钢纤维活性粉末混凝土的高温爆裂试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 8 期 (总 第 2 5 0 期 ) N u mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 0 2 钢纤维活性粉末混凝土的高温爆裂试验研究 刘红彬，李康乐，鞠杨，王会杰。王金波，田开培，危松 ( 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 北京市岩石混凝 土破坏力学重点实验室 ，北 京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要： 制备了纤维率为 0 、 1 和2 三种钢纤维掺量的活性粉末混凝土( R P c) 试件 ， 利用自行设计的加温装置测试了高温条件下 R P C 试件 的爆裂行为。试验结果表 明： 在试验条件下 ， 当试件 中心温度为 2 5 0左 右时 ， 活性粉末混凝土会发生爆裂 ， 与素 R P C试件以及高强 混凝土相 比， 掺加钢纤维未能显著提高试件的爆裂 温度 ， 但可 以降低试件爆裂的破坏程度 ， 钢纤维掺量 2 时 ， 这种降低作用更 加明显 。表 明高温条件下钢纤维较好发挥了增韧作用， 有效抑制了裂纹的扩展和试件的开裂。 关键词 ： 活性粉末混凝土 ；高温 ；爆裂 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 8 0 0 0 6 0 3 E x p l o s i v e s p a l l i n g o f s t e e l f ib e r r e i n f o r c e d r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e s u b j e c t t o h i g h t e mp e r a t u r e L I UHo n g - b i n ， L I Ka n g - l e ， J UY a n g， WA NGHu i -j i e ， WAN GJ i n - b o ， T I ANKa i -p e i ， WE I S o n g ( S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f Co a l R e s o u r c e s a n d S a f eMi n i n g ， B e i j i n gK e yL a b o r a t o ryo f F r a c t u r e a n dDa ma g eMe c h a n i c s o f Ro c k s a n dC o n c r e t e C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g and T e c h n o l o g y， Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： An e x p e r i me n t a l s t u d y wa s c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e e x p l o s i v e s p a l l i n g b e h a v i o r o f R e a c t i v e P o wd e r C o n c r e t e( R P C) a t e l e v a t e d t e mp e r a tur eb yus i n g s e l f - d e s i g n e dh e a t i n gd e v i c e Th r e et y p e s of RP C s p e c i me n swe r ep r e p a r e dwi t h s t e e l fib e r r a t i o o f 0， 1 ， a n d2 ， r e s pe c t i v e l y Re s u l t s o f t h i s pa p e r s h o we d t ha t e x p l o s i v e s pa l l i n g o f RPC o c c u r r e d whe n t h e c e n t e r t e mp e r a tur e wa s a b o u t 2 5 0 Co mp a r e d wi t h p l a i n c o n c r e t e o r h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e， t h e p r e s e n c e o fs t e e l fib e r h a d l i t t l e i n flu e n