高温后陶瓷纤维增强混凝土超声检测试验研究.pdf

2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 201 3 No 6 J u n e 温后晌Ir a j ， 皿 口 瓷纤维增强混凝土超声检测试验研究 邓文博 ， 迟维胜 ， 徐桑振 ，一 ， 杨炳会 。 ( 1 空军工 程大 学机场 建筑 工程 系 ， 西 安 7 1 0 0 3 8； 2 中 国人 民解放 军 9 4 7 5 0部 队 ， 连城 3 6 6 2 0 0 ； 3 兰空后 勤部 机场 营房 处 ， 西 安 7 1 0 0 0 0 ) 摘 要 ： 研 究 了高温作用以及不 同冷却方式对 陶瓷 纤维增 强混凝 土( c e r a m i c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， CF RC) 力 学性 能及超 声传 导特征的影响 。试验结果表明 ， 随着温度 的升 高， C F RC性 能不断劣化 ， 抗压强度、 超声波波速 总体 呈下降趋 势； 4 0 0之前 ， 其劣化程度较 小， 且抗压 强度在 4 0 0 时有所回升 ， 4 0 0之后 ， 劣化速率 明显增 大 ， 结构 性能急剧 下降； 同 自然冷却情况相比 ， 喷水冷却后 C F RC各项性能指标 下降更为严重 ； 超 声波波速与剩余抗压 强度 服 从一定的函数 关 系 根 据试 验结果给 出了其 函数表达式 。 关键词 ： 高温作 用： 混凝土 ； 超声波 ； 检测 Ab s t r a c t ：T h e e ff e c t s o f h i g h t e mp e r a t u r e a n d d i f f e r e n t c o o l i n g mo d e s o f t h e me c h a n i c a l s t r e n g t h a n d u l t r a s o n i c p r o p e r t i e s o f c e r a mi c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e( C F R C ) a l e r e s e a r c h e d e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t the p r o p e rt i e s o f C F R C a r e d e t e ri o r a t e d a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 1 o n g i t u d i n a l wa v e v e l o c i t y d e c r e a s e Wi t h the ri s i n g o f t e mp e r a t u r e 1 l e d e g r e e o f d e t e ri o r a t i o n o f C F RC i s r e l a t i v e l y l o we r b e f o r e 4 0 0。 a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth i n c r e a s e s a t 4 0 0 o C， h o w e v e r ， t h e r a t e o f d e t e ri o r a t i o n a n d t h e s t r u c t u r e p r o p e r t i e s o f CF RC s h a r p l y d e c r e a s e a b o v e 4 0 0 o CT h p rop e rt i e s o f s p e c i me n s c o o l e d b y s p r a y i n g wa t e r a r e wo r s e tha n t h a t c o o l e d n a t u r all y An d b a s e d o n t h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m the t e x t ， t h e f u n c t i o n al r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e me c h a n i c al s t r e n gth a n d u l t r a s o n i c p r o p e rt i e s i s e s t a b l i s h e d b y me a n s o f d a t a fi t t i n g a n d e qu a t i o n de r i v a t i o n Ke y w o r d s ： H i g h t e mp e r a t u r e ； C o n c r e t e ； U l t r a s o n i c ； D e t e c t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 6 4 0 0 3 0前 言 随着经济的发展和城市化进程的加快 ， 现代建 筑朝着高层化 、 大跨度化发展 ， 高强度、 高性能混凝 土得 到广泛应用 ， 但高强 、 高性能混凝土存在脆性 大、 耐火性能差等缺点 。