高温中纤维矿渣混凝土强度劣化及其计算方法.pdf

2 0 1 3年第 1 2期 l 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONC RE T E AND CE MEN T P RODUC T S 2 01 3 No 1 2 De c e mb e r 高温中纤维矿渣混凝土强度劣化及其计算方法 赵亮平 ， 秦道天 ( 1 郑州大学 ， 4 5 0 0 0 2 ； 2 河南卢 阳高速公路有限公司 ， 洛阳 4 7 1 0 0 0 ) 摘要 ： 通过高温中纤维矿 渣微粉 混凝 土强度试验 探 讨 了温度、 矿渣掺量 、 钢纤 维掺量和 聚丙烯 纤维掺 量对 高 温中混凝土强度的影响 。 结果表明 ， 高温中纤 维矿渣微粉混凝土强度随温度的升高不断劣化 ， 4 0 0 o C可作为抗压强度 劣化 的分 界点 ， 劈拉 强度 和抗折强度随温度升 高呈斜 直线下降 ， 降幅大于抗压强度 ； 钢 纤维能显著提 高高温中混凝 土强度 ， 聚 丙烯纤维和矿 渣微粉 对高温 中混凝 土的爆 裂和 强度 劣化 均有一定程度的影响。在统计分析的基础上 ， 提 出了考虑 温度和钢 纤维掺量影响 的高温中纤维矿渣微粉混凝土强度计算公式。 关键 词 ： 高温 ； 矿渣微粉 ； 钢纤维 ； 聚丙烯 纤维； 强度劣化 A b s t r a c t ： T h r o u g h t h e s t r e n g t h t e s t s o f f i b e r r e i n f o r c e d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g c o n c r e t e i n h i g h t e m p e r a t u r e ， t h e i n fl u e n c e s o f t e mp e r a t u r e ， r e p l a c e me n t r a t i o o f s l a g p o w d e r ， s t e e l fi b e r c o n t e n t a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o n t e n t o n t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e i n h i g h t e mp e r a t u r e a r e a n a l y z e d T h e r e s u h s i n d i c a t e t h a t t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e d e t e r i o r a t e s a s t h e t e mp e r a t u r e g r o ws t h e d e ma r c a t i o n p o i n t o f t h e d e t e r i o r a t i o n o f c o mp r e s s i v e s t r e n gth i s 4 0 0 C n1 e s p l i c i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d fl e x u r a l s t r e n gth d e c r e a s e a l o n g t h e i n c l i n e d s t r a i g h t l i n e a s t h e t e mp e r a t u r e g r o ws ， a n d the d e c r e a s i n g r a n g e i s mo r e t h a n t h a t o f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h T h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r c a n e v i d e n t l y i n c r e a s e the s t r e n gth o f fi b e r r e i n f o r c e d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g c o n c r e t e i n h i g h t e mp e r a t u r e B o t h p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d