高溫后C80高強混凝土的質量損失和抗壓性能研究

史英豪，杜紅秀，閻蕊珍

(太原理工大學建筑與土木工程學院,太原　030024)

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高溫后C80高強混凝土的質量損失和抗壓性能研究

史英豪，杜紅秀，閻蕊珍

(太原理工大學建筑與土木工程學院,太原030024)

對摻聚丙烯纖維的C80高強混凝土立方體試件模擬高溫試驗后，進行混凝土質量損失和抗壓性能測試，研究分析了不同作用溫度對聚丙烯纖維高強混凝土的質量損失和抗壓強度的影響。結果表明，隨著溫度的升高，摻聚丙烯纖維高強混凝土的質量損失逐漸增加而抗壓強度整體呈下降趨勢，600℃高溫后混凝土立方體抗壓強度急劇下降，強度值僅為常溫的25.05%；高溫后聚丙烯纖維高強混凝土的相對質量損失和相對殘余抗壓強度的整體變化趨勢基本相似。

聚丙烯纖維； 高強混凝土； 質量損失； 抗壓性能

1　引　言

高強混凝土因其具有良好的力學性能被廣泛地應用于土木工程各領域中，但高強混凝土因其內部致密，遭受火災高溫時易發生爆裂[1]。在高強混凝土中摻聚丙烯纖維可以有效的改善混凝土的高溫爆裂性，改善混凝土的脆性，增加混凝土的韌性[2]。

目前，對摻聚丙烯纖維高強混凝土的研究主要集中在纖維摻量和直徑的比較上[3-6]，但對高溫后摻聚丙烯纖維高強混凝土的的抗壓強度以及相對殘余抗壓強度和相對質量損失關系的研究尚無明確定論。本試驗在C80高強混凝土中摻入比重0.91 g/cm3，長度8 mm，直徑25 μm的聚丙烯纖維，探究其對不同作用高溫后C80高強混凝土的質量損失、抗壓強度及相對殘余抗壓強度和相對質量損失關系的影響，分析摻聚丙烯纖維高強混凝士高溫后抗壓強度和所受溫度之間的關系，并建立了關系曲線及相應的回歸方程，對探索高強混凝土高溫后損傷程度的評估[2]，具有重要的理論依據和工程實用價值。

2　試　驗

2.1原材料

本試驗采用水泥：P·O 52.5級普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強度為54.5 MPa；粗骨料：石灰石碎石，5～20 mm連續級配，其中5～10 mm占30%，10～20 mm占70%，壓碎指標為9.92%；細骨料：優質豆羅砂，Ⅱ區中砂，細度模數為2.95；硅灰：埃肯微硅粉，28 d活性指數為119.9%；礦渣：S95級磨細礦渣粉；粉煤灰：活性指數71.12%的Ⅰ級粉煤灰；高效外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為28%；聚丙烯纖維：束狀單絲，比重0.91 g/cm3，長度8 mm，直徑25 μm；拌合水：普通自來水。

2.2混凝土配合比

混凝土設計強度等級為C80，設計坍落度為180～220 mm，入模坍落度為200 mm，擴展度為440 mm、560 mm，具體配合比見表1。

表1　C80聚丙烯纖維高強混凝土配合比

2.3試件制作

本試驗采用標準立方體150 mm試件，且在高強混凝土立方體每個目標溫度對應的試塊中放置一根熱電偶，熱電偶置于試塊中心，如圖1。且嚴格按照《普通混凝土力學性能試驗方法》GB/T50081-2002之規定進行試件制作，試件成型24 h后拆模，并放入標準養護室養護池中養護，達28 d齡期后，取出試塊進行試驗。

圖1　熱電偶放置位置 Fig.1　Thermocouple placement

2.4試驗設備及方法

本試驗采用SRJX型箱式電阻爐，其額定電壓為220 V，輸出功率為15 kW，最高工作溫度為1200 ℃，爐膛尺寸長×寬×高為：600 mm ×400 mm×400 mm。目標溫度為20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃，并配備有溫度自動控制器，可自行控制爐膛內的溫度，達到預定目標溫度后自動保持恒溫狀態。

具體加溫方法如下：將試件在常溫下放入電阻爐爐膛內，并設定目標溫度，關閉爐門，然后以全功率輸出方式開始升溫；當溫度升至預定溫度時，電阻爐自動控制系統可以保持爐膛溫度，使試件內外溫度趨于均勻[2]，通過熱電偶測定混凝土立方體試件內外溫度，當電阻爐顯示器顯示的爐內溫度與熱電偶外接傳感器顯示溫度一致時，即認為所研究的試件燒透。取出試件，將其靜置于干燥通風的環境中自然冷卻，24 h后進行加載試驗。

