纤维高性能混凝土的高温力学性能试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 1 N0 2 F e b r ua r y 纤维高性能混凝土的高温力学性能试验研究 于朝阳 ( 盐 城市亭 湖 区建设 局 ， 2 2 4 0 0 0 ) 摘要 ： 进行 了高温前后 纤维高性能混凝土抗压强度与抗 弯性能试验 。试验结果表 明， 纤维可降低 高温对混凝 土抗压强度 的影响 ， 钢 纤维能显著提 高混凝土的弯曲韧性。与单掺钢纤维的混凝 土相 比， 玻璃 纤维对 高温后混凝 土 力学性能的改善程度比较有限， 混杂纤维混凝 土具有等效或更出色的高温前后力学性 能。 关 键 词 ：纤 维混 凝 土 ： 高温 ： 抗 压 强 度 ： 弯 曲韧 性 Abs t r ac t ： I 1 h e c o mpr e s s i v e s t r e ng t h a n d fle x ur a l pr op e r t i e s o f fib e r r e i n f o r c e d hi g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e b e f o r e a nd a f t e r hi g h t e mpe r a t u r e s a r e t es t e d n1 e r e s u l t s s ho w t h a t fib e r c a n d e c r e as e t he e ffe c t s o f t e mpe r a t u r e O l l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ，a n d s t e e l fi b e r c a n o b v i o u s l y i mp r o v e t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f c o n c r e t e C o mp a r e d wi t h t h e c o n c r e t e j u s t a d d i n g s t e e l fi b e r ， t h e i m p r o v i n g d e g r e e o f m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f c o n c r e t e a f t e r h i g h t e m p e r a t u r e i s l i m i t e d b y g l a s s fi b e r Hy b r i d fi b e r r e i n f o r c e d e o n e r e t e h a s t h e s a me o r e v e n b e t t e r me c h a n i c a l p r o p e r t i e s b e f o r e a n d a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e s Ke y wo r d s ： F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( F RC) ； Hi g h t e mp e r a t u r e ； Co mp r e s s i v e s t r e n gth ； F l e x u r a l t o u g h n e s s 中图 分 类 号 ： TU5 2 8 5 7 2 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 01 1 ) 0 2 4 0 0 4 O前言 在 混凝 土 结构 遭受 较 恶劣 环 境时 ， 高 性 能混 凝 土具 有 独 特 的优 势 ， 因此 高 性 能 混凝 土 正 逐 渐 替 代 普通 混凝 土应用 于混凝 土结构 之 中。高性 能混凝 土 的这 种 优 势 主要 源 于 比普 通 混凝 土 更 密 实 的微 观结构。然而 高性能混凝土密实 的微观结构也带 来 了在应用上的一些重要缺陷 ，如当遭遇火灾时， 高性 能混凝 土极易 发 生爆 裂 。此外 ， 高性 能 混凝 土 的脆性也 随着 强度 的增长 而增大 。 纤 维 ， 特别 是钢 纤 维可 以显 著 提 高混 凝 土 的韧 性 和抗 冲击 性 能 。