高溫條件下鋼纖維混凝土力學(xué)性能分析

蔣濱

（西南科技大學(xué) 四川綿陽 621000）

引言

混凝土是一種廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料，隨著其應(yīng)用與發(fā)展它的性能已經(jīng)有了一定的提高，但面對(duì)極端荷載時(shí)混凝土仍會(huì)發(fā)生脆性破壞。為了進(jìn)一步改善其性能，可以在混凝土中加入多種添加劑，鋼纖維也是這些添加劑中的一種，添加鋼纖維可以提高材料的韌性、抗沖擊性能、抗彎強(qiáng)度以及其他機(jī)械強(qiáng)度[1～3]。混凝土在使用的過程中會(huì)遭到多種不利條件的影響，如磨損、凍融、侵蝕作用、重負(fù)荷擠壓、火災(zāi)和高溫破壞等。機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪，工業(yè)地坪，煙囪，生產(chǎn)高危化學(xué)材料的工廠及工業(yè)建筑等混凝土結(jié)構(gòu)工程會(huì)受到高溫的影響。[4]鋼纖維對(duì)增加混凝土內(nèi)部強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不容忽視，他可以為防止混凝土發(fā)生塑性破壞的發(fā)展提供非常重要的貢獻(xiàn)[5]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的制備

實(shí)驗(yàn)采用了PO42.5普通硅酸鹽水泥；石灰石質(zhì)碎石，粒徑為5～20mm；普通江沙，細(xì)度模數(shù)為2.8；自來水。根據(jù)水泥：砂；石：水=1：1.40：2.85：0.47配制尺寸為100mm×100mm×100mm的C45強(qiáng)度的試塊用于接下來的實(shí)驗(yàn)。

1.2 加熱方案

加熱裝置使用可以控制溫度的高溫電阻爐，將要進(jìn)行加熱的試塊放入電阻爐內(nèi)進(jìn)行加熱如圖1，試塊的受熱溫度設(shè)定為200～800℃，加熱時(shí)設(shè)置為10℃/min。

圖1 高溫試驗(yàn)電阻爐

1.3 測(cè)試設(shè)置

實(shí)驗(yàn)按照CECS13：89《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)采用上海萬杰試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如圖2，加載速率設(shè)置為0.5MPa/s，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高溫后混凝土殘余強(qiáng)度如圖3，由圖可以看高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度都隨著溫度的升高而逐漸降低，體積摻量為1.5%的混凝土在各個(gè)溫度時(shí)的殘余強(qiáng)度率均是最高的，未達(dá)較高溫度時(shí)鋼纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度基本沒有影響，當(dāng)加熱溫度達(dá)到600℃高溫后，普通混凝土和鋼纖維混凝土強(qiáng)度都下降一半左右，由圖4可以觀察到在相同的800℃高溫下產(chǎn)量1.5%的鋼纖維混凝土有最大的殘余強(qiáng)度率47.73%，普通混凝土的殘余強(qiáng)度率最小只有34.65%，前者比后者高13.08%。

很明顯可以看出殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系特征可以分為三個(gè)不同階段：

（1）初步穩(wěn)定階段，從室溫到400℃之間，混凝土強(qiáng)度基本無變化；

（2）強(qiáng)度損失階段，從400～600℃之間，混凝土強(qiáng)度大幅度下降；

（3）強(qiáng)度喪失階段，強(qiáng)度損失階段開始后至到800℃，力學(xué)性能開始大幅度下降，普通混凝土強(qiáng)度幾乎損失殆盡。

圖3 高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4高溫后混凝土殘余強(qiáng)度率

2.2 混凝土的剩余抗壓強(qiáng)度與加熱峰值溫度的關(guān)系

圖5 為體積摻量0%和體積摻量1.5%的鋼纖維混凝土在經(jīng)過100℃～800℃高溫溫度作用后的相對(duì)剩余強(qiáng)度變化曲線，其變化趨勢(shì)與強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。

圖5 混凝土相對(duì)剩余抗壓強(qiáng)度

之前已經(jīng)有研究人員對(duì)經(jīng)歷了不同溫度后的混凝土相對(duì)剩余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并建立了相關(guān)模型相對(duì)抗壓強(qiáng)度與其所經(jīng)歷的峰值溫度之間的關(guān)系。本文通過文獻(xiàn)7提出的模型（如式1所示）對(duì)圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

式中：fcuR-混凝土剩余抗壓強(qiáng)度fcu-混凝土原始強(qiáng)度x-混凝土所經(jīng)歷的最高溫度a，b-擬合所得參數(shù)；

圖6 V0和V1.5混凝土相對(duì)剩余抗壓強(qiáng)度擬合曲線

將擬合結(jié)果帶入式1可以得到混凝土試塊的相對(duì)剩余強(qiáng)度——溫度關(guān)系結(jié)果為：

根據(jù)以上公式依據(jù)不同受熱溫度可以估算出C45普通混凝土和1.5%摻剛體積的鋼纖維混凝土剩余抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）含鋼纖維的混凝土的抗高溫性能優(yōu)于普通混凝土，鋼纖維有助于阻止混凝土因高溫而產(chǎn)生裂縫以及隨后所發(fā)生得收縮和膨脹，鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)在600℃以后尤其明顯。

（2）由于纖維密度的增加，鋼纖維分布不均勻?qū)е禄炷羶?nèi)部存在間隙，引起抗壓強(qiáng)度降低，受到較高溫度后，體積摻量1.5%的混凝土強(qiáng)度損失比最少，應(yīng)用于實(shí)際時(shí)可以根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇摻鋼量。

（3）根據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出了C45強(qiáng)度的混凝土試塊的相對(duì)剩余強(qiáng)度與加熱峰值溫度的關(guān)系，可以估算出1000℃以下受到不同高溫時(shí)混凝土試塊的相對(duì)剩余強(qiáng)度。

[1]楊少偉，巴恒靜.鋼纖維混凝土高溫?fù)p傷及溫度應(yīng)力模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（02）：50～54.

[2]陳輝國，劉盈豐，孫波，汪敏，成培江.鋼纖維摻量對(duì)混凝土高溫力學(xué)性能的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，29（04）：552～554+635.

[3]王立聞，龐寶君，楊震琦，遲潤(rùn)強(qiáng).鋼纖維活性粉末混凝土高溫后動(dòng)力學(xué)特性研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13（05）：620～625.

[4]馬愷澤，劉亮，劉超，劉伯權(quán).高強(qiáng)混合鋼纖維混凝土的力學(xué)性能[J].建筑材料學(xué)，2017，20（02）：261～265.

[5]劉玉峻，錢春香，莊園，高桂波.二維散熱條件對(duì)混凝土內(nèi)部溫度梯度及熱傳輸?shù)挠绊慬J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，41（04）：820～823.

[6]《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38-2004）.

[7]過鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計(jì)算（第一版）.北京：清華大學(xué)出版社，2003.