s l a g p o w d e r h a v e t h e e ff e c t o n t h e b u r s t i n g a n d s t r e n gth d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e i n t h e h i g h t e mp e r a t u r e Ba s e d o n t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s ， t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a s o f s t r e n gth o f fi b e r r e i n f o r c e d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g c o n c r e t e a r e p u t f o r w a r d w h i c h c o n c e rns t h e e f - f e c t of t e mp e r a t u r e a n d mi x i n g a mo u n t o f s t e e l fi b e r Ke y w o r d s ： H i g h t e mp e r a t u r e ； G r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g ； S t e e l f i b e r ； P o l y p r o p y l e n e f i b e r ； S t r e n gt h d e t e r i o r a 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 ) 1 2 3 6 0 5 0 前言 高性能混凝 土具有高耐久性 、 高工作性和高体 积稳定性的特点【 - - ， 在土木工程各领域 中得到广泛 应用 。然而， 与普通混凝土相 比， 高性能混凝土结构 密实 ， 脆性大 ， 抗火性能差 ， 尤其是 高温情况下容易 发生爆裂圆 。近年来 ， 火灾事故频频发生 已成为造 成结构破坏主要因素之一。 粒 化高炉矿渣 ( G G B F S ) 是 由高炉炼铁得 到的 以硅铝酸钙为主的熔融物经淬冷成粒后产生的副 产 品 3 1 ， 将其掺入混凝土 中代替部分普通硅酸盐水 泥是配制高性能混凝土的重要手段之一。在高性能 混凝土中加入聚丙烯纤维能有效防止高温爆裂【4 ， 钢纤维 的阻裂增强作用则能有效改善混凝土 的高 温力学性能 ” 。 本文通过高温中纤维矿渣微粉混凝 土强度试验 ， 研究温度 、 矿渣掺量、 钢纤维掺量和聚 丙烯纤维掺量对高温 中纤维矿渣微粉混凝土强度 劣化的影响 建立纤维矿渣混凝土强度随温度和纤 维掺量变化的计算公式 ， 以期为实际工程 中应用提 基金 项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 4 3 4 ) 。 一 3 6一 供依据 。 1 原材 料及试 件 设计 采 用 4 2 5级普 通硅 酸盐水 泥 ： $ 9 5级矿渣 微 粉 ，主要性能指标见表 1 ； J K H一 1型粉状高效减水 剂 ； 级配 良好 的中砂 ， 粒径 1 0 2 5 mm； 连续级配的碎 石 ； 长 1 9 m m、 密度 0 9 1 k g m3 , 熔点 1 6 0 C 的聚丙烯纤 维 ； 长径 比 3 4 3 2 、 抗拉 强度 8 0 8 6 MP a的钢锭铣削 型钢纤维。 表 1 矿渣 的性能指标 为研究 高温中纤维矿渣微粉混凝 土强度的劣 化 ， 共进行了高温中抗压 、 劈拉 和抗折 三类试验 ， 各 类试验选取的试件尺寸分别 为 ：抗压试件 l O O mm x 1 0 0 m mx l 0 0 m m， 劈拉试件 1 5 0 m mx 1 5 0 m mx 1 5 0 m m 抗折试件 1 0 0 mm x 1 0 0 m mx 4 0 0 m m。考虑试件随温度 升高可能发生爆裂 ，在每组 3个试件的基础上 视 纤维掺加情况和温度条件相应增加 1 2个试件 试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 2期 想 蔽 靶 目标 温 度 图 5 相对强度与温度的关系 由图 5可见 ， 随着温度的升高 ， 高温 中纤维矿 渣微粉混凝土的抗压强度 、 劈拉强度和抗折强度均 不断劣化 ， 劈拉强度和抗折强度的降幅显著高于抗 压强度 这说 明温度升高对劈拉强度和抗折强度造 成 的劣 化更 严重 在 2 0 2 0 0 的温度 区段 内，强 度劣化 明显 ， 2 0 0 时抗压强度 、 劈拉强度和抗折强度分别降至常 温 的 9 1 4 、 7 6 4 和 8 4 7 。 