高溫后玄武巖纖維混凝土力學性能弱化規律試驗研究*

丁傳海

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

目前，針對常規環境與高溫后玄武巖纖維混凝土的物理、力學性能研究已取得了一定成果，而針對高溫后玄武巖纖維混凝土的力學弱化規律與機理方面研究較少；本文基于長12mm、含量0.6%的玄武巖纖維混凝土試樣，借助單軸壓縮、三點彎曲試驗，分析其高溫后的力學性能弱化特性，進而為纖維混凝土力學、耐高溫性能研究與應用提供一定的理論、試驗依據。

1 試驗設計

1.1 材料選取

為研究高溫后玄武巖纖維混凝土力學性能的弱化規律，需對試驗所用混凝土各組成材料進行設計選取。玄武巖纖維混凝土的主要組成材料包括水泥、水、粗細骨料和玄武巖纖維等，具體為：①水泥 采用金隅P·O42.5復合硅酸鹽水泥，細度為4%(干篩法)，標準稠度用水量P為25.9%，28d抗壓強度值為59.5MPa；②細骨料 采用密度為2.650 t/m3的水洗河砂，其含泥量、含水率需符合要求；③粗骨料 采用密度為2.80 t/m3、粒徑為5～20mm、壓碎指標為13.5%的碎石；④拌合用水 按國家規范要求，采用日常飲用自來水；⑤玄武巖纖維 采用上海臣啟化工科技有限公司生產的12mm古銅色粗紗，該纖維的密度為2.699g/cm3，抗拉強度>2 000MPa，抗伸彈性模量>85GPa，熔點約為1 450℃。

1.2 試樣制作及試驗實施

為研究高溫后玄武巖纖維混凝土力學性能及弱化機理，需進行混凝土立方體抗壓強度與抗折(三點彎曲)試驗，所選用基準混凝土強度等級為C30。用于抗壓強度試驗的試樣尺寸為100mm×100mm×100mm，用于測定斷裂性能的棱柱體試樣尺寸為400mm×100mm×100mm，且需在試樣長度方向的正中間預制1條寬2mm、高40mm的裂縫。

為達到本文研究目的，需進行20，200，400，600，800℃ 5種高溫試驗工況；在試驗過程中注意事項如下：玄武巖纖維混凝土試樣放入高溫爐中，試樣間需有一定間距，確保試樣能各面受熱良好，當試樣加熱到設置的目標溫度后，需恒溫1h，然后打開爐口待其自然冷卻至常溫，取出混凝土試樣，觀察混凝土的表面顏色、表面裂縫、表面完整性等宏觀現象。

2 力學性能試驗表觀特征與規律

基準混凝土和玄武巖纖維混凝土高溫后試樣表觀特征如圖1所示，分析可知，含量0.6%、摻量12mm長玄武巖纖維混凝土與基準混凝土在高溫后表觀變化相一致；試樣經20℃到800℃ 5種高溫后的顏色變化順序依次為：灰色→淡青灰色→淺白黃色→淺黃色→土黃色，其中以200℃為分界，0～200℃顏色變化相對較少，400～800℃顏色變化相對較少。

圖1 不同溫度下2種混凝土表觀特征

觀察與分析試樣表面裂縫變化可知：①20℃和200℃后的立方體試樣表面無明顯裂縫；②400℃后試樣表面出現少量微裂縫；③600℃后試樣表面微裂縫數量逐漸增多，且已有裂紋也有不斷增大趨勢，同時在試樣局部邊和角的位置出現破裂等現象；④800℃后試樣的表面會新增少量寬長裂縫，主要為微裂縫，且裂紋間出現明顯的交匯現象，但主要區別在于，普通混凝土600℃后立方體試樣表面微裂縫增多、增長，而玄武巖纖維混凝土裂縫較少。

分析可知，高溫后混凝土質量相對變化率和燒失量均呈線性分布(見表1與圖2)，玄武巖纖維混凝土線性規律性更強，其相關性高達98%，而普通混凝土為96%。

圖2 不同溫度下0.6%摻量12mm玄武巖纖維混凝土質量變化規律

表1 高溫后混凝土相對質量及燒失量變化 g

3 力學性能試驗結果與規律

3.1 單軸壓縮性能試驗結果與規律

玄武巖纖維混凝土高溫后抗壓強度及其變化規律曲線如圖3，4所示，由分析可知，普通混凝土和玄武巖纖維混凝土的單軸壓縮強度隨溫度變化規律整體保持一致，吻合二次函數方程，可將其劃分為2個階段：①穩定變化階段 20～400℃時，試塊抗壓強度隨溫度的升高而升高，但變化幅度很小；②急速劣化階段 600～800℃時，試塊抗壓強度隨溫度的升高而降低，此時的變化較大(見表2)。