因此 ， 对高性能混凝土高 温后 性 能 的研 究具 有 现实 意义 f2 1 。 陶瓷 纤 维作 为 一 种 纤维 状 轻质 耐 火材 料 具 有重 量 轻 、 耐 高温 、 热稳 定性好 、 抗拉强度高等优异性能p ， 目前 已在机械 、 冶 金 、 化 工 等众 多 领 域 中得 到 应 用 ， 具有 广 阔 的发 展前景 ， 是未来超高层建筑结构的理想材料 。 本试 验在制备基体强度为 C 5 0的陶瓷纤 维增 强混凝土( c e r a mi c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， C F R C) 基 础 上 。 通 过 超 声 波 检 测 和抗 压 强度 试 验 ， 研 究 了 高温后 C F R C的剩余强度 ， 分析 了不同温度 、 不 同冷却方式下抗压强度 、 超声波波速变化规律 并给 出了 C F RC剩余抗压强度与超声波波速之 间函数表达式 ，可为 C F R C构件和结构火灾后 评估及抗高温设计提供一定的参考依据 。 1 原 材料及 试 验流程 1 1 原 材料 及配 合 比 P 0 4 2 5 R级水泥 ； I级粉煤灰 ； 西安产微 4 0 硅 粉 ， 平 均粒 径 为 0 1 0 1 5 1 x m， 比表 面 积 1 5 2 7 m2 g ， S i O 含 量 9 2 ；泾 阳县产 石灰 岩碎 石(- l O mm， 1 5 ； 1 0 2 0 mm， 8 5 ) ； 灞 河 中砂 ， 细 度 模 数 为 2 8 ； 广州某公 司产 F D N高效减水剂 ， 减水率 2 0 ： N e x t e l 6 1 0陶瓷纤维 ， 其物理 、 力学性能指标见表 1 。 表 2为 基 体 强 度 为 C 5 0的 陶瓷 纤 维 增 强 混 凝 土 配合 比 纤 维体积 掺 量 0 3 。 1 2 试验设备与流程 采 用 圆柱 形试 件 ， 几 何 尺 寸为 0 9 5 m mx 5 0 mm。 将 C F R C拌合物搅拌均匀后装入圆柱体试模成型 ， 硬化后拆模 ， 在 ( 2 0 2 ) 、 相对湿度 9 5 的条件下 标准养护 2 8 d后取出 ， 进行切割 、 水磨加工 ， 以保证 试 件 的平 面度 、光 洁 度及 垂 直度 在 标 准 范 围之 内 。 表 1 陶瓷纤维物理力学性能指标 水 泥 水 砂 碎石 F D N粉煤灰微硅粉陶瓷纤维 3 71 1 8 0 6 72 1 00 8 5 9 9 25 1 1 6 4 高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邓文博 ， 迟维胜， 徐桑振 ， 等 高温后陶瓷纤维增强混凝土超声检测试验研究 试验 采用 R X 3 2 0 1 2型箱式 电阻炉 。 设 计 最高 温度 为 1 2 0 0 ( 2 ， 设 定升温速率为 1 0 C mi n 。设计 5个加 热 温 度 等 级 ，分 别 为 2 0 0 C、 4 0 0 C、 6 0 0 C、 8 0 0 C和 1 0 0 0 C， 采用 自然冷却( Z L ) 和浇水冷却( P L， 喷淋 2 0 m i n ) 二种不 同的冷却方式 ， 冷却静置时间均为 1 d 。 每组工况下 3个试件 ， 试验结果取平均值。试验时 ， 加热至指定温度后在箱 内恒温2 h 以确保 内部受热 均匀。超声波检测设备采用R S M S Y 5 N智能型声波 仪 ， 换能器激振主频 5 0 k Hz ， 采样间隔取 0 2 1 x s ， 脉宽 2 0 lx s ， 数据记录点 2 k 。测试时将探头分别置于试件 两端 的 中心轴 上 进行 对 测 ， 探 头 与试 件 表 面采 用 黄 油耦合 。静压试验采用 H Y Y型电液伺服材料试验 系统 ， 加载速率控制在0 5 MP a s ， 具体试验流程为 ： 试件 一 超声波检测 一 一 高温加热 冷却 超 声波检测 一 抗压强度试验。 2试验 结果 与分 析 2 1 高 温作 用对 C F R C抗 压强 度 的影响 经高温作用后 的残余抗压强度 厂 是表征混凝 土高温损伤特性最重要、 最基础 的的一项指标【7 。图 1 为不同温度下 C F R C的相对抗压强度 ( 残余抗压 强度 厂 同常温时抗压强度 厂 的比值 ) ， 由图 1 可 以 看 出 高 温后C F R C的抗 压 强度 均 出现不 同程度 的 下降，且浇水冷却试件 的抗压强度 厂 普遍小于 自 然冷却试件的抗压强度 厂 ， ， 。2 0 0 C 时 ， 试件内部 自 由水分蒸发 ， 形成空隙和裂缝 ， 同时 ， 由于产生 的蒸 汽压力无法排出使得试件胀裂 ，裂缝数量增多 。 结 构 性 能 总体 下降 。相 对 抗 压强 度 分别 降 至 0 8 8 ( Z L ) ； 4 0 0 时 ， 纤维与基体间的结合力较大 ， 缓解了 部分集中应力 且此温度下促使 内部未水化 的水 泥 颗粒二次水化产生胶凝作用 ， 相对抗压强度 回升至 0 9 6 ( Z L ) ； 4 0 0 C 之后 ， C S H凝 胶体开始脱水分 解 ， 骨料与基体间的胶结面变形开裂 ， 裂缝不 断扩 展 延伸 ， 结构 性 能进一 步 恶化 。 