高温后混杂纤维混凝土抗压强度.pdf

2 0 1 2年 第 2期 ( 总 第 2 6 8期 ) Nmn b e r 2 i n 2 0 1 2 ( T o ml No ．2 6 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 2 9 高温后混杂纤维混凝土抗压强度 李晗 ( 郑州大学 新型建材与结构研究中心，河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 通过混杂纤维混凝土试块的高温后抗压试验， 分析了温度、 纤维类别和纤维体积率、 混凝土基体强度等级对混凝土高温后抗压 强度的影响。 结果表明： 随着经历温度的升高， 混杂纤维混凝土高温后的抗压强度及高温后与常温下抗压强度比在 4 0 0 ℃之后下降幅度 较大； 适宜掺量的钢纤维( 1 ％纤维体积率 ) 和聚丙烯纤维( 0 ． 1 ％ 纤维体积率) 能较好的提高混杂纤维混凝土高温后的抗压强度。 在试验研究 的基础上， 建立了考虑温度、 钢纤维和聚丙烯纤维体积率共同影响的高温后混杂纤维混凝土抗压强度计算模型， 为纤维混凝土结构的抗 火设计及灾后处理提供了理论依据。 关键词 ： 混杂纤维 ；混凝 土；高温 ；抗压强度 中图分类号 ： Tu 5 2 8 ． 5 7 2 文献 标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 — 0 0 9 3 — 0 3 Compr e s s i ve s t r eng t h of hy br i d f i be r r e i nf o r c ed c on c r e t e a f t er e xpo s ur e t o hi g h t e mpe r a t ur e L IHla 力 ( R e s e a r c hC e n t e r o f Ne wS t y l eB u i l d i n g Ma t e ri a l a n dS t r u c t u r e ， Z h e n g z h o uUn i v e r s i ty， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h t h e e x p e r i me n t s O n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f h y b r i d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( H F RC)a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e ． t h e i n fl ue n c e o f t e mp e r a t ur e ， fi be r and c o n c r e t e ma t r i x s t r e n g t h g r a d e o n t he c o mp r e s s i v e s tre ng t h o f c o nc r e t e a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e wa s s y s t e ma t i c a l ly a n a l y z e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a l l i n g — r a n g e o f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h and c o mp res s i v e s tr e n g t h r a t i o a f t e r h i 曲 t e mp e rat u r e t o r o o mt e mp e r a t u r e o f HF RCare l e s s u n d e r 4 0 0 ~ C b u t a p p a r e n t l ya f t e r 4 0 0 *C．S t e e l fi b e r( 1 ％fi b e r v o l u me r a t i o ) a n d p o ly p r o p y l e n efi b e r ( 0 ． 