c e o n s p a l l i n g t e mp e r a t ur e ， b u t r e d u c e d t h e d a ma g e t o a c e r t a i n d e g r e e， e s p e c i a l l y a t t he fi b e r r a t i o 0 f 2 I t wa s de mo n s t r a t e d t h a t s t e e l fib e r h e l ps i n i n c r e a s i n g d uc t i l i t y b y l i mi t i n g c roc k g r o wt h a n d p r o pa g a t i o n Ke y wo r d s ： r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( R P C) ； h i g h t e mp e r a t u r e ； e x p l o s i v e 0 引言 随着经济发展和城市化进程的加快， 现代建筑 日益向高层 化、 大跨化发展， 高强、 高性能混凝土由于强度高、 承载力大和 良好的耐久性得到了广泛应用 ， 但高强、 高性能混凝土存在脆 性高和耐火性能差的缺点， 当遭受高温或火灾时 ， 易发生爆裂 性破坏。1 9 9 6年发生在英 法海峡隧道的 1 0 h 火灾导致数千米 长 的 HP C ( 抗压强度达到 了 1 0 0 MP a ) 爆裂 ， 造成 了隧道 内表面 长约 4 O I T I ， 厚度约为 4 5 0 m m的受损区域 I_ 2 1 。 活性粉末混凝 土( R e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ， 简称 R P C) ， 是 法国 B O U YG UE S公司于 2 0世纪 9 0年代率先研发的新一代 高性能水泥基复合材料， 它具有超高强度、 高韧性和良好的耐 久性， 作为一种新兴的高性能混凝土， R P C在道路、 桥梁和军事 工程等领域得到了迅速发展和应用 3 _ 。 目前 ， 对这种新型混凝 土材料的研究多集中在常温下力学性能的研究 ， 对其高温下力 学行为、 爆裂行为和机理方面的研究很少， 为准确设计 、 安全评 价 R P C混凝土结构 以及 拓展 R P C材料 的工程应用 ， 开展 R P C 材料高温下爆裂行为及其机理方面的研究 ， 具有重要的理论意 义和工程应用价值。 自2 0世纪 8 0年代， 国内外学者陆续开展了高强( 高性能) 混凝土高温爆裂性能的研究。1 9 8 4年 K H e r t z最早报道了高强 混凝土在爆裂方面的观察结果。 他针对 1 2 0 1 7 0 MP a 的混凝土 圆柱开展研究， 发现在 3 0 0 3 5 0温度范围内加热圆柱时， 大 部分圆柱试件都爆裂嘲 。 C h a b o c h e 等研究结果表明： 高性能混凝 土大范围爆裂发生时试件所处的环境温度一般为 3 0 0 8 0 0， 并与试验所采用的不同升温速度有关 ，由预埋在混凝土内的热 电偶所测得的结果来看 ， 一般爆裂发生处的温度都是介于 1 9 0 2 5 0之间。 因爆裂前没有能为人所察觉的先兆， 所以高温爆裂 难以预见唧 。 L o n g T P h a n研究了不同加热速率下高强混凝土的 爆裂性。 加热速率在 5 C mi n时高强混凝土突然发生爆裂 ， 剥 离和碎片大小有 2 - 3 c m， 而加热速率在 2 5 mi n时高强混凝 土没发生爆裂 1埘 。 C h e o n Go o H a n等的研究发现， 随着纤维的长 度 、 表观 比、 熔点等不同， 高强混凝土的爆裂现象也不一样【 l 】 】 。 A N N o u mo we在研究高强混凝土的高温渗透性时发现，轻质 混凝土 2 9 0和 4 3 0时发生了爆裂， 而约束高强混凝土和掺 加聚丙烯纤维的混凝土没有发生爆裂】 2 1 。柳献等研究了与高性 能混凝土具有类似的微观结构的自密实混凝土和高强混凝土 的高温性能， 发现升温至 5 0 0时， 未添加聚丙烯纤维的自密 实混凝土发生粉碎性爆裂， 而添加了聚丙烯纤维的高强混凝土 和自密实混凝土未发生爆裂 l 3 】 。 迄今为止 ， 对混凝土爆裂机理尚未形成统一， 多认为是以 下两种机理在起作用 ， 即蒸汽压机理和热应力机理。蒸汽压机 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 - 2 1 基金项目：国家自然科学基金( 5 0 9 7 4 1 2 5 ) ； 北京市教委共建项目、 新世纪优秀人才计戈 j ( N C E T 0 5 0 2 1 5 ) ； 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主课题 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 理认为高性能混凝土微观结构密实， 孔隙率及孔隙直径较小 ， 这些孔之间不贯通， 在高温下阻止水蒸气的逸出， 从而产生了 内部蒸汽压 ， 而一旦当压力在其内部的某一位置达到并超过混 凝土自身的抗拉强度 ， 即发生高温爆裂。 