分別采用了2種加載受火試驗(yàn)裝置，如圖4所示.高溫試驗(yàn)爐遵循ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，加載采用1000t電液伺服加載系統(tǒng)，柱子四面受火，為了防止超高強(qiáng)混凝土爆裂而致爐體損壞，在構(gòu)件表面包裹不銹鋼絲網(wǎng).根據(jù)GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》，當(dāng)柱端軸向壓縮變形速率達(dá)到3×L/1000mm/min時(shí)(L為柱高)，認(rèn)為試件破壞，停止高溫加載.

圖4 試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Test device diagram(size：mm)

3.3 高溫加載試驗(yàn)現(xiàn)象

1.4m構(gòu)件SRHSC1高溫下柱端豎向變形速率達(dá)0.07mm/s 時(shí)則判定為發(fā)生破壞，其外觀如圖5所示.由圖5可見，1.4m構(gòu)件均表現(xiàn)為截面強(qiáng)度破壞，截面處混凝土由于達(dá)到其高溫抗壓強(qiáng)度而開裂剝落，構(gòu)件其余部分混凝土未見強(qiáng)度破壞及高溫爆裂現(xiàn)象.

2.5m構(gòu)件SRHSC5高溫下柱端豎向變形速率達(dá)0.125mm/s時(shí)則判定為發(fā)生破壞，其外觀如圖6所示.由圖6可見，2.5m構(gòu)件均表現(xiàn)為失穩(wěn)破壞，構(gòu)件表面出現(xiàn)典型的受拉側(cè)橫向裂縫及受壓側(cè)豎向裂縫，未觀察到混凝土爆裂現(xiàn)象.

試驗(yàn)結(jié)果表明，mW/mB=0.15，φPPF=0.15%、φSF=0.50%的120MPa混凝土用于構(gòu)件中時(shí)，在常溫下表現(xiàn)出合格的工作性能，在高溫下表現(xiàn)出良好的抗高溫爆裂性能.

圖5 1.4m構(gòu)件SRHSC1高溫后外觀Fig.5 Surface of specimen SRHSC1 with 1.4m length subject to fire

圖6 2.5m構(gòu)件SRHSC5高溫后外觀Fig.6 Surface of specimen SRHSC5 with 2.5m length subject to fire

4 結(jié)論

(1)與水膠比為0.18的纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土FRUHSC相比，水膠比為0.15的FRUHSC具有更低的孔隙率，當(dāng)聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)小于0.15%時(shí)，孔隙率較大的試件高溫爆裂程度明顯低于孔隙率較小的試件；當(dāng)聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)不小于0.15%時(shí)，2種水膠比試件均未發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象.

(2)體積分?jǐn)?shù)為0.15%的聚丙烯纖維可防止φ100×200mm試件發(fā)生高溫爆裂，并適用于φ300×300mm試件.

(3)對(duì)于116～143MPa超高強(qiáng)混凝土，為改善常溫下混凝土延性而摻入體積分?jǐn)?shù)為1.00%的熔抽超細(xì)型鋼纖維并不能防止其高溫爆裂，摻入體積分?jǐn)?shù)為0.15%及以上的聚丙烯纖維，則可防止其高溫爆裂，因此，混摻纖維能防止其高溫爆裂.

(4)超高強(qiáng)混凝土型鋼組合柱高溫加載試驗(yàn)表明，混摻體積分?jǐn)?shù)為0.15%的聚丙烯纖維及0.50%的熔抽超細(xì)型鋼纖維可有效防止構(gòu)件的高溫爆裂.