1 ％ fi b e r v o l u me r a t i o )C an i mp r o v e t h e 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 ft e r h i g h t e mp era a t r e i n d i ff e r e n t d e gre e ． B a s e d o n t h e e x p e ri me n t s ， the c a l c u l a t i o n mo d e l s o f t h e c u b i c c o mp r e s s i v e s tr e n gth a n d a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f HF RC a ft e r h i g h t e mp e r a t u r e are p u t f o r w a r d r e s p e c t i v e l y ， i n wh i c h t h e c o mb ine d e ff e c t s o f t e mp e rat u r e ， s t e e l fib e r and p o l y pr o p y l e ne fi be r o n the mo d e l s are c o ns i d e r e d．Th e r e s u l t s o ffe r t h e me t h o d t o fi r e — r e s i s t a n t d e s i g n and t h e ma i n t e n an c e a fte r fi r e for t h e HF RC s t r u c t u r e ， K e ywo r d s ： h y b r i dfi b e r ； c o n c r e t e ； h i g ht e mp e r a t u r e ； c o mp r e s s i v e s t r e n gt h 0 引言 高强混凝土具有致密的微观结构， 较好的耐久性 ， 但是在 遇到火灾高温时， 密实的微观结构会导致高强混凝土产生严重 的爆裂[ 1 , 5 - -6 ] ， 对人员生命财产安全造成损害。 在混凝土中加入混 杂纤维能有效改善高强混凝土的高温性能 ， ” ] 。 本项目通过混 杂纤维混凝土的高温后抗压试验， 研究 了温度、 纤维类别和纤 维体积率、 混凝土基体强度对混杂纤维混凝土高温后抗压强度 的影响， 建立了考虑温度 、 钢纤维和聚丙烯纤维体积率共同影 响的高温后混杂纤维混凝土抗压强度计算模型， 为纤维混凝土 结构的抗火设计及灾后处理提供了理论依据。 1 试 验 概 况 试验原材料： P O4 2 ． 5 级和P O 3 2 ． 5 级水泥； 细骨料为河砂， 级配良好中砂； 粗骨料为粒径 1 0 ～ 2 5 ton i 的石灰岩碎石， 级配连 续 ； J K H． 1 型粉状高效减水剂 ( H) N) ； A Mi 0 4 ． 3 2 — 6 0 0钢锭铣削 型钢纤维， 长度 3 2 ． 6 mm， 等效直径 0 ． 9 5 m n l ， 长径 比3 4 ． 3 2 ； 聚 丙烯纤维为 D啪 fi b e r ( 杜拉纤维) ， 束状单丝， 长约 1 9 rai n ， 直径 收稿 日 期：2 0 1 1 8 — 2 8 基金项 目：河南省教育厅重点科技攻关项 目( 1 0 2 1 0 2 2 1 0 5 1 5 ) 4 8 ix m， 密度 0 ． 9 g ／ c 11 1 3 ， 熔点 1 6 0℃。 试验以温度、 纤维类别和纤 维体积率、 混凝土基体强度为参数。 其中： 温度分别为 2 5 、 2 0 0 、 4 0 0 6 0 0 、 8 0 0℃； 纤维类别为钢纤维和聚丙烯纤维两类， 钢纤维 体积率分别为 0 、 0 ． 5 ％、 1 ． O ％、 1 ． 5 ％， 聚丙烯纤维体积率分别为 0 , 0 ． 0 5 ％、 0 ． 1 ％、 0 ．3 ％；混凝土基体强度等级分别为 C 4 0 、 C 6 0 、 C 8 0 三种。 试件为 1 5 0n u n x l 5 0 mmx l 5 0 ／ r k r n立方体试块和 1 5 0 ml T I X 1 5 0 m m x 3 0 0 m i l l 棱柱体试块。 采用强制式搅拌机拌和混凝土， 试件在振动台上振动密实成型后， 室内静置 2 4 h拆模 ， 立即放 入标准养护室中养护 2 8 d ， 取出晾干， 至规定龄期进行高温试 验。 试验中采用箱式电阻炉， 升温速率 1 O℃／ mi n ， 炉内温度可 自 动控制， 加热达 目标温度后恒温 1 2 0 mi n ， 自动关机停止加热 ， 试块随炉冷却至室温。 