热应力机理认为由于 混凝土的热惰性，使得高温在混凝土内部热量传导不均匀， 混 凝土内部引起了温度梯度 ， 温度梯度在混凝土内部产生了两向 或者三向热应力， 而且热应力随着温度的升高而增长 ， 最终引 发 了爆裂 。 从以往的研究成果来看 ， 虽然在试验结果上形成了一些共 识 ， 但由于试验方法、 原材料 、 试件尺寸等不同， 对试验结果的 解释和理论分析方面存在较大差别， 对高强( 高性能) 混凝土的 爆裂行为及机理仍需开展进一步的研究工作。 本试验通过纤维率为 0 、 1 和 2 三种钢纤维掺量的活性 粉末混凝土( I c) 试件， 利用自行设计的加温装置着重开展了 高温条件下高性能 R P C材料爆裂行为的研究 ， 关于爆裂机理将 在后续工作中做进一步的研究。 1 试件制备 原材料 ： P O 4 2 5 级水泥， 2 8 d 抗压强度为 5 9 3 MP a 。 粒径 0 1 5 加6 3 mi l l 的石英砂， S i O2 含量大于9 0 , 0 。 微硅粉， S i O2 含量大 于9 8 。3 2 5目的石英粉。西卡减水剂 ， 减水率 3 0 , 0 ， 含固量为 3 7 2 ， 密度为 1 0 7 7 g c m 。 剪切型钢纤维， 直径为O 2 o 2 2 n l m， 长 度为 1 3ll h r r ， 抗拉强度为2 9 0 0 MP a 。材料配合比见表 1 。 表 1 RP C 2 0 0配合比 中砂 细砂 石英粉 剂养护就 0 1 8 1 0 2 8 0 7 4 0 3 7 0 3 9 2 9 0热水养护 7 2 h 制备试件时， 先将水泥、 石英砂 、 石英粉以及硅灰倒入搅拌 机 中搅拌 3 mi n ， 然后均匀加人钢纤维( 素 R P C省略该步骤 ) ， 搅拌均匀后， 加人溶有减水剂的半用水量 ， 继续搅拌 3 mi n ， 并倒入另一半用水量 ， 再搅拌 3 mi n 。 将拌合物浇筑于布置好热 电偶位置的钢制模具中( 为准确测量试件内部温度， 在试件中 心部位预埋热电偶 ， 见图 1 ) ， 并置于振动台上振动成型， 2 4 h后 拆模并放到快速养护箱中养护， 7 2 h后将试件取出。 图 1 立方体试件 2试 验 方 法 加热装置采用箱式电热炉 ， 功率 1 2 k W， 最高升温速率为 1 0 C mi n 。 为了能直观的观察 R P C在高温条件下的爆裂现象， 本 实验对电热炉进行 了设计改造。在炉门处开了一个 2 7 c mx l 5 c m 的长方形观察窗， 材料选用透明度好的石英玻璃 ， 为保证试验 的安全性 ， 在石英玻璃的外表面加贴了一层安全防护膜， 以增 加石英玻璃的抗爆性， 采用卤素灯提供照明( 图2 ) 。结果表明， 热电偶穿入孔 石英 玻璃 图 2 设计改造的高温炉 设计改造的炉门能够很好的观察 R P C试件加热过程中的变 化， 同时保证了试验的安全。 3 试验 结果与分析 3 1 爆裂现象与分析 混凝土的爆裂是指混凝土试件在高温作用下 ， 达到一定温 度时， 混凝土突然发生表面剥落 、 崩出的现象。 本试验设定的目标温度为 5 0 0， 速度为 3 mi n ， 通过预 埋在试件内部和放置在试件表面的热电偶以及巡检仪量测和 实时记录温度数据， 分别测试了纤维率为 0 、 1 和 2 三种钢纤 维掺量的活性粉末混凝土( R P C) 试件的高温爆裂行为， 每组测 试 3个试件。 试验过程 中通过观察窗可以看到， 在炉温 3 9 0前( 对应 试件内部温度 2 2 4) 没有发生爆裂现象 ， 继续升高温度， 发现 有细小碎片陆续从表面溅出( 一般是在试件边角部开始) ， 伴有 “ 啪啪” 的清脆响声， 在 4 0 0左右 ， 高温炉内发生第一次爆裂， 声音很大 ， 多数从试件角部发生大块崩裂， 接下来碎片连续 四 处飞溅 ， 甚至远溅到炉门处( 试件至炉门的距离为 3 0 c m) ， 试 验中观察到部分试件的位置随着爆裂发生了移动， 移动距离有 2 - 3 c m。之后随温度升高炉内持续发生爆裂， 期间会发出巨大响 声， 持续时间约 2 0 mi n ， 碎块不时溅射到观察窗上， 炉膛内烟雾 弥漫。5 0 0时后停止加温， 等炉内温度降至室温后打开炉门， 素R P C和纤维率为 1 的试件全部爆碎， 呈碎块状 ， 而 2 的试 件均能保持部分完整的形态。同时观察到炉内由耐火砖做成的 炉壁被飞溅的试块打出许多凹坑， 最大的宽 5 1 1 1 1 1 1 、 深 2 ton i ， 可 见爆裂时产生的能量巨大。 通过巡检仪记录的数据来看， 爆裂 时试件表面温度集中在 3 2 5 3 5 5之间 ，试件中心的温度为 2 2 4 2 6 4。 图 3 ,- -4分别给出了爆裂时R P C试件表面和内部温 度随纤维率变化直方图。 