摘要: 當(dāng)前國家倡導(dǎo)發(fā)展節(jié)能省地型建筑, 城市建筑越來越朝著高層與大跨度發(fā)展, 高強化是混凝土發(fā)展和應(yīng)用的主要方向之一。本文針對用機制砂配制的C60 高強混凝土的耐火性以及相關(guān)改善措施進行了研究。通過對摻入摻合料、不同纖維配制的高強混凝土的在高溫下的殘余強度和質(zhì)量損失的研究, 為用地方性原材料配制高強混凝土提出了有效改善耐火性的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞: 高強混凝土; 耐火性能; 機制砂
0 概述
隨著工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高層與超高層及超大型方向發(fā)展, 對混凝土性能也提出了更高的要求。目前高強化和高性能化已成為混凝土技術(shù)發(fā)展的趨勢。然而, 人們對高強混凝土在火災(zāi)高溫下/ 后有關(guān)性能的變化卻知之甚少。在突發(fā)火災(zāi)時, 高強混凝土不同于一般的混凝土, 它水膠比小、強度高、脆性大、早期收縮大、高溫時易發(fā)生爆裂崩塌。如何改善高強混凝土的耐火性, 如何延緩混凝土的失效時間, 從而提高安全性就顯得尤為重要, 研究高強混凝土的耐火性具有重要意義[1~5 ]。鑒于以上原因,云南建工混凝土有限公司與中國建筑科學(xué)研究院建材所合作, 利用云南省地方性原材料機制砂與山砂混合作為細(xì)骨料, 配制強度等級為C60 的高強混凝土, 對其耐火性能及改善措施進行初步研究。
1 研究內(nèi)容
研究采用的試驗方法和技術(shù)路線是通過對普通河砂配制的混凝土與地方材料機制砂、山砂配制的C60 混凝土進行對比試驗, 對受火前后混凝土的抗壓強度和質(zhì)量損失進行測試, 揭示混凝土高溫受火的變化規(guī)律及改善程度。
2 試驗依據(jù)
混凝土試件耐火試驗按照GB/T 9978 - 1999《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》進行。
3 原材料
( 1) 水泥: 北京拉法基P.O42.5 水泥, 3d 抗壓強度23.5 MPa, 28d 抗壓強度49.5 MPa。
( 2) 粗骨料: 北京門頭溝石灰石碎石, 5～31.5連續(xù)級配, 表觀密度2 750kg/m3, 含泥量0.5%。
( 3) 細(xì)骨料: 北京產(chǎn)河砂, 細(xì)度模數(shù)2.2, 二區(qū)級配; 昆明建工砂石料公司生產(chǎn)機制砂, 細(xì)度模數(shù)3.5, 生產(chǎn)過程中經(jīng)水洗, 0.08 mm 顆粒含量<3.0%; 昆明龍?zhí)渡缴? 細(xì)度模數(shù)1.1, 小于0.08 mm 粉末含量為6.7%。
( 4) 外加劑: 四川科帥KS- JS 聚羧酸減水劑,含固量20%, PH 值7.0, 減水率>25%。
( 5) 摻合料: 昆明電廠三級粉煤灰與昆鋼高爐礦渣按50%比例復(fù)合粉磨生產(chǎn)的FS50 復(fù)合摻合料, 28d 活性84%, 細(xì)度2.5%。
( 6)鋼纖維( SF) : 天津薊縣華旭工貿(mào)有限公司生產(chǎn), 長徑比60, 鋼纖維斷面面積為0.196 mm2, 等效直徑為0.5 mm, 最小抗拉強度為1 200 MPa。
( 7) 有機纖維: 聚丙烯纖維( PP) : 北京同創(chuàng)拓展科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的建特堅牌聚丙烯纖維( PP) 和聚丙烯腈纖維( PAN B) , 基本物理性能見表1。
4 混凝土耐火試驗研究
4.1 試驗配合比