表2 玄武巖纖維混凝土高溫后的力學性能變化值

圖3 玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度曲線

圖4 玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度變化曲線

進一步分析可知：①在常溫情況下，玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度高于普通混凝土；②對200～400℃高溫后的玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度較普通混凝土略低(約在3MPa)；③高溫對玄武巖纖維混凝土抗壓強度影響程度比普通混凝土小很多，其中200℃時降低比例為4.41%(玄武巖纖維混凝土)及28.42%(普通)；400℃時降低比例為5.65%(玄武巖纖維混凝土)及32.75%(普通)；600℃時玄武巖纖維混凝土劣化程度為18.49%，而普通混凝土劣化程度為3.22%；800℃時普通混凝土和玄武巖纖維混凝土劣化程度相近，分別為49.17%，52.59%。由此可知，長12mm、含量0.6%的玄武巖纖維混凝土在600℃以內具有很好的耐高溫性能。

3.2 試樣三點彎曲試驗的斷裂力學性能分析

根據玄武巖纖維混凝土三點彎曲試驗過程中試樣起裂應力與溫度變化、變化率之間的規律，可得出圖5，6，進一步分析可知：①常溫和高溫后玄武巖纖維混凝土的起裂應力均高于普通混凝土，且隨溫度升高，玄武巖纖維混凝土的劣化程度與普通混凝土相比有明顯降低；②高溫后玄武巖纖維混凝土和普通混凝土的起裂應力均隨溫度升高而呈線性降低。

圖5 玄武巖纖維混凝土起裂應力隨溫度變化曲線

圖6 玄武巖纖維混凝土起裂應力隨溫度變化率曲線

玄武巖纖維混凝土斷裂韌度與溫度、溫度變化率之間的關系如圖7，8所示，由圖可知：①常溫情況下和高溫后的玄武巖纖維混凝土斷裂韌度高于普通混凝土；②隨溫度升高，玄武巖纖維混凝土的劣化程度較普通混凝土降低；③高溫后普通混凝土和玄武巖纖維混凝土斷裂韌度與溫度呈二次函數分布。

圖7 玄武巖纖維混凝土斷裂韌度隨溫度變化曲線

圖8 玄武巖纖維混凝土斷裂韌度隨溫度變化率曲線

3.3 試樣三點彎曲試驗的斷裂特征分析

借助數字圖像相關測試技術(DIC圖像技術)，測得試樣斷裂試驗過程中的水平位移云圖(見圖9，10)，為進一步研究其高溫后的斷裂特征，選取20，200，400，600，800℃高溫后試樣進行分析，并定義：沿x方向為水平正位移，反之為水平負位移；則可將高溫后玄武巖纖維混凝土的抗折試驗過程分為3個階段。

圖9 玄武巖纖維混凝土破壞特征圖

圖10 玄武巖纖維混凝土位移場云圖(單位：像素)

1)加載初期階段(應力和變形差異形成階段) ①水平位移場以預制裂紋為分界面，在其左側出現較小負位移，而右側出現的正位移較大，但在試樣上部分層現象不明顯；②試樣的應力主要集中在預制裂紋尖端附近，則在位移云圖上也表現出顏色差異分離的現象；③根據試驗結果進一步推測分析可知，試樣在預制裂紋尖端附近部位各點的變形和應力分布及變化不均勻，可能是試樣存在內部混凝土不密實或制樣缺陷等原因造成。

2)荷載持續增加階段(裂縫穩定擴展階段) ①在切口下部的正、負向位移區均呈現向上擴展趨勢，且水平位移(宏觀裂紋)的突變處在切口尖端；②試樣在切口處開裂后未立即破壞，而是伴隨著荷載增加，水平位移突變區域不斷向上擴展后形成明顯的分界線；③試樣混凝土在裂縫起裂后并未立即失穩擴展，進一步說明存在穩定擴展階段。

3)荷載達到峰值階段(試樣破壞階段) 隨著荷載增大，試樣的水平位移迅速增大，此時試樣的宏觀裂縫貫通，且發生完全破壞。

與高溫后混凝土斷裂過程相比，其主要區別在于，荷載持續增加階段(裂紋擴展階段)，隨著溫度的升高，位移云圖中位移突變區域更加明顯和光滑，不再出現鋸齒形波動(鋸齒形波動幅度和區域越來越小)，裂紋擴展時更加迅速；而玄武巖纖維可有效降低裂縫開裂、擴展速度，進而表現出較好的耐高溫性。

4 結語

本文通過單軸壓縮、三點彎曲試驗研究了普通混凝土和長12mm、摻量0.6%玄武巖纖維混凝土高溫后試樣的宏觀特征、混凝土立方體抗壓強度、抗折強度變化規律及弱化機理，得到如下結論。

1)玄武巖纖維混凝土和普通混凝土隨著溫度的升高，其抗壓、抗折強度變化規律大致相同，差異在于裂紋數量和長度；其抗壓強度均是先升高后降低，差異在于升高、降低幅度不同；其抗折強度都降低，差異在于降低幅度不同。

2)玄武巖纖維混凝土和普通混凝土質量損傷量與溫度呈線性負相關。

3)玄武巖纖維混凝土和普通混凝土在抗折試驗過程中均存在明顯宏觀裂縫穩定擴展階段，此階段決定著試樣的抗折強度；隨著溫度的升高此階段逐漸較小，裂縫擴展更加迅速，抗折強度更小。