此 阶段 的升温 过程 中 ， 试件内部 自由水分 开始蒸发 ，形成毛 细裂缝 和空 隙 ，缝 隙中水分 和水汽不 能及 时排 出而产生蒸 汽 压 ， 蒸汽压对其周 围固体介质产生张力。随着温度 的升高 ， 蒸汽压不断增大， 促使裂缝扩展。高温中加 载时 ， 缝 隙尖端 出现应力集 中 ， 促使裂缝进一步扩 展 。不同于常温和高温后加载 ， 内部裂缝 和孔隙的 变形使蒸汽压引起的孔隙压力发生改变 其中增大 的部分使混凝土 内部损伤加剧 。 从而使其强度劣化 加剧。此阶段 ， 钢纤维的桥接作用和阻裂作用减缓 了裂缝 的出现和扩展 。 并缓和了裂缝尖端的应力集 中 ， 减轻 了高温劣化 ； 聚丙烯纤维融化形成连通 的 孑 L 洞降低 了蒸汽压 ， 减缓 了强度劣化 ， 但 同时这些 孑 L 洞 的存在本身也增多了裂缝的数量 使强度劣化 加剧 。 在 2 0 0 4 0 0 温度 区段内，抗压强度和劈拉强 度劣化减缓 但抗折强度劣化仍较为严重。 4 0 0 C 时， 抗压强度 、劈拉强度 和抗折强度分别降 至常温 的 9 1 0 、 7 3 5 和 6 1 4 。此 阶段的升温过程中， 一方 面 ， 粗骨料 与胶凝体 的温度膨胀 系数不 同， 在高温 作用下两者的变形差使骨料界面上形成裂缝 ， 从而 使混凝土强度劣化加剧 。另一方面 ， 混凝土内部温 度不断升高 ， 自由水已经蒸 发 ， 胶凝体 中的结合水 开始脱 出， 增强 了胶合作用 ， 缓和 了应力集 中， 并使 钢纤维与胶凝体 的粘结力提高 ， 这又可减缓 强度劣 化。此外 ， 聚丙烯纤维在 2 0 0 C以前已经全部融化 ， 形成 的孔洞数量在此阶段没有变化 ， 而对 内部蒸汽 压的缓 和作用持续存在 ，减轻 了蒸汽压损伤 的累 一 3 8一 积 ， 缓和了强度 的劣化。在这些因素的综合作用下 ， 这 一 阶段 强度 劣 化减 缓 。对 于抗 折 强 度 ， 骨 料 与胶 凝体变形差形成的裂缝降低 了受拉 区有效面积 ， 使 拉应力不断提高 ， 中和轴不断上移而破坏 ， 因此 ， 抗 折强度对裂缝 的敏感性更大 ， 故抗折强度劣化仍较 为显著 。 4 0 0 q C 之 后 强度 劣 化加 剧 。6 0 0 C 时抗 压 强 度 、 劈 拉强 度和抗 折强 度分别 降 至常温 时 的 7 4 4 、 5 3 4 和 5 3 5 。此 阶段 的升温 过程 中 ， 粗 骨料 与胶 凝体 的变形差继续增大 ， 界面裂缝进一步开展和延 伸 ： 水泥水化生成 的 C a ( O H) 等脱水 分解 ， 促使裂 缝扩展 ； 其次 ， 钢纤维与混凝土基体之 间产生变形 差 在界面上出现裂缝 ， 胶凝体与钢纤维之间的粘 结力也逐渐降低 ， 钢纤维的增强作用下降 ； 再次 ， 由 于此时混凝土内部水分逐渐蒸发完毕 ， 聚丙烯纤维 的缓和作用不复存在 ， 而其引起的内部缺陷依然存 在 ： 因此 ， 在 这一 阶段混 凝 土 的强 度劣 化加剧 。 温度升至 6 0 0 以后 ，骨料 中的石英等成分也 开始分解 ， 体积显著膨胀 ， 部分骨料 内部 出现裂缝 ， 并随温度的持续升高而开展 ，强度劣化依 旧显著。 8 0 0 时抗压强度 、 劈拉强度和抗折强度分别降至常 温时 的 5 0 5 、 3 8 6 和 3 1 7 。 3 2 矿渣微粉对高温中强度劣化的影响 试验测得的 4 0 O 高温中素混凝土和纤维混凝 土相对强度与矿渣掺量的关系分别见图 6和图 7 。 憩 靛 暖 靛 矿渣掺量 图 6 素混凝土相对强度与矿渣掺量的关系 矿渣掺量 图 7 纤维混凝 土相对强度与矿渣掺量 的关 系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵亮平 ， 秦道天 高温 中纤维矿渣混凝 土强度劣化及其计算方法 由图 6和图 7可 以看 出，随着矿渣微粉掺量 的改 变 ， 4 0 0 C 高温 中混凝土强度 的变化不大 ，这表 明矿 渣微粉掺量对 高温 中混凝土强度劣化无显著影 响。 这一方面是由于矿渣微粉 的掺入降低了水胶 比 有 效改善 了粉体集料的级配 使高温中混凝土 内部的 毛细裂缝数量减少 ，从而减缓 了高温 中强度 的劣 化。另一方面是 由于矿渣混凝土密实的微观结构使 得混凝土内部的水蒸气不易排出 蒸汽压造成 了强 度劣化的加剧 。此外 ， 高温 中混杂纤维混凝 土相对 强度显著高于素混凝土 ， 这一点对劈拉强度和抗折 强度尤为明显 。 说 明混杂纤维可以显著减缓高温 中 混凝土强度 的劣化 ；但矿渣掺量 大于一定值 时 ， 这 种缓和作用会被削弱 ， 表现在相对劈拉强度 和相对 抗折强度分别在矿渣掺量大于 4 O 和 3 0 后劣化 加剧。 