RPC管混凝土組合柱高溫后軸壓性能試驗研究

單波　陳超　賴大德　劉福財

摘要：針對RPC（活性粉末混凝土）管混凝土組合柱（CFRT）這一新型組合結構的抗火性能開展試驗研究.采用高溫試驗爐對7個大尺寸CFRT短柱進行升溫試驗及高溫后的軸壓試驗，試驗參數包括控制溫度、配箍率和配箍方式.結果表明，CFRT高溫下未發生爆裂現象；高溫后的軸壓承載力和剛度隨試驗溫度的提高而降低，但具有相對較高的殘余承載力；提高配箍率和采用雙層配箍方式，有利于改善CFRT高溫后的抗壓性能；與已有的普通鋼筋混凝土約束柱抗火試驗結果相比較，CFRT具有更高的殘余承載力比.CFRT具有優異的抗火性能.

關鍵詞： 活性粉末混凝土（RPC）；組合柱；高溫；約束；力學性能

中圖分類號：TU398.9文獻標志碼：A

Experimental Research on Mechanical Properties

of Concretefilled RPC Tube Columns after High Temperature

SHAN Bo1，2， CHEN Chao1， LAI Dade1， LIU Fucai3

（1. College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082，China； 2. Key Laboratory for Green

& Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province， Changsha410082，China；

3. Guangdong Gaiteqi New Materials Technology Co Ltd， Qingyuan511600，China）

Abstract：Fire resistance of Concretefilled RPC tube （CFRT） columns were investigated by experimental study. Seven largescale CFRT specimens were performed by heating test and axial compression test after elevated temperature. The test parameters included control temperature， volumetric stirrup ratio and stirrup arrangement mode. The test results showed the spalling of concrete was not observed during elevating temperatures. The compressive performance of CFRT column after high temperature decreased with the rising control temperature. Both increasing the volumetric stirrup ratio and arranging double layers of spiral hoops were effective measures for improving the mechanical properties of the CFRT columns after high temperature. Compared with the existing test results， the residual load carrying capacity ratio of the CFRT after elevated temperature was higher than that of the ordinary steelconfined column. The CFRT columns exhibited excellent fire resistance.

Key words：reactive powder concrete （RPC）； composite columns； high temperature； confinement；mechanical properties

對混凝土施加側向約束，是提高結構柱抗壓性能的有效方式.目前，基于約束效應的組合柱主要有：鋼管混凝土（CFT）柱、纖維增強復合材料（FRP）約束混凝土柱和箍筋約束混凝土（SCC）柱[1-3].這些組合柱具有各自的特點，許多研究者進行了深入研究，并在工程中得到廣泛應用.但是，這些組合柱在性能上也存在一定的缺陷，如鋼管的抗火性能和耐腐蝕性能差[4-5]；FRP材料的力學性能對溫度比較敏感[6-7]；而對于箍筋約束混凝土，其混凝土保護層在受力過程中過早剝落，對承載力沒有貢獻[8-9]，且不便于裝配施工.這些不足之處限制了組合柱的使用范圍，特別是在高溫、高腐蝕環境中（如海岸工程、遠洋島礁工程等）的應用[10].

作者提出了一種新型組合柱——活性粉末混凝土（RPC）管混凝土組合柱（Concretefilled RPC tube，簡稱CFRT）[11]，其結構形式為：將RPC預制成配置高強螺旋箍筋的薄壁管，施工時在內部現澆混凝土，形成組合柱，如圖1所示.由于RPC具有超高的抗壓強度和優異的抗裂能力，在受壓過程中RPC管可以直接承擔相當部分的軸向荷載，而管內的高強箍筋對內部混凝土施加側向約束，形成約束組合柱.作者對3組CFRT短柱和2組對比試件開展了軸壓試驗[11]，結果表明，CFRT不但具有優異的變形性能，而且其軸壓承載力超過RPC空管與對應箍筋約束混凝土柱兩者承載力之和.CFRT將RPC的材料性能和箍筋約束效應有效結合了起來，提供了一種基于超高性能水泥基材料的約束混凝土柱，特別是相比于CFT，具有突出的耐腐蝕性，也適于裝配式施工.