参照 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 { 纤维混凝土试验方 法标准》 ， 在 YA 3 0 0 0型电液式压力机上进行抗压试验。 2 高温后抗压强度影响因素 2 ． 1 温度对高温后抗压强度的影响 混凝土基体强度等级为 C 6 0 ， 聚丙烯纤维体积率为 0 ． 1 ％， 钢 纤维体积率为 1 ． 0 ％的} 昆 杂纤维混凝土各温度时的抗压强度见 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 ， 高温后与常温下的抗压强度 比见图2 。 由图 1 、 2可见， 随 目标温度升高， 混杂纤维混凝土高温后立方体抗压强度和轴心 抗压强度变化趋势基本相同； 2 0 0℃时较常温时强度有所降低 ； 4 0 0℃时基本恢复甚至超过常温时的强度 ， 在 4 0 0℃之后 ， 高温 后与常温下抗压强度 比的下降幅度较大； 8 0 0℃时抗压强度比 约为 0 ． 6 ， 即 8 0 0℃高温后试件的抗压强度约为常温时的 6 0 ％。 l 0 0 8 0 螽 6 0 营 o 2o 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 温度 ， ℃ 图 1 混杂纤维混凝土抗压强度与温度关 系 丑 鼎 温 度 ， ℃ 图 2 混杂纤维混凝土抗压 强度 比与温度关系 本试验与以往研究结果【 1 t1 “ 基本一致。 当温度低于 2 0 0℃时， 混凝土中自由水蒸发， 内部形成孑 L 隙和裂缝， 混凝土抗压强度 降低； 4 0 0℃左右， 水泥胶体因结合水开始脱出而收缩 ， 加强了 水泥胶体与骨料的咬合， 且此时钢纤维与混凝土基体间的结合 力较大， 缓和了温度对强度的劣化作用 ； 4 0 0℃后 ， 混凝土中的 C ． S — H凝胶体开始脱水分解 ， 此时排出的主要是层间水和化学 结合水， C a ( O H) 也开始分解， 这使得原本结晶完整的混凝土 片层结构遭到破坏， 强度出现下降； 温度继续升高至 8 0 0℃后 ， 混凝土中的结晶水基本丧失 ， 水泥水化物消失 ， } 昆 凝土表面裂 纹明显且相互贯通。 2 ． 2 铜纤维对高温后抗压强度的影响 混凝土基体强度等级为 C 6 0 ， 聚丙烯纤维体积率为 0 1 ％， 钢纤维体积率分别为 0 、 0 ． 5 ％、 1 ． 0 ％、 1 ． 5 ％的混杂纤维混凝土在 4 0 0℃高温后与常温下的抗压强度比见图 3 。 由图3可见 随着 钢纤维体积率增大， 高温后与常温下混杂纤维混凝土抗压强度 比有增大的趋势， 钢纤维体积率 1 ． 0 ％的抗压强度比较之无钢纤 维的提高了约 9 ． 4 2 ％， 即钢纤维的掺入减少了高温后抗压强度的 损失。 这是因为钢纤维的桥接作用和阻裂作用限制了} 昆 凝土在 温度急剧变化和高温环境下产生的体积变化， 减轻了混凝土内 部微缺陷的引发和扩展， 另外， 钢纤维的导热系数较大( 约为混 凝土的4 0 倍) ， 可以减少混凝土基体由内外温差引起的应力和 体积不均与膨胀[1 3 】 。 钢纤维体积率／ ％ 图 3 混杂纤维混凝土抗压 强度 比与钢纤维体积率关 系 9 4 2 ． 3 聚丙烯纤维对高温后抗压强度 的影响 混凝土基体强度等级为 C 6 0 ， 聚丙烯纤维体积率分别为 0 、 0 ． 0 5 ％、 0 ． 1 ％、 0 I3 ％， 钢纤维体积率为 1 ， 0 ％的混杂纤维混凝土 在 4 0 0℃高温后的抗压强度见图 4 ， 高温后与常温下的抗压强度 比见图 5 。 由图可见 ， 随着聚丙烯纤维体积率的增大， 高温后抗 压强度呈现先增大后减小的趋势， 在聚丙烯纤维体积率为 0 ． 1 ％ 时达最大值， 纤维体积率为 0 ． 3 ％时抗压强度骤降。 这是由于聚丙 烯纤维高温熔融后留下的孔道会增加混凝土内的毛细孔 ， 从而 加快了高温时混凝土内部水分的发散 ， 降低了} 昆 凝土内部的蒸 汽压， 有利于削弱高温对强度的劣化； 但是聚丙烯纤维体积率 过大( 3 ％) 时， 会增加混凝土的含气量 、 减小密实度 ， 降低混凝土 常温时的工作度， 高温熔化后过多的增加了混凝土内部的孔隙 和通道， 导致高温后力学性能下降 。 l 0 O 8 0 蚕 s 。 罾 o 2 。 O O ． 0 5 0． 1 0 聚丙烯纤维体积率／ ％ 图 4 混杂纤维混凝土抗压强度与聚丙烯纤维体积率关 系 l 1 蠡 。 