从图3和图4看出： R P C材料的爆裂温度随纤维率的增加 变化不大。纤维率从零增加到 2 时， R P C爆裂时， 试件内部温 4 0 0 3 5 0 3OO 2 5 0 魁 赠 2 0 0 恒 摧1 5 0 1 00 5 0 0 o 1 2 钢纤维含量， 图 3 爆 裂时试件表面温度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 00 3 5 0 3 0O 2 50 赠 2 0 0 差1 5 o 1 00 5O O 钢 纤 维 含 量 图 4 爆裂时试件内部温度 度分别增加了5 6 和 3 9 ， 试件表面温度分别增加了 6 5 和 6 9 ( 均为 3个试件的平均值) ， 表明钢纤维的掺入未能有效提 高材料的爆裂温度。 图 5 为试件内部温度随时间变化的曲线， 从图中可以看出， 由于钢纤维具有良好的热传导性， 它们在试件内部乱向分布， 在 ( a ) 纤维率0 的R P C 时 间 mi n 图 5 试件 内部温度随时间变化 曲线 热传导过程中可以起到桥接作用， 纤维率为2 的试件升温速度 普遍高于素的和纤维率 1 的 R P C试件。 3 2 破 坏状 态 图 6给出了3种纤维率下 R P C试件的破坏形态。 ( b ) 纤维率1 的R P C 图 6 试件破坏形态 从试件的破坏形态来看 ， 零纤维率和纤维率为 l 时， R P C 试件均发生了粉碎性爆裂， 试件最终剩余为大小不一的碎块。而 纤维率为2 的试件， 爆裂破坏程度显著降低， 试件均能保持5 0 以上的部分未发生爆裂， 剩余试件仅在外表面出现裂纹 ， 没出 现贯穿内部的裂纹 ， 表明随着钢纤维掺量的增加 ， 钢纤维的增 韧作用得到了很好地发挥， 有效抑制了裂纹的扩展和试件的开 裂， 从而使试件保持部分完整的形态。 4结 语 通过纤维率为 0 、 1 和 2 三 种钢纤维掺量 的活性粉末 混 凝土( R P C) 试件 ， 利用 自行设计的加温装置测试了高温条件下 R P C试件的爆裂行为， 试验结果表明： ( 1 ) 试件 中心温度 为 2 5 0左右时 ， 活性 粉末混凝 土会 发 生爆裂， 掺加钢纤维未能有效提高试件的爆裂温度。 ( 2 ) 钢纤维掺量 2 时， 试件爆裂破坏程度显著降低 ， 表明 高温条件下钢纤维较好发挥了增韧作用， 有效抑制了裂纹的扩 展和试件的开裂 。 参考文献 ： 1 】P H AN L T， C AR I N0 N J ， D U T HI U H D， e t a1N a t i o n a l i n s t i t u t e o f s t a n d a r d s a n d t e c h n o l o g y J I n t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n F i r e P e r f o r ma n c e o f Hi g h S t r e ng t h Co n c r e t e Ga i t h e r s b u r g。 MD： NI S T S p e c i al P u b l i c a t i o n 91 9 1 9 9 7： 9 5 一l 1 3 【 2 K I R K L C J Ih e fi r e i n t h e c h a n n e l t u n n e l J T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o gy ， 2 0 0 2 ， 1 7 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 2 3 R I C H AR D P， C HE Y R E Z Y M C o m p o s i t i o n o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s J C e m C o n c r e t e R e s ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 0 1 1 5 l 1 【 4 何峰， 黄政宇2 0 0 3 0 0 MP a 沔性粉末混凝土( R P C ) 的配制技术研究叨 8 ( c ) 纤维率2 的R P C 混凝土与水泥制品， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 3 7 5 深圳I大学土木工程学院 活性粉末混凝土( P R C ) 井盖 科技成果通 过鉴定m深圳I土木与建筑 ， 2 0 0 7 ， 4 ( 4 ) ： 1 0 4 6 赵曼， 阎贵平， 郝文秀 高速铁路 R P C 格构型轨道板的设计与仿真分 析【 J J E 京交通大学学报， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 ) ： 6 4 6 8 7 Y AN G J