CFRT的抗火性能是其安全性的重要方面，但這方面的研究還處于空白.鄭文忠等[12]、Kim等[13]和Mehmet[14]的研究表明，鋼纖維與有機纖維的摻入能有效改善RPC的耐火性能.因此，從材料角度來看，CFRT相對于其他約束組合柱，特別是CFT，應該具有更好的抗火性能.目前，國內外的一些研究者在鋼筋混凝土柱的抗火性能方面開展了不少試驗研究，如吳波、宿曉萍等[15]對3組不同配箍率的C80級標準棱柱體試件進行高溫后力學試驗，發現箍筋的存在能夠有效防止高強混凝土爆裂，并提高混凝土高溫后的殘余力學性能；Jau和Huang[16]測量了6根軸壓比為0.1的混凝土角柱在標準火災后殘余力學性能，結果表明混凝土保護層在高溫下開裂脫落，增大混凝土保護層厚度會降低試件的剩余承載力；陳宗平等[17]對32鋼筋再生混凝土短柱進行了高溫后的抗壓試驗，并探討了殘余承載力計算方法.這些研究成果對本試驗的開展具有指導作用.本文在開展大尺寸CFRT短柱高溫試驗研究，測試其在高溫后的軸壓性能，為CFRT抗火性能評估和設計奠定基礎.

1試驗設計

1.1試件設計

本試驗包括1個常溫試件和6個高溫試件，試件所采用的RPC管均由佛岡龍清電力器材有限公司車間采用離心法生產.管的外徑D為300 mm，高度H為600 mm，壁厚t為25 mm，如圖1所示.在RPC管壁中心位置配置直徑為6 mm的螺旋箍筋，材質為高強光面65錳彈簧鋼，實測屈服強度為995 MPa.為滿足離心法的工藝要求，沿RPC管軸向設置8根直徑為4 mm的構造縱筋并施加一定的預張力，以維持鋼筋籠在離心過程中的形狀[18].

RPC的主要原材料為：42.5的普通硅酸鹽水泥；最大粒徑為3 mm的石英砂；直徑為0.12 mm、長度為8 mm的鋼纖維；直徑為45 μm、長度為18 mm的PVA纖維.配合比（體積比）為：水泥∶砂∶硅灰∶高效減水劑∶鋼纖維∶PVA=1∶2.10∶0.25∶0.03∶1.91∶0.2，W/B=0.22.熱水養護48 h后的立方體抗壓強度（100 mm×100 mm×100 mm）為123.2 MPa.

內部現澆混凝土配置螺旋箍筋和縱向鋼筋，其中，螺旋箍筋的規格與RPC管相同.各試件的縱向配筋相同，均為12根直徑為12 mm的HRB400級鋼筋，實測屈服強度為456 MPa.內部混凝土的設計強度等級為C60，主要材料為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料為最大粒徑為25 mm的碎石，細骨料為河砂.混凝土的配合比（體積比）為：水泥∶硅∶灰砂∶石∶高效減水劑=1∶0.1∶1.69∶2.75∶0.005，W/B=0.35.28 d立方體抗壓強度為69.2 MPa.

試件基本參數及試驗結果如表1所示.按照試驗條件分為3組：第1組為溫度的影響，包括C40GZ20、C40GZ200、C40GZ400、 C40GZ600和 C40GZ800；第2組為配箍率的影響，包括C20GZ800和 C40GZ800；第3組為配箍方式的影響，也就是在保持總的配箍率不變的條件下，將一部分約束箍筋配置在內部混凝土中，包括C20GZ800和C4035800.

1.2試件加工

所有試件均在實驗室采用人工制作.首先，將RPC管固定，放入鋼筋籠，如圖2（a）所示；然后分3層在管內澆筑混凝土并在振搗密實；待凝土硬化后，對組合柱的頂面進行修補，主要方法是采用單獨配置的RPC進行鋪漿，鋪漿厚度為3～5 mm，

再用一塊機械拋光的厚鋼板壓頂，并使鋼板在鋪漿硬化過程中與試件底面保持平行，待修補層硬化后即可得到平整的受壓面，如圖2（b）所示.