3 3钢纤维对高温 中强度劣化的影响 在温度 4 0 0 C 、 矿渣微粉掺量 4 O 、 聚丙烯纤维 掺量 0 9 k g m 的条件下 ，试验测得 的高温中纤维矿 渣微粉混凝土相对强度与钢纤维体积率 的关 系见 图 8 。由图 8可见 ， 随钢纤维体积率 的增大 ， 高温中 纤维矿渣微粉混凝土强度持续增长 钢纤维掺量增 加到 2 时 ，与未掺钢纤维 的混凝土相 比，抗压强 度 、劈拉强度和抗折强度分别提高了 4 4 8 、 8 2 2 和 9 9 3 。说 明钢纤维的加人可 以有效改善高温中 纤维矿渣微粉混凝土强度劣化 ， 尤其是显著改善抗 折强度和劈拉强度 的劣化。 骥 靛 钢纤维掺量 图 8 相对强度 与钢纤维掺 量的关系 由图 8还可 以看出 ， 相对强度 随钢纤维体积率 的增加而增长 ， 说明钢纤维对 高温 中强度 的改善大 于对常温强度 的改善。这一方面是因为高温中强度 对裂缝更敏感 ， 钢纤维的阻裂作用有效抑制 了裂缝 的发展 ，桥接作用 降低 了裂缝尖端 的应力集 中 ， 粘 结作用 使基体出现可见裂缝后混凝土仍具 有一定 的承载力 ；另一方面是 由于钢纤维导热 系数非 常 高 ， 在升温加载过程 中 ， 三维乱 向分布且互 相搭 接 的钢纤维使混凝土 内部温度更快地达到 了均匀一 致 有效降低了热应力损伤 。 3 4 聚丙烯纤维对高温中强度劣化的影 响 在温度 4 0 0 C、 矿渣微粉掺量 4 0 、 钢纤维体积 率 1 O 的条件下 ， 试验测得的高温中纤维矿渣微粉 混凝土相对强度与聚丙烯纤维掺量的关系见图 9 。 由图 9可 以看 出 。随着 聚丙烯纤 维掺量的增 大 ， 高温 中矿渣微粉混凝土强度上下波动 。 但总体 上变化不大， 这表 明聚丙烯纤维对高温中矿渣微粉 混凝 土强度劣化无显著影响。这是因为在高温试验 过程 中 聚丙烯纤维融化 。 形成了能与外 界连通 的 孔洞 。 一方面为蒸汽压 的释放提供 了通道 ， 降低 了 热损伤 。另一方面又使混凝土基体 的缺陷增多 ， 对 强度不利 。抗折强度对裂缝最敏感 ， 其波动幅度也 最 大 鳗 靛 聚 内烯 纤 维 掺 量 图 9 相对强度与聚丙烯纤维掺量的关系 在试验过程中， 掺入聚丙烯纤维 的试件均未发 生爆裂 而未掺聚丙烯纤维 的素混凝土试件和钢纤 维 混凝土试件则有不 同程度 的爆裂发生 ， 这说 明加 入 聚丙烯纤维有效改善了矿渣微粉混凝 土的抗爆 裂 能力。 4 高温 中混凝土残余强度的计算方法 试验结果表明， 高温作用降低 了纤维矿渣微粉 混凝土强度 ，其中抗压强度在 4 0 0 C 前后降幅变化 较大 ，故可将 4 0 0 1 2 作为抗压强度历经温度劣化 的 分界点 ， 劈拉强度和抗折强度随温度升高近似呈斜 直线下降 ； 钢纤维可有效提高高温 中纤维矿渣微粉 混凝土的残余强度 ； 矿渣微粉掺量和聚丙烯纤维对 高温 中混凝土残余强度的影 响较小 。为简化计算 ， 在高温中混凝土残余强度计算模型 中只考虑温度 、 钢纤维掺量 的影响。 高温中纤 维矿渣微粉混凝土抗压强度计算公 式为 ： 4 f s c = 1 - 3 6 x l O ( T - 2 0 ) f ( 1 + o t A ， ) 2 0 o CT 4 0 0 ( 1 a ) 一 39 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 2期 = 【 1 2 - 8 8 x 1 0 ( 2 0 ) 】 ( 1 + a A ， ) 4 0 O T8 0 0 C ( 1 b ) 式中 ， 一 温度为 T时纤维矿渣微粉混凝土抗压 强 度 ， MP a ； 一 钢纤维对纤维矿渣微粉混凝 土抗压强 度的影响系数 ，根据试验结果 的统计分析取 。 = 0 5： A r 一 钢纤维含量特征参数， A r r ( f ， ) ； 一 钢纤维体积率 ； l i d一 钢纤维长径比： 一 常温下矿渣微粉混凝土抗压强度 ， M P a 。 高温 中纤维矿渣微粉混凝 土劈拉强度 计算公 式 为 ： = 1 - 1 0 x l 0 ( T - 2 0 ) ( 1 + a A ， ) 2 0 o CT 8 0 0 o C ( 2 ) 式 中， 1一 温度为 T时纤维矿渣微粉混凝土劈拉 强度 MP a ： 一 钢纤维对纤维矿渣微粉混凝土劈拉强度 的影响系数 由于钢纤维对高温中劈拉强度改善显 著高于常温 ， 钢纤维影响系数随温度的变化有所改 变。