實時高溫下鋼纖維混凝土的力學特性及其聲發射響應

劉 鑫，侯新宇，林 軍，景晶晶，劉為平,佘俊文，朱 浩

(1.江蘇開放大學建筑工程學院，南京 210036；2.江蘇城市職業學院建筑工程學院，南京 210019)

0 引 言

建筑物及構筑物遭遇火災時，會導致混凝土的服役能力下降，建筑工程的倒塌將嚴重影響人類的正常生活。目前國內外對混凝土材料的耐高溫性能和采用聲發射技術監測建筑材料損傷等方面進行了一定的研究，并取得了一定的研究成果。

文獻[1-4]對不同類型混凝土高溫后的力學性能進行了研究，認為隨著溫度的升高，會對混凝土的強度造成一定的影響。Tanyildizi[5]通過實驗和統計方法研究了聚丙烯(PP)纖維和硅粉對輕質混凝土高溫下力學性能的影響。Lau等[6]研究表明，對于低于400 ℃的溫度段，抗壓強度的損失相對較小。Xiao等[7]認為，摻有PP纖維的高性能混凝土(HPC)進行燃燒測試時，未觀察到爆炸性剝落，而沒有PP纖維的HPC發生了一些剝落。Poon等[8]研究表明，混凝土暴露于高溫后，剛度的損失比抗壓強度的損失要快得多。Peng等[9]研究表明，通過摻加鋼纖維、聚丙烯纖維可以增加混凝土的斷裂能。秦李林[10]認為，鋼纖維的摻加，可以增強混凝土常溫和高溫后的力學性能。聲發射作為一種材料無損監測手段，可以對水泥混凝土受載全過程進行實時跟蹤、在線監測，可實現材料力學性能變化規律與其聲發射信號損傷強弱在時間上的對應統一。文獻[11-14]對各類巖石高溫下的力學性能以及聲發射特性進行了研究，較為統一的結論為：巖石釋放的能量越多，聲發射活動越頻繁。文獻[15-17]對單軸壓縮下巖石的耐高溫性能進行了研究，均對巖石的應力-應變曲線和聲發射曲線的對應關系進行了探討。

從以上分析可以看出，目前國內外對混凝土的高溫性能研究主要側重于高溫后水泥混凝土力學特性的變化情況，多數是將經歷高溫作用的混凝土試件冷卻一段時間，然后進行力學性能測試，而對混凝土材料實時高溫下的損傷劣化研究較少。但實際發生火災時實時高溫下混凝土的各項力學行為與其經歷高溫并冷卻后的力學性能差異較大，因而高溫后的試驗研究不能反映實際受火過程中混凝土結構材料的劣化情況。

因此，研究實時高溫下混凝土及纖維混凝土的力學性能變化規律，并且通過聲發射探頭實現全過程實時跟蹤、在線監測并表征材料的能量釋放，為遭遇火災的實際工程材料及結構安全提供理論依據，具有較大的現實意義。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

圖1 鋼纖維

水泥選用揚州綠揚水泥有限責任公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用I級粉煤灰，砂選用中砂。石子采用連續級配為5～20 mm的碎石，水為自來水，減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸減水劑，含固量為20%。緩凝劑采用吳江市華譽化工有限公司生產的葡萄糖酸鈉，占膠凝材料質量的0.5%。鋼纖維由江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供，型號為S2端勾型，長度為30 mm，體積摻量為1%。圖1為試驗用鋼纖維照片，鋼纖維的基本性能指標及試驗所用混凝土配合比分別如表1、表2所示。

表1 鋼纖維的基本性能指標

表2 試驗所用混凝土配合比

圖2 實時高溫下混凝土力學性能及聲發射響應監測設備圖

1.2 試驗設備

混凝土實時高溫下力學性能試驗設備采用中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的MTS810材料測試系統及其配套的高溫爐。聲發射檢測儀采用沈陽計算機技術研究設計院生產的AE21C聲發射檢測儀，設備增益值采用38 dB,門檻值采用47 dB，聲發射探頭與傳感器之間通過凡士林耦合。整個試驗設備如圖2所示。

1.3 試件準備

成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊，在標準養護室養護28 d后，通過切割、鉆芯、打磨成直徑為25 mm、長徑比為2∶1的圓柱形試件。