抗壓性能試驗采用STYE-3000C型電腦全自動混凝土壓力試驗機，額定電壓為380 V，額定功率為750 W，試驗力范圍為0～3000 kN。

3　結果與討論

3.1高溫后混凝土的質量損失

通過觀察熱電偶外接溫度傳感器顯示溫度和爐膛內顯示溫度，及時測得C80 PPHSC試件內部溫度與爐膛內溫度一致的時間，即為燒透時間。將達到所設目標溫度的PPHSC試件在爐膛內稍微冷卻，立即取出，用電子稱進行稱重。與高溫前的混凝土立方體試件質量進行對比，得出不同目標溫度作用下立方體試件的質量損失。而不同目標溫度作用下混凝土內部的理論水分質量定義為高溫前混凝土立方體試件的質量與高溫前1 m3相同混凝土中水分所占百分數之積。C80 PPHSC高溫前后的質量及質量損失見表2。

表2　C80 PPHSC高溫前后質量及質量損失

由表2可知，高溫前混凝土內部理論水分質量基本保持不變，100 ℃高溫后，混凝土立方體試件的質量緩慢減少，質量減少了0.05 kg，由于高溫后混凝土內部自由水的蒸發；200 ℃高溫后，混凝土質量大幅度損失，與理論水分質量相比，增加了0.032 kg；而300 ℃高溫后，混凝土損失質量與相應的理論水分質量非常接近；400 ℃高溫后，混凝土內部損失的質量明顯大于其內部理論水分質量，增加了0.153 kg，表明此時混凝土內部不僅自由水以水蒸氣形式溢出，同時伴隨有Ga(OH)2受熱分解其結合水的蒸發；500 ℃高溫后，與400 ℃相比，混凝土內部理論水分質量相同，損失的質量也變化不大，僅增加0.06 kg；600 ℃高溫后，混凝土的質量損失達到0.60 kg，約為相應的混凝土內部理論水分質量的2.26倍，此時混凝土內部物質分解程度加深，GaCO3受熱分解，氣體逸出導致混凝土質量損失加快。

3.2高溫后混凝土的抗壓強度

圖2　高溫后C80 PPHSC的立方體抗壓強度隨溫度變化曲線Fig.2　Cube compressive strength of C80 PPHSC exposed to high temperatures

圖2為高溫后C80 PPHSC立方體抗壓強度隨溫度的變化曲線。由圖2可知，與常溫相比，隨著溫度的升高，PPHSC的立方體試件抗壓強度整體呈現不同程度的下降趨勢。100 ℃高溫后混凝土立方體抗壓強度較常溫下降了22.2%，強度值減少較明顯；200 ℃高溫后，混凝土立方體抗壓強度有所回升，上升幅度為21%；300 ℃高溫后，強度下降且無回彈趨勢；400 ℃高溫后，強度降低至常溫時的60%；與400 ℃相比，500 ℃高溫后混凝土立方體抗壓強度下降不明顯，僅達到8.15%；600 ℃高溫后，立方體抗壓強度急劇下降，其強度值僅為常溫時25.05%，強度基本喪失。將溫度和立方體抗壓強度進行擬合，擬合回歸方程為：

y=1.5774x2+2.9226x+83.5

相關系數R2=0.9031

式中：x-溫度(℃)，20 ℃≤x≤600 ℃；y-高溫后PPHSC立方體抗壓強度(MPa)。根據上式可由溫度初步推斷出PPHSC高溫后的抗壓強度，為高強混凝土火災后損傷評估提供一定的科學依據。

3.3高溫后混凝土的相對質量損失與相對殘余抗壓強度關系

本試驗中，高強混凝土高溫后的相對殘余抗壓強度定義為高溫后混凝土立方體抗壓強度與其常溫下立方體抗壓強度之比；高溫后高強混凝土相對質量損失定義為高溫后混凝土立方體質量損失量與其常溫下混凝土立方體內部理論水分質量之比。

表3　C80 PPHSC高溫后相對殘余抗壓強度與相對質量損失

圖3　高溫后PPHSC的相對質量損失與相對殘余抗壓強度關系曲線Fig.3　Relative residual compressive strength and relative mass loss of PPHSC after high temperatures