醴 0 要 o 0 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 0 _ 3 0 聚丙烯纤维体积率／ ％ 图 5 混杂纤维混凝土抗压强度比与聚丙烯纤维体 积率关 系 2 ． 4 混凝土基体强度对高温后抗压强度的影响 混凝土基体强度等级为 C 4 0 、 C 6 0 、 C 8 0 ， 聚丙烯纤维体积率 为 0 ． 1 ％， 钢纤维体积率为 1 ． 0 ％的混杂纤维混凝土在 4 0 0℃高温 后的抗压强度见图6 ， 高温后与常温下的抗压强度比见图 7 。 由 图可见， 4 0 0℃高温后， 随着基体强度等级的增大， 高温后抗压强 度的总体趋势是先上升后下降， C 6 0 为峰值。 4 0 0℃高温后， C 4 0 、 C 6 0 、 C 8 0 立方抗压强度分别为常温时的8 6 ％、 1 0 9 ％、 9 6 ％， 轴心抗 压强度分别为常温时的8 6 ％、 1 0 0 ％、 8 3 ％。 这是因为混凝土基体 强度等级为 C 4 0 时， 其水灰比较大， 自由水较多。 当加热至 4 0 0℃ 时， 自由水全部蒸发， 结合水也开始脱出， 形成了较多的内部孔 隙和毛细裂缝， 使其高温后与常温下抗压强度比较低； 而强度等 级为 C 8 0的混杂纤维混凝土， 其内部砂率较少， 粗骨料单位用量 增加， 高温后粗骨料与水泥胶体变形差增大， 使混凝土界面间的 缺陷增多， 也会导致高温后与常温下抗压强度比降低。 1 0 O 8 0 蠢 6 0 瞽 o 辖 2 。 0 C4 0 C6 0 C8 0 基体强度等级 图6 混杂纤维混凝土抗压强度与基体强度等级关系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l ’2 1 ． 0 s 醴 O ． 6 墨 o ． 0 ． 2 0 C4 0 C6 O C8 O 基体强度等级 图 7 混杂纤维混凝 土抗压强度 比与基体强度等级关 系 3 高温后抗压强度计算方法 考虑温度、 钢纤维和聚丙烯纤维共同影响的混杂纤维混凝 土高温 ￡ 后立方体抗压强度儡的计算模型为： 【 1+ 2 ( t 一 2 5 ) ] ( 1 + 3 A f ) ( 1 + f ) ( 1 ) 式中 ——常温下混杂纤维混凝土的立方体抗压强度 ， UP a ； O ／ 。 、 O ／ ： ——温度对立方体抗压强度的影响系数， 经过试验 结果的统计分析， 在 2 5℃ ~<2 0 0℃时 ： O t 1 = 1 ， d 2 = ～ 0 ． 0 0 1 9 ， 在 2 0 0℃< t ~<4 0 0℃时： 1 9／ 1 ； 0 ． 4 5 3 6 ， o 1 2 = 一 0 +0 0 l 3 ， 在 4 0 0℃ ≤8 0 0℃ ： 1 = 1 ． 2 0 0 1 ， f：一0． 0 00 8； ％——钢纤维对立方体抗压强度的影响系数 ， 取 O ．2 5 6 5 ； —— 聚丙鼯纤维对立方体抗田 虽 度的影响系数， 取0 ． 0 9 7 2 ； A ， ——钢纤维含量特征参数， 是钢纤维体积率与钢纤维长 径比的乘积， ≤0 ． 6 8 6 ； V f ——聚丙烯纤维体积率。 式( 1 ) 的计算值与试验值比值的均值为 0 ． 9 8 8 8 ， 均方差为 0 ． 0 3 4 4 ， 变异系数为 0 ． 0 3 4 8 ， 二者符合程度较好。 同样 ， 考虑温度、 钢纤维和聚丙烯纤维共同影响的混杂纤 维混凝土高温 t 后轴心抗压强度 的计算模型为： 【 B t 7 B ： ( ￡ 一 2 5 ) ] ( 1 r ) ( 1 r ) ( 2 ) 式中 ——常温下混杂纤维混凝土的轴心抗压强度， ~ l P a ； 、 —— 温度对轴心抗压强度的影响系数 ， 经过试验结 果 的统计分析 ， 在 2 5℃< ≤2 0 0℃时： = 1 ， =一0 ． 0 0 1 8 ， 在 2 0 0℃< t ~ <4 0 0℃时 ： = 0 ． 5 5 3 1 ， 』 9 2 = 0 ． 0 0 0 7 ， 在 4 0 0℃q≤8 0 0℃： 卢 I = 1 ． 2 3 1 1 ， |臼 一 0 ． 0 0 1 1 ； —— 钢纤维对轴心抗压强度的影响系数， 取 0 ． 1 8 4 7 ； —— 聚丙烯纤维对轴心抗压强度的影响系数， 取0 ． 1 4 5 7 ； A ——钢纤维含量特征参数， 是钢纤维体积率与钢纤维长 径 比的乘积， ≤O ． 6 8 6 ； ／3 f ——聚丙烯纤维体积率。 ． 式( 2 ) 的计算值与试验值 比 值的均值为 0 ． 9 7 9 0 ， 均方差为 0 ． 0 2 3 2 ， 变异系数为 0 ． 0 2 3 7 ， 二者符合程度较好。 