6 0 0 C 以后 ， 骨料 膨胀 失稳 ， 水 化产 物变形分解 ， 纤维与基体 间的粘结力 逐渐丧失 ， C F R C性 能急剧退化 ， 厂 随温度 的升高 蒋 l 出 蟮 霞 O 2 O O 4 0 0 6 0 o 8 o o l O 0 o 温度 q C 图 1 相对抗压强度与温度的关系曲线 迅 速降低 ， 强度退化 明显加速 ， 当温度到达 1 0 0 0 C 时， 的下降幅度高达 7 6，而 因试件破损 严 重 已无 法测 得 。对 于浇 水冷 却后 的试 件 ， 在 2 0 0 6 0 0 C 阶段 ， 由于喷淋遇水骤冷 在试件内外形成 了 较 大 的温 度 梯度 和 热应 力 ， 加 剧 了裂 缝 的 萌生 及 损 伤 的发展 ，使得 C F R C的性能较 自然冷却时劣化更 为严重 ； 6 0 0 c I = 以后 ，因高温 已造成试件内部结构疏 松 失 稳 ， 性 能 大 幅 下 降 ， 冷 却 方 式 带 来 的 影 响 逐 渐 减 弱 。 2 2高温作用后 C F R C超声波速的变化 C F R C在 升 温过 程 中 由于 发 生 一 系 列 物 理 、 化 学变化 ， 造成表面、 内部 出现裂纹空隙， 整体结构松 动 ， 使得穿过试件的超声波发生反射 、 折射 、 绕射等 现象 ， 导致超声波波速降低 ， 能量减小 。因此 ， 波速 的快 慢 变化 一 定 程 度 上 能 反 映 出混 凝 土 整 体 性 和 密实性的变化 。 波速的下降微观上是试件中裂缝扩 展和连通 的表现 ， 利用波速可 以间接推求出高温后 C F R C内部的损伤演化情况嘲 。图 2为高温后超声波 波 速 随温 度 的变 化 曲线 ， 由图 2可 以看 出 无 论 采 取何种冷却方式 ， 均随温度的升高不断减小 ； 对于 自然冷却 的试件 ，其纵波波速 在 4 0 0 C 时降至 3 5 2 1 m s ，为 常温 时 的 7 9 2 ，此 后 快 速 衰 减 ， 1 0 0 0 C 时 已减小至 1 0 3 7 m s ：对于浇水冷却的试 件 ， 其波速 较 衰减更大 ， 且这种差距在 2 0 0 6 0 0 阶段 基本控制在 3 0 0 m s 左 右 ， 6 0 0 C 后 与 I ， 。 趋于接近 ，冷却方式对纵波波速的影响逐渐减 弱 ； 对试验结果进行拟合 ， 拟合结果如表 3所示 ， 拟 合结果表现出良好的线性关系。 怄 辋 图 2 超声波波速与温度关系拟合曲线 表 3高温损伤后 C F R C超声波波速线性拟合参数 注 ： y = a + b x 2 3 强度与超声特征的相关性分析 研究表 明， 混凝土高温后 的相对残余强度与峰 值温度存在一定的相关性 ， 许 多学者给出了不同的 一 41 0 5 O 5 0 5 O 5 O 5 4 4 3 3 2 2 1 l l 1 O O O O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 6期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 0 6期 赠 藤 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 O o o 温 度 图 3 高温损伤后 C F R C相对抗压强度拟合结果 表 4高温损伤后 C F R C剩余抗压强度拟合参数 模 型 ， 其 中过 镇海 一 时 旭东 模 型 如式 ( 1 ) 9 1 ， 得 到 了广 泛认可 。 因此 。 本试验参考该模型对 C F R C试件相对 残余抗压强度与温度的关系进行了拟合 ， 结果见图 3 相关 系数 见表 4 。从 拟合结 果 可 以看 出 ， C F R C相 对 剩 余抗 压 强度 与温 度 的关 系能 较 好 地 服 从 该 函 数关系 ， 并且冷却制度对拟合结果影响不 明显 。 ： 一 ( 1 ) f f T b H口l 而J 式 中， ， 一 混凝土剩余抗压强度 ； 一 混 凝 土原始 强度 。 将拟合参数分别带入 式 ( 1 ) 中， 可得到不 同冷 却制度下 C F P R C的相对抗压强度与峰值温度 的关 系式 ， 分别 如式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 所 示 。 自然冷却条件下 ： f c u = 喷水冷却条件下 ： f c u = 1 + 1 5 3 4 0 ( ) 1 1 + 3 -5 2 ( 而 T ) ( 2 ) ( 3 ) 为了建立高温损伤后 C F R C的残余强度与超声 特性 的关 系 利用表 3拟 合结 果得 到 C F R C高 温损 伤 后 ， 超声 波 波速 与 峰值 温 度 的关 系 ， 如 式 ( 4 ) 和式 ( 5 ) 所示 。 