圖3表示高溫后C80 PPHSC相對殘余抗壓強度與相對質量損失的關系曲線。由圖3知，隨著溫度的升高，兩者的整體變化趨勢符合變化規律。隨著溫度升高，混凝土相對質量損失增加，而相對殘余抗壓強度減小，在100 ℃和200 ℃高溫之間，兩者差異較大。從常溫加熱至100 ℃，高強混凝土的相對殘余抗壓強度降低了25.5%，而其相對質量損失卻增加了0.19%；當溫度升高至200 ℃后，其相對質量損失急劇下降，混凝土質量顯著降低，降幅約為100 ℃時質量損失的7倍。相反，高強混凝土的相對殘余抗壓強度上漲了15.6%；300 ℃高溫后兩者的數值差距減小；當溫度從300 ℃升高至400 ℃時，其之間的相對質量損失增加最多，約為0.56%。同時，其相對殘余抗壓強度降低了19.3%；當溫度達500 ℃時，兩個量值的變化幅度相對減小，相對質量損失提高了0.22%，相對殘余抗壓強度僅降低了4.9%；600 ℃高溫后，相對質量損失較500 ℃增加幅度減小，為0.1%，說明600 ℃高溫后，高強混凝土內部分解反應變化速率較小。然而其相對殘余抗壓強度變化幅度卻大量增加，約為30.4%。從而可知，600 ℃高溫后混凝土抗壓強度顯著降低而質量損失增加幅度較大。

4　結　論

(1)高溫后摻聚丙烯纖維的C80高強混凝土質量損失逐漸增加，400 ℃高溫后，混凝土內部損失的質量明顯大于其內部理論水分質量，此時混凝土內部不僅自由水以水蒸氣形式溢出，同時伴隨有Ga(OH)2受熱分解其結合水的蒸發；600 ℃高溫后，混凝土的質量損失達到0.60 kg，混凝土內部物質分解程度加深，GaCO3受熱分解，氣體逸出導致混凝土質量損失加快；

(2)高溫后摻聚丙烯纖維的C80高強混凝土立方體抗壓強度隨著溫度的升高而呈現不同程度的下降趨勢，600 ℃高溫后，混凝土抗壓強度急劇下降，其強度值僅為常溫時的25.05%，抗壓強度基本喪失；

(3)高溫后摻聚丙烯纖維的C80高強混凝土抗壓強度與溫度關系的建立，為高強混凝土火災損傷評估提供一定的科學理論依據；

(4)隨著溫度的升高，摻聚丙烯纖維的高強混凝土相對質量損失和相對殘余抗壓強度的整體變化趨勢基本相似。溫度升高，伴隨著相對質量損失的增加，相對殘余抗壓強度減小，在100 ℃和200 ℃高溫之間，兩者差異較大，600 ℃高溫后高強混凝土抗壓強度顯著降低而其質量損失增加幅度相對較大。

[1] 杜紅秀,張雄.HSC/HPC的火災(高溫)性能研究進展[J].建筑材料學報,2003,6(4):391-396.

[2] 杜紅秀,張寧,王慧芳,等.聚丙烯纖維對高強混凝土高溫后殘余抗壓強度的影響[J].太原理工大學學報,2012,43(2):207-211.

[3] 柴松華,杜紅秀,閻蕊珍.高強混凝土高溫后軸心抗壓強度試驗研究[J].硅酸鹽通報,2013,32(11):2341-2345.

[4] 肖建莊,王平.摻聚丙烯纖維高性能混凝土高溫后的抗壓性能[J].建筑材料學報,2004,7(3):281-285.

[5] 羅百福,鄭文忠,李海艷.高溫下摻PPF的RPC立方體抗壓性能[J].哈爾濱工業大學學報,2012,44(12):1-7.

[6] 鞠麗艷,張雄.聚丙烯纖維對高溫下混凝土性能的影響[J].同濟大學學報,2003,31(9):1064-1067.

Mass Loss and Compressive Properties of C80 High Strength Concrete at Elevated Temperature

SHIYing-hao,DUHong-xiu,YANRui-zhen

(College of Architecture and Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

In this study, the mass loss and compressive properties of high strength concrete (HSC) cube specimens mixed with polypropylene (PP) fiber after high temperature was investigated. After these specimens were heated in an electric stove, the effect of high temperature on mass loss and compressive strength of HSC was analysiced. The results show that the compressive strength of HSC after high temperature indicated varying degrees of decline, on the contrary, the mass loss of HSC increased gradually. After 600 ℃, the compressive strength of HSC fell sharply and was only 25.05% of that at normal temperature. Meanwhile, with the increase of temperature, the relative mass loss and relative residual compressive strength of HSC with polypropylene fiber are similar to that of the overall trend.

polypropylene fiber;HSC;mass loss;compressive property

國家自然科學基金(51278325)；國家自然科學基金(51478290)

史英豪(1988-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土材料及結構耐久性方面的研究.

杜紅秀，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0980-04