為了較全面的研究C60 混凝土高溫受火后的殘余強度, 試驗配合比中分別針對普通河砂和機制砂、山砂混凝土設(shè)計了配合比, 配合比中膠凝材料總量、復(fù)合摻合料、水膠比相同, 分別對無摻合料、添加復(fù)合摻合料、無纖維、單摻纖維( 包括鋼纖維、聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維) 、混雜纖維( 鋼纖維與聚丙烯纖維混雜、鋼纖維與聚丙烯腈混雜、聚丙烯纖維與聚丙烯腈纖維混雜) 等配合比進行試驗研究。本試驗研究共設(shè)計了16 個配比, 通過調(diào)整外加劑摻量使其工作性基本在相同的范圍內(nèi)。配合比設(shè)計方案詳見表2、表3。
備注:1、SF 為鋼纖維; PP 為聚丙烯纖維; PAN B 為聚丙烯腈纖維; 2、HZX1 為鋼纖維與聚丙烯纖維按相同體積百分比混雜; HZX2 為鋼纖維與聚丙烯腈纖維按相同體積百分比混雜;HZX3 為聚丙烯纖維與聚丙烯腈纖維按相同體積百分比混雜。
4.2 耐火試驗情況
耐火試驗在國家建筑工程質(zhì)量檢測中心耐火質(zhì)檢室進行, 試驗方法按照國標(biāo)《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》GB/T 9978- 1999 進行。試件尺寸為100 mm×100 mm, 共計75 塊, 試件在爐內(nèi)以品字形花格狀放置, 試件各面均可受火。試驗初始爐溫為27℃本試驗設(shè)計了兩種高溫受火方式, 第一種受火方式: 從室溫升溫至600℃恒溫1.0h 后, 自然冷卻至室溫, 測其殘余強度值和質(zhì)量損失。第二種受火方式: 按GB/T 9978- 1999 《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線( 見圖1) 升溫1.0h 爐內(nèi)平均溫度達(dá)到886.2℃后, 自然冷卻至室溫, 測其殘余強度值和質(zhì)量損失。試驗照片見圖2、圖3。
4.3 試驗結(jié)果
表4 和表5 分別是C60 普通河砂混凝土試件和C60 機制砂混凝土試件受火至600℃恒溫1h 的試驗結(jié)果; 表6 和表7 分別是C60 普通河砂混凝
備注: 受火后的抗壓強度和受火后的質(zhì)量是指試件受火后自然冷卻至室溫后所測得的試件抗壓強度和試件質(zhì)量。
土試件和C60 機制砂混凝土試件按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫1h 爐內(nèi)平均溫/達(dá)到886.2℃的試驗結(jié)果。
5 試驗結(jié)果與討論分析
5.1 用河砂與機制砂配制的兩批混凝土在第一種受火方式( 至600℃恒溫1h 后) 下的強度試驗研究根據(jù)圖4、圖5 以及表4、表5 中的數(shù)據(jù)可以看出, 對于兩批混凝土, 在經(jīng)受600℃高溫后, 其強度損失不十分明顯, 并且總體規(guī)律有一定不同的
地方, 具體分析如下:
( 1) 受火前后混凝土強度有所減低, 但其它總體差異很小, 平均強度損失只有5%, 可認(rèn)為在第一種受火方式下有較好的耐火性, 基本不會對混凝土強度產(chǎn)生明顯危害。
( 2) 說明第一種受火方式試驗敏感性不夠, 不足以達(dá)到試驗研究目的。
( 3) 從試驗的試件上觀察, 個別摻加混雜纖維試件強度降低略明顯, 是由于高溫使纖維熔化產(chǎn)生混凝土細(xì)微缺陷所致。
( 4) 在這種受火方式下, 未摻纖維機制砂混凝土已初步表現(xiàn)出耐火性低于摻加纖維機制砂混凝土。其強度下降相對比較明顯達(dá)到了11%和13%以上。
5.2 用河砂與機制砂配制的兩批混凝土在第二種受火方式( 至886℃恒溫1h 后) 的試驗研究
根據(jù)圖6、圖7 以及表4、表5 中的數(shù)據(jù)可以看出, 對于兩批混凝土, 在經(jīng)受800℃以上高溫
后, 其強度損失明顯, 平均強度損失達(dá)到了50%,并且摻合料及纖維對混凝土的影響總體規(guī)律相似,具體分析如下:
( 1) 在不摻纖維的混凝土中, 摻入復(fù)合摻合料, 起不到改善混凝土耐火性的目的。其強度損失和基準(zhǔn)混凝土一樣。
( 2) 加入纖維的混凝土, 耐火性能有明顯的改善, 普通河砂混凝土平均提高了29%, 機制砂混凝土平均提高了40%。