1.4 試驗方法

試驗目標溫度為20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃的四個溫度段，升溫速率為15 ℃/min，加載速率為0.003 mm/s，恒溫時間為15 min。試驗時將試件在儀器夾頭上加緊，然后關閉高溫爐，等到加熱到目標溫度后恒溫15 min，確保高溫爐內溫度的恒定。然后對試件施加單軸荷載,同時打開聲發射監測系統，直至混凝土失穩破壞。

聲發射信號參數選用振鈴計數率，信號的強弱代表混凝土在受壓過程中釋放能量的多少，它可對混凝土的開裂損傷進行實時在線監測。

2 結果與討論

2.1 高溫下混凝土的抗壓強度和殘余強度

抗壓強度是混凝土的一項基本力學性能，而殘余強度代表試件應力-應變曲線上經過峰值應力后大致穩定的最終強度。測試普通混凝土、鋼纖維混凝土各溫度段的抗壓強度、殘余強度，結果如圖3、圖4所示。

圖3 各溫度段兩類混凝土的抗壓強度

圖4 各溫度段兩類混凝土的殘余強度

如圖3和圖4所示，鋼纖維混凝土的抗壓強度和殘余強度均比對應溫度段普通混凝土的高，20～600 ℃四個溫度段鋼纖維混凝土比普通混凝土抗壓強度分別提高了12.07%、4.15%、11.25%、3.24%,殘余強度分別提高了2.67 MPa、3.51 MPa、0.98 MPa、2.74 MPa。

分析主要原因，與普通混凝土相比，鋼纖維的摻入在水泥混凝土中較好地發揮了其增強增韌的效果，因而鋼纖維混凝土的抗壓強度都比同溫度段普通混凝土高。且由于鋼纖維的熔點很高，超過1 000 ℃，因此在600 ℃范圍內，鋼纖維都能與混凝土一起協同承受荷載，鋼纖維混凝土的強度損失較低，因而鋼纖維混凝土的殘余強度都比同溫度段普通混凝土高。

2.2 高溫下混凝土的時間-應力-振鈴計數率曲線

溫度場處于相對均勻狀態時，試驗儀器施加給混凝土的荷載除少部分被耗散掉以外，大部分會以能量的形式被混凝土吸收，而被混凝土吸收的能量又會因其內部微裂紋的張開、擴展等釋放出來，即混凝土整個受壓過程是能量的吸收、耗散和釋放循環反復的過程。試件的時間-應力-振鈴計數率曲線表示隨著時間的推進，具體時間點試件的承載能力變化情況以及對應能量釋放的強弱，可實現各溫度段試件的力學行為變化及其聲發射特性在時間上的統一，具體試驗結果如圖5所示。

圖5 各溫度段兩類混凝土的時間-應力-振鈴計數率曲線

由各溫度段試驗數據可以看出，普通混凝土和鋼纖維混凝土的時間-應力-振鈴計數率曲線大致可分為以下四個階段：壓密階段、線彈性階段、塑性階段、破壞階段。

壓密階段：混凝土在初始受壓狀態下，由于其內部存在一定的原生裂紋和微細孔洞，因此這一階段主要是這些原生裂紋和孔隙被壓密，使得這一階段混凝土的損傷劣化較小，反映在應力曲線上表現為應力的增長速度較緩慢，曲線形狀呈凹型；體現在振鈴計數率上表現為聲發射信號的強度較小，并且總體而言聲發射活動較為稀疏。

線彈性階段：在經過第一階段之后，隨著荷載的繼續施加，導致混凝土材料內部被壓密的微細裂紋和微孔隙開始張開，試件的應力曲線上升速度與上一階段相比有了一定程度的提升，應力與時間大致呈線性關系；與此同時，振鈴計數率表現出的聲發射信號的強度也高于壓密階段，這一階段混凝土材料的損傷有了一定程度的加劇。

塑性階段：當試件內部的裂紋發展到一定程度之后，各裂縫之間將匯集、貫通形成更大的宏觀裂縫，混凝土的損傷劣化嚴重，此時試件時間和應力曲線之間的線性關系被打破，此階段應力曲線呈凸型并一直持續到峰值應力點處；而振鈴計數率曲線的密集程度和活度也明顯加劇，與上一階段相比，此階段混凝土的損傷更甚。

破壞階段：隨著荷載持續施加，當混凝土的應力曲線越過峰值應力之后，試件內部損傷嚴重，混凝土的承載能力開始降低，試件有的發生脆斷，應力曲線產生驟降；有些產生延性破壞，應力曲線緩慢下降，具有一定的殘余應力；而振鈴計數率曲線表現出的聲發射信號的強度在經過前三個階段的上升趨勢之后也開始降低，這與應力曲線表現出的宏觀力學性能一致。