1.3試驗方法與設備

試驗分為兩個步驟進行，即CFRT柱的高溫試驗以及高溫后的軸向受壓試驗.高溫試驗使用工程結構與損傷湖南省重點驗室與洛陽耐火材料研究院共同開發的高溫電爐完成.該設備由高溫電爐以及配套溫控設備組成，電爐采用兩半對開式結構，爐膛高630 mm，內直徑為550 mm，爐膛內部設有熱電偶，可對爐膛溫升進行控制，如圖3所示.為了測量CFRT試件在不同溫度下的溫度場，在試件中部高度截面處埋設3個熱電偶，具體位置如圖4所示.所有溫度測點采用XMT-J型溫度巡檢儀實時測量溫度，數據記錄時間間隔為5 min.

高溫后軸壓性能試驗在10 000 kN電液伺服壓力機上進行.試驗時，在試件的中部安裝一個軸向變形測試架，試驗架通過對拉彈簧固定在試件上，并在對稱位置設有兩個高精度的位移傳感器（LVDT），以測量試件在整個試驗過程中軸向變形，如圖4所示.在試件中部高度截面處粘貼4個縱向應變片，便于試件對中.軸壓荷載由壓力機內置傳感器測量.所有數據均采用DH3821數據采集系統采集記錄，采樣間隔為0.5 s.

1.4加載制度

高溫試驗過程包括“升溫”-“恒溫”-“降溫”3個階段.升溫速率設置為10 ℃/min，達到目標溫度后立即轉為恒溫模式，恒溫時間為180 min，當恒溫時間結束后立即打開爐蓋，讓試件在空氣中冷卻.

高溫后的軸壓試驗，采用單調加載，正式加載前，對試件預加載以進行對中，如果4個軸向應變片的讀數差值不超過10%，認為試件處于理想的軸心受壓狀態，隨即卸載并開始正式加載.加載制度為：在試驗的開始階段，采用力控制，加載速度為5 kN/s；當達到預估峰值荷載的90%時，改為位移控制，加載速度為0.5 mm/min，直至試件破壞.

2試驗過程及試驗現象

2.1高溫試驗過程與現象

CFRT試件的高溫試驗現象基本相同，以C40GZ800試件為例，在升溫的初始階段，從爐內開始逸出少量水蒸氣；隨著爐內溫度的升高，水蒸氣逸出現象越來越劇烈；隨后，水蒸氣逸出逐漸減少，一般試件進入恒溫階段內2 h后，最終消失.在整個高溫過程中，試件未發出爆裂的聲音.對于溫度超過400 ℃的試件，在冷卻的前期，試件發出噼啪聲音，試件表面出現1～2條環狀裂縫.冷卻以后觀察試件表面，總體形態十分完整，RPC管無可見的爆裂破壞現象.由此看來，本試驗制備的RPC管具有良好的抗爆裂性能，這與RPC中摻入PVA纖維有密切關系.PVA纖維的熔點約為230 ℃[19]，高溫下溶化后形成大量泄壓孔道，有利于RPC內部水蒸氣的逸出，有效降低了管壁內的蒸汽壓，從而避免了爆裂的發生.

高溫試驗后，試件表面顏色出現顯著差異，如圖5所示.試件經歷200 ℃高溫后，表面顏色與常溫下接近，呈灰色；試件經歷400 ℃高溫后，表面顏色變深；經歷600 ℃的試件表面稍白；而經歷800 ℃后，試件表面呈灰白.采用鐵錘敲擊試件中部，隨著試驗溫度的升高，試件所發出的聲音由堅實清脆逐漸變得渾濁空泛.

2.2軸壓試驗過程與破壞形態

高溫后的試件，破壞過程基本類似.加載初期都處于彈性狀態，除已有的溫度裂縫外，試件表面無受力裂縫產生；當荷載增加到極限荷載的85%左右，試件中部出現一些細微的縱向和新的環向裂縫，并隨著荷載持續增加而緩慢發展；當荷載超過峰值后，試件表面裂縫發展速度加快并逐漸貫通，中部明顯外鼓；最后，隨著箍筋陸續斷裂，承載力顯著降低，試件到達破壞狀態.整個過程中，RPC管沒有明顯的剝離破壞，與常溫下抗壓破壞模式類似[11].