u， J I A Y u d a n ， L I U Ho n g b i n ， e t a 1 Me s o me c h a n i s m o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d t o u g h e n i n g o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e J S c i C h i n a( S e r E ) ， 2 0 0 7， 5 0 ( 6 )： 8 1 5 8 3 2 8 HE R T Z K H e a t i n d u c e d e x p l o s i o n o f d e n s e c o n c r e t e s R I n s t i t u t e o f Bu i l d i n g De s i g n Re p o r t No 1 66， Te c h n i c a l Un i v e r s i t y o f De n ma r k， 1 9 8 4 9 C H AB O C H E J L De v e l o p m e n t o f c o n t i n u u m d a ma g e m e c h a n i c s f o r e l a s t i c s o l i d s s u s t a i n i n g a n i s o t r o p i c a n d u n i l a t e r al d a ma g e f J 1 I n t e r n a t i o n al J o u mal o f D a ma g e Me e h a n i e s ， 1 9 9 3 ， 2 ( 4 ) ： 3 1 1 - 3 2 9 1 0 P H AN L T P o r e p r e s s u r e a n d e x p l o s i v e s p a l l i n g i n c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 8 ( 4 1 ) ： 1 6 2 3 1 6 3 2 1 1 NO U MO WE A N， S I D DI Q UE R， D E B I C K I G P e r me a b i l i t y o f h i g h p e r f o rma n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o e l e v a t e d t e mp e r a t u r e( 6 0 0 o c ) J ， C o n s t ruc t i o u a n d B u i l d i n g Ma t e r i als ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 5 ) ： 1 8 5 5 1 8 6 1 1 2 H AN C G， H A N M C， HE O Y S I mp r o v e m e n t o f r e s i d u a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p a l l i n g r e s i s t anc e o f h i g h - s t r e n g t h RC c o l u m n s s u b j e c t e d t o fi r e J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 1 0 7 一 l 】 6 1 3 L I U X， Y E G， D E S C HU T F E R G， e t a 1 O n t h e me c h a n i s m o f p o l y p r o p y - l e n e fib r e s i n p r e v e n t i n g fir e s p a l l i n g i n s e l f - c o mp a c t i n g a n d h i g h - p e r - f o rnl a n c e c e m e n t p a s t e 【 J 1 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 4 ) ： 4 8 7 - 4 9 9 作者简介 单位地址 联系电话 刘红彬( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 博士研究生。 北京市海淀区学院路丁 1 1 号 中国矿业大学( 北京) 3 3 号 信箱( 1 0 0 0 8 3 ) 01 0 62 3 31 2 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m