對比相同溫度段普通混凝土和鋼纖維混凝土的時間-應力-振鈴計數率曲線可以得出鋼纖維摻入的影響，聲發射損傷信號方面，除峰值應力點附近個別聲發射數據以外，整體上鋼纖維混凝土的振鈴計數率曲線的密集程度都明顯高于普通混凝土。分析原因是鋼纖維在水泥混凝土中較好地發揮了阻裂效果，可有效阻礙微裂縫的擴展，增強了混凝土的強度和延性。混凝土在高溫下的受壓經過實質上是試件能量的吸收、耗散和釋放循環反復的過程，混凝土強度的提高將使得其在受壓過程中吸收更多的能量，而吸收的能量將伴隨著試件內部微裂紋的張開等釋放出來，反映在聲發射上表現為鋼纖維混凝土的振鈴計數率曲線整體上更為密集，聲發射信號強度更大、活度更高，并且密集持續波段更長。

2.3 高溫下混凝土的時間-應力-振鈴累計計數曲線

混凝土在高溫下的整個受壓過程伴隨著與外界進行能量交換，熱能以及外力所做的功轉化的能量被混凝土吸收后，混凝土又會在而后的受載過程中將這些能量逐漸釋放出來。試件的時間-應力-振鈴累計計數曲線表示隨著時間的推進，混凝土材料的力學特性變化規律及其聲發射能量累計釋放的對應關系，具體試驗結果如圖6所示。

通過各溫度段試驗數據可以看出，混凝土的振鈴累計計數曲線大致呈“S”型，整體上可分為以下三個階段：

第一階段：主要在應力曲線的壓密和線彈性階段，由2.2節分析得知此時混凝土內部以原生裂紋的壓密和微細裂紋的張開為主，即混凝土內部能量釋放較為稀疏，從而聲發射信號接收的數據較少，且信號的強度不大，此時混凝土振鈴累計計數曲線的上升速度較為緩慢。

第二階段：從某一時間點開始，主要對應于應力曲線的塑性階段和破壞階段，相較于應力曲線的前兩個階段，由于此階段試件內部裂紋的萌生、發育以及擴展的速度明顯提高，因而聲發射信號的強度和頻度也隨之上升，聲發射振鈴計數率曲線更為密集，數值更大，導致振鈴累計計數曲線的上升速度加快。

第三階段：在破壞階段的某一對應時間點上，即一般當超過振鈴計數率最大值對應的時間點之后，由于試件內部已形成使其承載力逐漸下降的大孔徑宏觀裂縫，而后裂紋的擴展速度放緩，從2.2節分析可知振鈴計數率數值變小，聲發射信號的強度降低，從而致使振鈴累計計數曲線的上升速度放緩。

圖6 各溫度段混凝土的時間-應力-振鈴累計計數曲線

從以上三個階段可以看出，兩類混凝土在實時高溫下的振鈴累計計數曲線的變化規律為“緩-急-緩”的趨勢。

各相同溫度段普通混凝土和鋼纖維混凝土的振鈴累計計數最大值分別為：20 ℃,普通混凝土402.48，鋼纖維混凝土702.22；200 ℃,普通混凝土204.46，鋼纖維混凝土617.12；400 ℃,普通混凝土376.29，鋼纖維混凝土425.48；600 ℃,普通混凝土850.34，鋼纖維混凝土1 087.66，即鋼纖維混凝土的振鈴累計計數最大值都比相同溫度段普通混凝土高。主要是因為鋼纖維在水泥混凝土中較好地發揮了其增強增韌的作用，在高溫下吸收了更多的能量，同時釋放出了更多的能量，從而促使鋼纖維混凝土振鈴累計計數最大值比對應溫度段普通混凝土高。

3 結 論

(1)高溫下鋼纖維混凝土的抗壓強度、殘余強度均比對應溫度段普通混凝土高，鋼纖維起到了較好的增強增韌效果。

(2)高溫下鋼纖維混凝土聲發射信號的強度和頻度均高于普通混凝土，試件的宏觀力學性能與其聲發射響應具有較好的對應性。

(3)高溫下混凝土的振鈴累計計數曲線大致分為三個階段，高溫下強度更高的鋼纖維混凝土在受壓過程中釋放出了更多的能量，因而其振鈴累計計數最大值均比相同溫度段普通混凝土的數值高。

(4)鋼纖維的摻入可以延緩混凝土在實時高溫下的損傷。