近年 来 ， 学者 们 已进 行 了 大量关 于普 通 混凝 土 和纤 维 混 凝 土 物理 力 学 性 能 以及 防 火 性 能 的研 究 ， 并 且 取 得 了一 些进 展 【 但 这 些 研 究 主要局限于普通混凝土和玻璃纤维混凝土在高 温 下 的强度 、 微 观 结构 和 爆 裂 等 方 面_4 ， 针 对 钢 纤 维高性能混凝土高温后 弯曲韧性和断裂能的研究 较少。本文主要分析高温前后纤维高性能混凝土的 力学 性能 ， 并 研 究 了纤 维 对高 性 能混 凝 土 高温 前后 抗压强 度 、 弯 曲韧 性和 断裂能 的影 响 。 1 试验概 况 1 1 材料 与配合 比 ( 1 ) 原材料 ： P 5 2 5 R硅酸盐水泥 ； 粉煤灰 ； 细 度模数为 2 4 6的中粗砂 ；连续级配碎石( 粒径 5 1 2 m m) ； 羧 酸类 高效减水 剂 和 自来 水 。 ( 2 ) 配 合 比 ： 混 凝 土 基 本 配 合 比 为 水 泥 ： 粉 煤 灰 ： 砂 ： 石 = 1 ： 0 2 ： 1 5 3 ： 1 5 3 ， 水 泥 用量 5 0 0 k g m ， 水 胶比 0 3 7 ， 胶凝材料包括水泥和粉煤灰。 ( 3 ) 试验用钢纤维和高耐碱玻璃纤维的性能参 数见表 1 纤 维含 量见 表 2 。通过 调整 高效减 水剂 的 掺量 来 保 持 掺 纤 维 高性 能混 凝 土 的 坍 落 流 动度 在 表 1 试 验 用 纤 维 性 能 4 0 于朝 阳 纤维高性能混凝土的高温力学性能试验研究 6 0 0 mm左 右 。 1 2试 验方 法 成 型 试 件 ： 每 组 成 型 2 4个 试 件 ， 其 中 1 2个 为 立方体试件 ， 尺寸 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 1 0 0 mm； 另外 1 2 个 为梁 试件 ， 尺 寸 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx 4 O O mm。试 件 成 型 2 4 h后拆 模 接 着放 入 水箱 中养护 2 8 d ， 水箱 温 度 1 5 2 5 C 。养护结束后 ， 根据 国际材料与结构联合会 标准 R I L E M8 删， 用湿锯在其 中的三个梁试件跨 中位 置 进 行 开 口 ， 开 口 宽 度 与 深 度 分 别 为 3 mm 和 1 5 m m。然 后将 试件 运 至试验 室 ， 在室 温 中放置 2个 月 后再 进行 常温 下 的抗压 与弯 曲试 验 。每组 剩下 的 9个立方体试件与 9个梁试件在 电炉中进行加温 ， 其 中 ， 6个 试 件 加 温 至 3 0 0 ， 6个 试 件 加 温 至 6 0 0 C， 剩下的加温至 9 0 0 C 。电炉的升温速率为 6 m i n ， 当达 到 预定 最 高温 度后 ， 恒 温 3 h再 取 出试 件 ， 使其 自然降至室温后进行抗压和弯 曲试验。 弯 曲试 验 在 液压 侍 服材 料 试 验 机 上进 行 ， 利用 两个线性差分式位移传感器对梁跨 中挠度进行测 定。试验采用梁跨中位移控制 ， 控制速率为 0 2 mm m i n 试验进行至试件梁完全断开为止 。利用荷载一 挠度曲线计算并 评价纤 维高性能混凝 土的弯 曲韧 性 和断裂 能 。 2 试 验结 果与 分析 2 1 抗 压强度 纤 维 高性 能混 凝 土 抗 压 强 度试 验 结 果 见 表 2 。 从 表 2可 以看 出 ， 玻 璃 纤 维对 混 凝 土 抗压 强 度 有 负 面影 响 ， 其掺 量越 高 ， 混凝 土 的抗压 强度 越低 。钢纤 维 对混凝 土抗 压 强度 的影 响不 大 。混 杂掺 人钢 纤 维 和玻璃 纤 维 时 ， 混凝 土 的抗 压 强 度 比单 掺 钢 纤 维 时 稍低 ， 但比单掺玻璃纤维时要高 。 玻 璃 纤 维 导 致 混 凝 土 抗 压 强 度 降 低 的 主要 原 因在于混凝土中存在较多的气孔 。一般来讲 ， 在混 凝土搅拌和浇注过程 中， 细小的玻璃纤维常会将空 气带人混凝土中， 这极易降低混凝土的强度。 一 般情况下 ， 遭遇高温后 ， 混凝土 的抗压强度 会有不 同程度的降低 。图 1 为各类混凝土受不同高 温后的剩余抗压强度。从图 1可以看出 ， 当温度升 至 3 0 0 后 ，混凝 土 平 均抗 压 强 度 为 常 温 下 的 8 6 8 。随着温度的进一步升高 混凝土的抗压强度 开始急剧下降。经受 6 0 0 和 9 0 0 o C 高温后 。 