4结 论 ( 1 ) 随着经历温度的升高 ， 混杂纤维混凝土高温后的抗压 强度及高温后与常温下抗压强度 比在 2 0 0℃时较常温时有所 降低， 4 0 0℃时基本恢复甚至超过常温时， 在 4 0 0℃之后下降幅 度较大 ； 适宜掺量的钢纤维 1 ％纤维体积率) 和聚丙烯纤维 ( 0 ． 1 ％ 纤维体积率) 能较好的提高混杂纤维混凝土高温后的抗压 强度； 混杂纤维混凝土抗压强度随着基体强度等级的提高呈现 先增大后减小的趋势 ， 基体强度等级由 C 4 0增至 C 6 0时， 抗压 强度大幅提高， 增至 C 8 0时抗压强度提高幅度反而不明显。 ( 2 ) 通过试验结果的统计分析， 建立了考虑温度 、 钢纤维和 聚丙烯纤维共同影响的高温后混杂纤维凝土立方体抗压强度 和轴心抗压强度的计算模型， 该模型计算值与试验值吻合程度 较好。 参考文献 ： [ 1 ]1董香军． 纤维高性能混凝土高温、 明火力学与爆裂性能研究[ D 1 ． 大 连： 大连理工大学， 2 0 0 6 ． [ 2 】 过镇海， 日 寸 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 ． 【 3 】 谢狄敏， 钱在兹．高温( 明火) 作用后混凝土强度与变形试验研究【 c ] ∥ 第五届全国结构工程学术会议论文集( 第二卷) ， 1 9 9 6 ． [ 4 ]王平， 肖建庄 ， 陈瑞生， 等． 聚丙烯纤维对高性能混凝土高温后力学 性能的影响试验研究[ J 】 ． 工业建筑， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ． 【 5 】K A L I F A P ， ME N NE T E A U F D， Q U E N AR D D．S p a l l i n g a n d p o r e p r e s - s u r e i n HP C a t h i g h t e m p e r a t u r e s [ J [ ． 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 0 ， 3 0 ( 1 2 ) ： 1 9 1 5 — 1 9 2 7 ． 【 6 ]6 HE R T A K’D ． L i mi t s o f s p al l i n g o f fi r e 2 e x p o s e d c o n c r e t e [ J [ ． 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 2 — 1 l 1 6 ． 【 7 】 傅宇方， 黄玉龙， 潘智生， 等． 高温条件下混凝土爆裂机理研究进展阴． 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 3 ) ： 3 2 3 2 — 3 2 9 ． 【 8 】 柳献， 袁勇， 叶光， 等．聚丙烯纤维高温阻裂机理【 J ] ． 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n g c h a r a c t e r i s t i c s ， s pa i l i ng ， a n d r e s i d ual p r o p e r t i e s o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e [ J [ ． Ma t e r i al s a n d S t ruc t u r e s ， 2 0 0 1 ( 3 4 ) ： 8 3 - 91 ． [ 1 3 1 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 ) ． 【 1 4 ] 刘利先， 吕龙， 刘铮 ， 等． 高温下及高温后混凝土的力学性能研究【 J 1 ． 建筑科学， 2 0 0 5 ( 3 ) ． [ 1 5 ] 王孔藩， 许清风 ， 刘挺林． 高温下及高温冷却后混凝土力学性能的试 验研究l J 1 ． 施工技术， 2 0 0 5 ( 8 ) ． 作者 简介 联系地址 李晗( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 新型建筑复合材 料及其结构性能。 河南省郑州币文化路 9 7 号 郑州大学工学院郑州大学新 型建材与结构研究中心( 4 5 0 0 0 2 ) 联系电话 ： 0 3 7 1 — 6 3 8 8 5 2 1 8 95 亟 I 巫 I 匦I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m