( 3) 摻混雜纖維的混凝土比單纖維的混凝土耐火效果好, 并且三種單獨的纖維效果基本一致, 無明顯區(qū)別, 相差5%以內(nèi)。普通河砂混凝土單摻一種纖維平均強度損失為51%, 摻入混和纖維平均強度損失為39%, 較單摻提高12%; 機制砂混凝土單摻一種纖維平均強度損失為47%, 摻入混和纖維平均強度損失為29%, 較單摻提高18%。
( 4) 摻加混雜纖維的混凝土, 受火后強度比未摻纖維的混凝土提高約20%以上。
( 5) 在800℃高溫下對機制砂混凝土的強度影響較大, 不摻纖維的機制砂混凝土強度損失比河砂混凝土大4%左右。但是摻入纖維以后, 對機制砂混凝土的改善作用明顯好于普通砂混凝土, 強度損失較河砂混凝土平均小7%。由此看來, 機制砂混凝土對高溫和相對應(yīng)的改善措施都比較敏感。
5.3 C60 混凝土試件高溫受火后的質(zhì)量損失研究分析
5.3.1 C60 普通砂混凝土在兩種受火方式下的質(zhì)量損失
從圖8、圖9 并結(jié)合表6、表7 中可以看出,對于兩批混凝土, 在經(jīng)受600℃與800℃以上高溫后, 其強度損失的規(guī)律與受火后強度變化規(guī)律類似, 具體分析如下:
( 1) 在第一種受火方式下, 其質(zhì)量損失總體上變化很小, 平均重量損失2.8%; 而在第二種受火
方式下, 其質(zhì)量損失總體上較大, 平均質(zhì)量損失達(dá)到了27.2%。
( 2) 在受火比較嚴(yán)厲的第二種受火方式下, 無纖維混凝土質(zhì)量損失較大, 有纖維混凝土質(zhì)量損失相對較小;
( 3) 在第二種受火方式下, 混雜纖維混凝土的質(zhì)量損失要小于單摻纖維混凝土。
( 4) 第一種受火方式中所有混凝土試件沒有發(fā)生爆裂現(xiàn)象; 第二種受火方式引發(fā)混凝土試件有不同程度的爆裂。
( 5) 與普通河砂混凝土相比, 機制砂混凝土受火后的質(zhì)量損失比河砂混凝土的大, 平均大于7%。如同對強度影響一樣。
6 主要結(jié)論
( 1) 按《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》( GB/T9978—1999) , 在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫1h、爐內(nèi)平均溫度為886.2℃的情況下, 摻加鋼纖維或和合成纖維可明顯減少C60 高強普通砂混凝土和機制砂混凝土受火后強度的損失, 從而改善耐火性能。
( 2) 單摻纖維的C60 高強混凝土受火后強度較未摻纖維混凝土有明顯提高, 機制砂混凝土提高31%, 而普通河砂混凝土提高23%。
( 3) 對于C60 高強機制砂和普通河砂混凝土而言, 摻加混和纖維, 對改善耐火性有明顯提高,比單摻平均可以提高12%~18%以上。
( 4) 摻加纖維機制砂混凝土受火后質(zhì)量變化規(guī)律與強度變化規(guī)律基本類同。
( 5) 在標(biāo)準(zhǔn)升溫1h 爐內(nèi)平均溫度886.2℃情況下, 混凝土有出現(xiàn)爆裂破壞的明顯現(xiàn)象。
( 6) 對于C60 普通河砂混凝土而言, 從室溫升溫到600 ℃并恒溫1h, 對混凝土強度沒有明顯的影響; 對于C60 機制砂混凝土而言, 如果不添加纖維, 其強度下降會達(dá)到10%以上, 如添加了纖維, 則強度損失不明顯。
( 7) 機制砂混凝土在采取了添加了纖維改善耐火性的措施以后, 在886.2℃高溫下, 雖然強度損失比河砂混凝土的大, 但是強度損失卻小于河砂混凝土。
從以上的分析和結(jié)論中得出, 用機制砂配制的C60 高強混凝土其高溫耐火性比河砂配制的高強混凝土敏感, 但是, 在加入了纖維以后, 其耐火性能比河砂混凝土得到明顯的提高, 通過本研究, 為云南昆明地區(qū)機制砂高強混凝土找到了有效改善提高耐火性能的措施。
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