高溫后，試件的受壓破壞形態有所差別.如圖6所示，對于配筋相同的C40GZ系列試件，隨著試驗溫度的升高，破壞時RPC管的破裂程度增大.相對于C40GZ800，C20GZ800試件破壞時，RPC管的裂縫數量更多，且裂縫寬度較小，可見增加配箍量可以降低破壞程度.C4035800的配箍率與C20GZ800相同，但前者RPC管中的配箍量較少，其RPC管的損傷程度相對更嚴重（如圖6（f）所示）.

試件截面上存在顯著的溫度梯度，由表面到中心，溫度逐漸下降；距試件表面距離越大，溫度上升速率越小，變化也更為平緩；恒溫3 h后，試件的中心溫度約為爐膛控制溫度的50%～60%.

3試驗結果分析

3.1溫度分布

在試驗柱的高溫損傷分析中，需要考慮截面溫度梯度的影響.根據過鎮海等提出的截面不均勻溫度場計算方法[20]，結合本試驗的實測溫度場，計算得到各控制溫度下試件的截面等效溫度，作為高溫損傷分析的依據，結果如表2所示，可看到RPC管的等效溫度顯著高于內部混凝土柱的等效溫度.

3.2荷載軸向應變曲線

CFRT試件的軸壓試驗結果如表1所示，圖8也給出了各試件高溫后的荷載軸向應變曲線，其中，軸向應變由兩個LVDT測試數據平均值除以其標距計算得到.

從圖8（a）可以看到，在C40GZ系列試件中，經歷200 ℃高溫作用后，與常溫試件的荷載軸向應變曲線的上升段很接近，峰值荷載基本一致，下降段差別不大，表明CFRT經歷200 ℃作用后，抗壓性能比較穩定.主要原因是截面的等效溫度并不高，已有試驗表明，在此溫度范圍內，混凝土的高溫損傷比較小，而RPC實際上經歷了一次高溫養護，強度還有所提高[21]，因而，組合柱的抗壓性能沒有出現明顯退化.而當控制溫度超過400 ℃后，CFRT試件的荷載軸向應變曲線出現明顯變化.隨著控制溫度的升高，試件的峰值荷載不斷降低，對應的應變不斷增大，曲線的形狀趨于扁平，組合柱的抗壓性能退化明顯.

C20GZ800的配箍率是C40GZ800的2倍，從圖8（b）可以看到，前者的荷載峰值顯著提高，且下降段更為平緩，曲線更為飽滿.這表明增加配箍率可以有效提高CFRT柱高溫后的抗壓性能.C4035800為雙層配箍試件，總的配箍率與C20GZ800相同，但兩者高溫后的荷載軸向應變曲線有較為明顯的差別：前者荷載峰值相對較高，但下降段性能退化較為嚴重，變形能力降低.

3.3承載力和剛度

表1給出了試件高溫作用后的承載力Ntu和軸壓剛度EAT，試件承載力取其峰值荷載，軸壓剛度取荷載軸向應變全曲線上0.4 Ntu點的割線剛度[21].

C40GZ系列高溫后力學性能變化情況如圖9（a）所示.CFRT試件經歷200 ℃高溫作用后，其承載力幾乎不變.但這以后，承載力隨試驗溫度的升高幾乎成線性降低.經過800 ℃高溫作用后，CFRT的殘余軸向承載力約為常溫下承載力的62%.在試驗范圍內，CFRT試件的軸壓剛度隨試驗溫度的升高顯著降低，相對于承載力，剛度的降低幅度更大，經過800 ℃高溫后，CFRT的軸壓剛度下降幅度超過80%.從圖9（a）的整體變化趨勢來看，CFRT高溫后的軸壓性能隨溫度提高而顯著降低，主要原因是RPC、內部混凝土以及鋼筋等組成材料，經歷高溫后的力學性能均會出現不同程度的降低，從而導致組合柱抗壓性能產生顯著退化[21-23].即便如此，與已有試驗數據相比較，CFRP高溫后的殘余性能仍然顯著優于普通箍筋約束混凝土柱高溫后的殘余性能[15].因此，CFRT柱的抗火性能突出，在經歷800 ℃高溫作用后仍然擁有較高的殘余承載力，但也應該注意到其軸向變形有顯著增加，可能會導致相鄰的構件產生較為顯著的內力重分布.