自然冷却 条 件下 ： V = 4 7 7 0 0 0 3 7 T ( 4 ) 喷 水冷 却条 件下 ： V = 4 5 9 0 0 0 3 8 T ( 5 ) 分别将式( 4 ) 代入式 ( 2 ) ， 将式( 5 ) 代入式( 3 ) 中 可 得 到 C F R C高温损 伤后 不 同冷却 制度 下 的相对 抗 压 强 度 与超 声 波 波 速 之 间 的关 系 式 ， 即式 ( 6 ) 和 式 ( 7 ) ， 建立 了超声 波波 速与 C F R C相 对剩 余强 度 的关 系 。 一 4 2一 自然冷却条件下： 喷水冷却条件下 ： R ， 一 厂 R 厂 一 j c u 3 4 o ( ) n 5 2 ( ) ( 6 ) ( 7) 3结论 ( 1 ) C F R C的抗 压强 度 、 超 声波 波 速均 随温度 的 升高呈下降趋势 ； 4 0 0 之前 ， 下降速率较小 ， 结构性 能相对稳定 ； 4 0 0 C 时 ，抗压强度有所 回升 ； 4 0 0 之 后 ， 下降速率明显增大 ， 结构性能急剧下降 ； 4 0 0 C 为 C F R C性 能 突 变 的 临 界 温 度 。冷 却 方 式 对 高 温 后 C F R C的性 能退 化有 显著 影 响 对 于浇 水 冷却 后 的 试件 。 各项性能指标下降较 自然冷却情况更严重 。 ( 2 ) 高温 后 C F R C超声 波 波 速 与温 度 峰 值 具 有 良好的线性关系： 超声波波速与高温后剩余抗压强 度服从 过 镇海一 时 旭东模 型 。 ( 3 ) 对试验数据进行拟合推导得到剩余抗压强 度 与超声 波波 速 的 函数关 系 可 为 C F RC构件 和结 构火灾后评估及抗高温设计提供一定的参考依据。 参考文献： 【 1 赵军， 高丹盈 高 温后 聚丙烯纤 维高强混凝土力学性能试 验研究 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 3 3 1 3 5 2 巴恒静， 杨少伟 钢纤维混 凝土高温应 力损伤性 能 J 混 凝土 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 5 - 1 7 3 L A D E V t Z E P ， G E N E T M A n e w a p p r o a c h t o t h e s u b c r i t i c a l c r a c k i n g o f c e r a m i c fi b e r s J C o mp o s i t e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ( 7 0 ) ： 1 5 7 5 1 5 8 3 【 4 L E E J C ， K WO N H C ， K WO N Y P 。 e t a 1 P o r o u s c e r a mi c fi b e r g l a s s ma t r i x c o mp o s i t e s f o r s o l i d o x i d e f u e l c e l l s e a l s J 1 C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A ： P h y s i e o c h e m E n g A s p e c t s ， 2 0 0 7 ( 3 0 0 ) ： 1 5 0 -1 5 3 【 5 MA Y P ， Z HU B R ， T A N M H P r o p e r t i e s o f c e r a m i c fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t c o mp o s i t e s 3 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 5 ( 3 5 ) ： 2 9 6 - 3 0 0 6 】 朱俊 陶瓷纤维展望【 J 化学工业， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 0 3 4 7 过镇海， 时旭东 钢筋混凝 土原理和分析 M】 北京： 清华 大 学 出版 社 。 2 0 0 7 8 傅竹 武， 王鑫 混凝土构件缺 陷超 声无损检测 的研究f J 岩土力学， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 增) ： 7 8 4 7 8 8 9 】 过镇海， 时旭 东 钢筋混凝 土高性能及其计算【 M 】 北京 ： 清 华 大 学 出版 社 ， 2 0 0 3 ： 1 4 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 5 作者简介 ： 邓文博 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 陕西 省西 安市空军工程大学航 空航天工程学 院 研 究 生 1 0 2队 联 系 电话 ： 1 5 3 3 9 2 3 8 8 5 0 E Ma i I ： d e n g wb 2 3 1 1 6 3c o m l O 9 8 7 6 5 4 3 2 L 1 O O 0 O O 0 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m