依据对本文试验结果 ， 常温取 0 【 = 1 2 ， 4 0 0 C 取 0 【 = 2 0 ， 8 0 0 C 取 = O ， 其余按线性内插法取值 ； 一 常温下矿渣微粉混凝土劈拉强度 ( MP a ) ， 计算公式取为： = 0 - 3 ( 3 ) ( 3 ) 高温中纤维矿渣微粉混凝 土抗折强度计算 公 式 ： = t - 1 2 x 1 0 ( - 2 0 ) 】 ( 1 + 仪 A ， ) 2 0 T8 0 0 o C ( 4) 式中， 厂 一 温度为 T时纤维矿渣微粉混凝 土抗折 强度 MP a ： 一 钢纤维对纤维矿渣微粉混凝土抗折 强 度 的 影 响 系 数 ， 常 温 取 = 1 2 ， 4 0 0 C取 = 2 1 ， 8 0 0 取 = 0 ， 其余按线性内插法取值 ； 一 常温下矿渣微粉混凝土抗折强度 ， MP a ， 计算公式取为： 厶 ： O 5 ( 5 ) 将本文 高温中矿渣微粉 混凝 土抗压强度试验 值与式 ( 1 ) 的计算值进行 比较 ， 二者 比值 的均值为 1 0 2 ， 均方差为 0 0 0 4 ， 变异系数为 0 0 0 4 。劈拉强度 4 0 试验值 与式 ( 2 ) 计算值 比值 的均值为 1 0 5 ， 均方差 为 0 0 2 ， 变异系数为 0 0 2 。抗折强度试验值与式 ( 4 ) 计算值 比值 的均值为 1 0 4 ， 均方差为 0 0 2 ， 变异 系 数为 0 0 2 。式( 1 ) 、 式 ( 2 ) 和式( 4 ) 均与试验结果符合 较好 。 5结论 ( 1 ) 纤维矿渣微 粉混凝土强度随温度升高不断 降低 。 4 0 0 可作为抗压强度随温度劣化的分界点 ， 劈拉强度和抗折强度随温度升高呈斜直线下降 ， 降 幅大于抗压强度。考虑温度 、 钢纤 维掺量影响的高 温中纤维矿渣微粉混凝 土抗压强度 、 劈拉强度 和抗 折强度分别按式 ( 1 ) 、 式( 2 ) 和式( 4 ) 计算。 ( 2 ) 随着矿渣微粉掺量的改变 ， 高温 中混凝 土 强度上下波动 ， 但总体变化不大。 ( 3 ) 钢纤维 的加入可有效提高高温中纤维矿渣 微粉混凝土强度 ，尤其是提高抗折强度 和劈 拉强 度 钢纤维的掺人 不能阻止爆裂 的发生 。 但 可以提 高发生爆裂的温度。 ( 4 ) 聚丙烯纤维对高温中纤维矿渣微粉混凝土 强度无显著影响， 但可 以有效防止高温爆裂。 参考文献 ： f 1 过镇海 ， 时旭 东 钢筋混凝 土 的高温性能及 其计算【 M 】 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 3 【 2 】 吴 中伟 高性能混凝 土绿 色混凝 土 J 混凝 土与水 泥 制品， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 3 - 5 f 3 1 孙伟，罗欣， S a m m y Y i n N i n C h a n 高性 能混凝 土的高温性 能研究 J 建筑材料学报， 2 0 0 0 ( 3 ) 肖建庄， 王 平 ， 谢 猛， 等 矿渣 高性能混凝 土高温后受 压本 构关系试验研究 J 同济大学学报， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 2 ) f 5 赵 军 ， 高丹 盈 高 温后聚丙烯纤 维高强混凝 土力 学性 能试 验 J 四川 建筑科学研究 ， 2 0 0 8 3 4 ( 1 ) ： 1 3 3 1 3 5 【 6 柳献， 袁勇， 叶光 聚丙烯 纤维高 温阻裂机 理 J 】 同济大学 学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 7 ) 7 】 张彦春， 胡晓波， 白成彬 钢纤 维混凝土高温后 力学性能 研究【 J 】 混凝土， 2 0 0 1 ( 9 ) ： 5 0 5 3 【 8 】 赵军， 高丹盈， 王邦高温后钢纤维高强混凝 土力学性 能 试验研究【 J 】 混凝土， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 4 6 9 】中华 人 民共 和国建 设部 ，国家 质量 监督 检验检 疫 总局 G B ff 5 0 0 8 1 2 0 0 2普通混凝土力学性能试验方法标准 f S 】 北 京： 中国标准出版社 2 0 0 2 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 0 2 4 作者简介 ： 赵亮平 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 博士研究生 。 通讯地址 ： 郑州市 文化 路 9 7号 ， 郑州大学工学院新型建 材与结构研究 中心 联系电话 ： 1 3 6 7 3 3 5 7 5 0 1 E -rea l I ： z h a o l p 1 9 8 6 21 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m