平均抗 压 强度 分别 只有 常温 下 的 4 0 3 和 1 0 2 。 不掺纤维 的素混凝 土受 高温后抗压强度下 降 更 快 ， 经 受 3 0 0 C、 6 0 0 o C、 9 0 0 o C 高 温 后 ， 抗 压 强 度 分 别只剩常温下的 8 0 4 、 3 1 6 和 6 1 。 产生这种情 况 的 原 因 主 要 在 于 高性 能 混 凝 土 密 实 的 微 观 结 构 皇 嘎 出 藻 HP C GF1 GF 3 S F4 0 S F 5 5 S F7 0 HF 4 0 3 HF 5 5 2 HF 7 0l 注 ： 每组柱状图从 左至右分别为 2 0 o C、 3 0 0 、 6 0 0 o C、 9 0 0 图 1 经过不 同温度后各类 昆 凝土 的剩余抗压强度 导致 了其 在升 温过 程 中 出现较 高 的 内部 压力 。 玻璃纤维和钢纤维对 降低高温后混凝土强度 的 劣化 有 显著 作 用 ， 它 们在 混 凝 土 中具 有 连 接并 阻 止裂缝的作用 ， 可以减轻温度急剧变化 以及温度应 力所 引 起 的混 凝 土体 积 膨 胀 限制 混 凝 土 中 裂缝 的 产 生 和发展 。 如 图 1 所 示 。 经过 9 0 0 o C 高 温 ， G F 1 和 G F 3的抗 压强 度 分 别 为其 常 温下 的 9 9 和 l 1 5 。 S F 4 0 、 S F 5 5及 S F 7 0的 抗 压 强度 分 别 为其 常 温 下 的 8 4 、 9 2 和 9 5 。从这些数值可见 ， 纤维掺量较 高的混凝土具有相对较高的剩余抗压强度 。 由于 钢纤 维 和 玻璃 纤 维 的综 合 效 用 ， 混 杂 纤 维 高 性 能 混 凝 土 具 有 较 高 的 高 温 后 剩 余 抗 压 强 度 。 H F 4 0 3 、 H F 5 5 2及 HF 7 0 1的抗 压 强 度 分 别 为 其 常 温 下 的 1 1 6 、 1 3 0 和 1 2 9 。 2 2抗 弯 性能 国 际上 通 常 利 用 能量 吸 收 能 力 和 等 效 抗 弯 强 度来 描 述 混凝 土 的 弯 曲韧 性 ， 弯 曲韧 性 表 明 的是 混 凝土梁开裂后达到某指定挠度时的剩余承载能力。 能 量 吸 收能 力 可用 荷 载 一 挠度 曲线 与横 坐 标所 围成 的面积 来表 示 。图 2为高 温后 不 同梁试 件 三点 弯 曲 试验所得的荷载一 挠度 曲线。表 3为按 R I L E M计算 的高温前后纤维 高性 能混凝土梁的力学性能指标 值 ， 表中数值为三个试件 的平均值 。 从 图 2和表 3可 以看 出 ， 在 常 温 时 纤维 ( 特 别 是钢纤维 ) 对提高混凝土的抗弯承载力 、 弯曲韧性 和断裂能具有显著 的效用 。与普通 H P C相 比， 当玻 璃纤维掺量为 l k g m 和 3 k g m s 时 。 混凝土的能量吸 收值分别提高 0 9倍 和 1 7倍 。钢纤维混凝土梁 的 抗弯承载力 、 弯曲韧性以及断裂能都高于玻璃纤维 混凝 土梁 ， 当钢纤 维 掺量 分别 为 4 0 k g m； 、 5 5 k g m 和 7 0 k m 。 时 ，混凝土的能量吸收值分别 比普 通 H P C 提高 3 0 、 6 0 、 7 7倍 。 由图 2和表 3还可以看 出， 高温后混凝土 的抗 弯承载力 、 弯 曲韧性 以及断裂能都 明显下降 且温 度越高 ， 下降幅度也越大 。通过 比较表 3的数据可 一 41一 加 印 m 0 2 0 1 1 年 第 2期 混凝 土与水 泥制 品 第 1 7 8期 Z 握 1 2 9 z 6 糖 3 0 l 5 l 2 z 9 霆 3 0 ( a ) HP C 0 0 5 I O 1 _5 2 O 2 5 3 O 3 5 挠度 mm ( d )S F 4 0 1 2 9 堇 6 蓬 s O 一 3 2 5 2 O 乏l 5 饕1 0 0 2 5 2 O Z l 5 1 0 0 0 O- 3 O 6 0 9 1 2 1 5 1 - 8 挠度 h a m ( b) G F 1 O 0 5 1 O I 5 2 O 25 3 0 3 5 挠度 ra m ( e ) S F 5 5 3 O 2 5 z 2 O 纛1 5 鞭l 0 5 O 3 O 2 4 Z 1 8 霪1 2 6 0 0 0 5 1 O I 5 2 O 2 5 3 O 3 5 挠度 mm ( f ) S F 7 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 0 05 1 0 1 5 2 0 2 5 30 3 5 0 05 1 0 1 5 2O 2 5 3 O 3 5 挠度 mm 挠度 m m 挠度 mm ( g ) HF 4 0 3 ( h )H F 5 5 2 ( i )HF 7 0 1 图 2 各类混凝土粱经受高温前后 的弯 曲荷载一 挠度 曲线 以发 现 ， 经过 3 0 0 o C、 6 0 0 o C、 9 0 0 C 高 温后 ， 混 凝 土 的 能 量 吸 收 值 平 均 只 剩 常 温 下 的 7 9 2 、 4 4 8 和 2 6 7 。