溫度/℃（a）C40GZ系列試件

（b）配箍率與配箍方式變化試件

圖9（b）給出了C40GZ800、C20GZ800和C4035800試件的高溫后力學性能對比，圖中，數據為各試件結果與C20GZ800結果的比.G20GZ800與G40GZ800相比較，高溫后的承載力超出13.8%，剛度也有所提高，其主要原因是：一方面，提高配箍率有利于限制核心混凝土在高溫下的側向膨脹和裂縫的開展，從而降低了CFRT試件的高溫損傷程度[15]；另一方面，在高溫后的軸壓受力過程中，更高的配箍率為內部混凝土提供了更強的側向約束，從而提高了CFRT高溫后的抗壓性能.文獻[24]進行了相同配箍率下CFRT的常溫抗壓試驗，相應試件的承載力提高幅度約為28.3%，由此可見，高溫對箍筋的約束效應有顯著的降低作用.

C4035800的承載力與剛度較之C20GZ800分別提高了8.5%和33.6%.這一結果表明，在總配箍率相同的情況下，雙層配箍方式可以有效改善CFRT試件高溫后的抗壓性能.其原因應該是將一部分約束箍筋設置在內部混凝土中，溫升會有所降低，減輕了這部分材料本身的高溫損傷以及箍筋與混凝土的粘結損傷，因而對高溫后的抗壓性能有利.但從前述破壞形態和延性來看，雙層配箍方式降低了試件的變形能力.這表明配箍方式對CFRT高溫后的抗壓性能有顯著而復雜的影響.在配箍率不變的情況下，內部混凝土中配置適量的螺旋箍筋可以改善CFRT高溫后的抗壓性能

4殘余承載力分析

鋼筋混凝土柱在高溫后殘余承載力對結構安全具有重要影響，一般采用殘余承載力比衡量，即結構柱經歷高溫后的承載力與常溫下承載力之比[25].為研究CFRT這一新型組合柱高溫后的承載力退化情況，作者采用近年來國內外對鋼筋混凝土短柱高溫后的軸壓試驗結果與之對比[26-29]，試件參數及殘余承載力比如表3所示.

高溫后殘余承載力比與控制溫度的相關曲線如圖10所示.大量試驗表明，鋼筋混凝土柱高溫后的承載力隨控制溫度的升高而逐步降低，并與受火時間、升溫制度、截面尺寸、截面形式、凈保護層厚度等因素相關[25].從圖10可以看到，CFRT符合這一規律.同時，可以看到文獻[26]的試驗結果在超過400 ℃后，與此規律不相符，具體原因其作者沒有特別說明.除此以外，與普通鋼筋混凝土短柱的軸壓結果相比較，盡管CFRT試件的混凝土凈保護層厚度最小，但控制溫度超過400 ℃后，其殘余承載力比相對

更高.一個重要原因是摻入的PVA纖維和鋼纖維

5結論

本文對大尺寸CFRT試件進行高溫試驗和高溫后的軸壓試驗，并對其高溫后的力學性能進行初步探討，得到如下結論：

1）CFRT試件高溫作用下未發生爆裂，高溫后RPC管外觀完整，CFRT組合柱具有優異的抗爆裂性能.

2）CFRT試件高溫后的軸壓承載力和剛度隨試驗溫度的提高而降低，且剛度的降低幅度更為顯著.經歷800 ℃高溫作用后，CFRT試件的軸壓承載力約為常溫下的62%，殘余承載力相對較高，抗火性能良好.

3）高溫作用后，CFRT試件的抗壓性能隨配箍率的增大而提高，提高配箍率有利于提高CFRT柱的抗火性能.在總配箍率相同的情況下，采用雙層配箍方式，可以改善CFRT柱高溫后的抗壓性能.

4）與普通箍筋混凝土柱相比較，CFRT柱高溫后的殘余承載力比更高，抗火性能更為優異.

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