对比 H P C和 F R H P C可以发现 ， 钢纤维增强 的 H P C具有更高的高温后剩余抗弯承载力 、 弯曲韧 性 以及 断裂能 。 相 对而 言 玻璃 纤 维对 高 温后 混凝 土 力 学性 能 的改善 效果 较 小 。与高 温后 抗 压强 度 的结 果类 似 ， 表 3的结果还表明， 高温后混杂纤维混凝土有与钢 纤维混凝土相当甚至更高的剩余抗弯承载力 、 弯曲 韧性 以及 断裂能 。 3结论 ( 1 ) 常温 下 ， 玻 璃 纤 维 易 导 致 高 性 能 混 凝 土 抗 压强度的降低 ， 钢纤维可小幅提高混凝土的抗压强 度 。此外， 纤维 ， 特别是钢纤维可显著提高混凝土粱 的抗弯承载力 、 弯曲韧性和断裂能。 ( 2 ) 各类混凝土经受 高温后 ， 抗压强度均有不 同程度 的降低 ， 掺钢纤维和玻璃纤维可有效降低高 温对 混凝 土强度 的劣化 。 ( 3 ) 随温度的升高 混凝土的抗弯承载力 、 弯曲 一 42一 韧性 和 断裂能均 显著 降低 。钢 纤维 可有效 改善 高温 后混凝土的力学性能 ， 而玻璃纤维对高温后混凝土 力学性能的改善程度比较有限。混杂纤维高性能混 凝土具有与钢纤维高性能混凝土相 当或更高 的高 温前后抗弯承载力 、 弯曲韧性以及断裂能。 参考文献 ： 【 1 】 Z o l l o R F F i b e r - r e i n f o r c e d C o n c r e t e ： a n O v e r v i e w a f t e r 3 0 Ye a r s o f De v e l o p me n t Ce me nt a nd Co n c r e t e Co mp os i t e s ，1 9 9 7， 1 9 ( 2 ) ： 1 0 7 - 1 2 2 【 2 】B a l e n d r a n R V ， Z h o u F P ， N a d e e m A ， e t a 1 I n fl u e n c e of S t e e l F i b e r s o n S t r e n g t h a n d D u c t i l i t y o f No r ma l a n d L i g h t we i g h t Hi g h S t r e n gth C o n c r e t e B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ， 2 0 0 2 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 1 3 6 1 - 6 7 【 3 】 X i a o J ， K o e n i g G S t u d y o n C o n c r e t e a t H i g h T e m p e r a t u r e i n C h i n a a n O v e r v i e w F i r e S af e t y J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， ( 3 9 ) ： 8 9 - 1 0 3 f 4 】 P o o h C S ， S h u i Z H ， L a m L C o mp r e s s i v e B e h a v i o r o f F i b e r R e i n f o r c e d H i g h - p e r f o r m a n c e C o n c ret 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 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 4 ，3 4( 1 2 ) ： 2 21 5 -22 5 】L u o X A S t u d y o f H i g h P e rf o r m a n c e C o n c r e t e ：F i r e 2 9 6 3 O z 镛挺 5 挠 于朝 阳 纤维高性能混凝土的高温力学性能试验研究 注 ： 表 中符号意义参见参考 文献 9 1 0 。 Re s i s t a n c e Me c h a n i s m a n d Nu me r i c a l S i mu l a t i o n P h D T h e s i s S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 2 0 0 1【 I n C h i n e s e 【 6 】Z h a n g B S ，B i c a n i c N ，P e a r c e C J ，e t a 1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n B r i t t l e n e s s a n d Mo i s t u r e L o s s o f Co n c r e t e E x p o s e d t o Hi g h Te mpe r a t ur e s Ce me nt a nd Co n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 02，3 2 f 3 ) ： 3 6 3 - 3 7 1 【 7 H e r t z K D L i mi t s o f S p a l l i n g o f F i r e e x p o s e d C o n c r e t e F i r e S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 0 3 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 0 3 - 1 1 6 8 】R I L E M T C 1 6 2 一 T D F ： T e s t a n d D e s i g n M e t h o d s f o r S t e e l F i b e r Re i n f o r c e d C o n c r e t e B ENDI NG r E S TMa t e r i a l s a n d s t r u c t u r e ， 2 0 0 2 ， ( 3 5 ) ： 5 7 9 5 8 2 。 9 1 RI I M D r aft Re c o mme n d a t i o n TC 5 0一 F CM：De t e r mi n a t i o n o f F r a c t u r e En er g y o f Mor t a r a n d Co n c ret e by Me a n s o f Th ree Po i nt Be nd Te s t s o n No t c he d Be ams Ma t e r i a l s a n d St r uc t ur es ， 1 9 8 5 ， 1 8( 1 0 6 ) ： 2 8 5 2 9 0 。 【 1 0 】C h e n B ，“u J Y R e s i d u a l s t r e n g t h o f h r b r i d- f i b e r r e i n f o r c e d h i s h - s t r e n g t h c o n c ret e a f t e r e x p o s u r e t o h i g h t e m p e r a t u r e s 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 4 ，3 0( 6 ) ： 1 0 65 -1 069 【 l l 】丁一 宁， 董香军 ， 王岳华 混杂纤维 自密实混凝土 的强度 和抗弯韧性， 建筑 材料 学报， 2 0 0 5 ， 8 ( 3 ) ： 2 9 4 2 9 8 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 一 O 1 作者简介 ： 于朝 阳( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 工程师。 通讯地址 ： 盐城市亭湖 区建设局 联 系 电 话 ： 1 5 2 61 9 8 9 0 0 8 E- ma i l ： 7 7 1 9 9 0 1 8q q c o rn 43