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混雜纖維對高性能混凝土高溫性能的影響

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2006-07-20  來源:《同濟(jì)大學(xué)學(xué)報》 (自然科學(xué)版) 第34卷第1期2006年  作者:鞠麗艷 張 雄
核心提示:混雜纖維對高性能混凝土高溫性能的影響
摘要:針對高性能混凝土的防火、抗爆裂性能低的特點(diǎn),采用低熔點(diǎn)(聚丙烯纖維)及高熔點(diǎn)纖維(鋼纖維)混雜的方法,對高性能混凝土高溫性能(抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度,抗爆裂性能)進(jìn)行改善。研究表明,800℃ 時,混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率約15% ,明顯高于基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率(約6%);抗壓強(qiáng)度剩余率約15%,與基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度剩余率相當(dāng)(約15%);劈裂抗拉強(qiáng)度剩余率約20% ,明顯高于基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率(約10%)。另外混雜纖維明顯提高了混凝土的抗爆裂性能,同時分析了混雜纖維改善高性能混凝土高溫性能的作用機(jī)理。
 
關(guān)鍵詞: 昆雜纖維;高性能混凝土;高溫性能;抗爆裂性
 
 
   20世紀(jì)70年代,很多學(xué)者對普通混凝土高溫性能的研究表明,混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)受熱過程中可能發(fā)生毀壞性爆裂,對于脆性和密度更大、滲透性更低的一般高強(qiáng)高性能混凝土,爆裂更易產(chǎn)生,導(dǎo)致材料強(qiáng)度損失甚至構(gòu)件坍塌,而且壓應(yīng)力越大,這種破壞越嚴(yán)重,日本最近的研究表明,在混凝土內(nèi)摻人一定量聚丙烯纖維可以起到防爆作用,歐洲一些學(xué)者的試驗(yàn)也證明了這點(diǎn)。基于這些研究成果,筆者采用低熔點(diǎn)(聚丙烯纖維)及高熔點(diǎn)纖維(鋼纖維)混雜,從增強(qiáng)混凝土高溫力學(xué)性能及防爆裂方面進(jìn)行了研究。同時分析了混雜纖維改善高性能混凝土高溫力學(xué)性能及抗爆裂性能的作用機(jī)理。
 
1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)原材料
1.1.1 水泥
 
   試驗(yàn)中采用浙江三獅42.5級普通硅酸鹽水泥,其物理性能指標(biāo)列于表1。
   
 
1.1.2 粉煤灰
 
    試驗(yàn)中采用粉煤灰為匯能II型復(fù)合粉煤灰,其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。
   
 
1.1.3 粗骨料
 
    玄武巖碎石,粗骨料為5~20 mm連續(xù)級配碎石。
 
1.1.4 細(xì)骨料
 
    福建閩江砂,中砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,密度為2.65 gcm3。
 
1.1.5 減水劑
 
    試驗(yàn)采用GraceS20高效減水劑,減水率大于20% 。
 
1.1.6 鋼纖維
 
    Harex鋼絲鋼纖維:l=30mm,d=0.60 mrn,l/d=50(端鉤型)。
 
1.1.7 聚丙烯纖維
 
    本試驗(yàn)采用長堅(jiān)聚丙烯纖維,其技術(shù)指標(biāo)見表3。
    本試驗(yàn)研究用各高性能混凝土配合比lf}計(jì)見表4。
       
 
   
 
1.2 試驗(yàn)方法
 
    試件尺寸:150 mrn×150mrn×150 mm(抗壓強(qiáng)度、破裂抗拉強(qiáng)度);150 mm×150 mm×550 mm(抗折強(qiáng)度)。
 
    試件成型后,經(jīng)過24 h室溫下養(yǎng)護(hù)脫模,然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至60 d,再在常溫下放置1 d后進(jìn)行高溫試驗(yàn)。高溫試驗(yàn)所用電爐的升溫曲線如圖1所示。本電爐的最高溫度可達(dá)1 100℃ ,爐膛溫度可自動控制,達(dá)到指定溫度后恒溫2 h。采用正常升溫方式,即把混凝土從初始溫度直接升到目標(biāo)溫度(本文規(guī)定的目標(biāo)溫度為400,800,1 000℃)。冷卻方式采用爐內(nèi)自然冷卻。摻混雜纖維混凝土抗爆裂陛能影響試驗(yàn)溫度為800℃和1 000℃。
 
   
 
2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2
.1 混雜纖維對高溫下混凝土抗折強(qiáng)度的影響
 
    從圖2可知,同配比的HF,PF,HPF的抗折強(qiáng)度較JF的高,在200℃前JF的抗折強(qiáng)度隨溫度升高而降低的速度比HF,PF,HPF的慢,PF抗折強(qiáng)度降低的速度最快。在200~400℃范圍內(nèi),JF的抗折強(qiáng)度隨溫度升高而降低的速度比HF,PF,HPF的快?;炷吝_(dá)到800℃高溫時,JF與HF,PF的抗折強(qiáng)度相差不多,剩余抗折強(qiáng)度約為常溫混凝土抗折強(qiáng)度的6%左右,而HPF的抗折強(qiáng)度剩余率約為15%,之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象,是因?yàn)榫郾├w維的熔點(diǎn)為165℃ ,隨著溫度超過熔點(diǎn),纖維將會揮發(fā)逸出,則聚丙烯纖維對抗折強(qiáng)度所起的作用將消失,特別是纖維揮發(fā)會在混凝土中引入一定數(shù)量的孔道,因此對混凝土的抗折強(qiáng)度不利。在200-400℃范圍內(nèi),混凝土由于受到高溫的作用,內(nèi)部蒸汽壓急劇增加,基準(zhǔn)混凝土(JF)中由于沒有纖維揮發(fā)時形成的孔道,所以抗折強(qiáng)度急劇降低。到溫度升高到一定程度時,纖維揮發(fā)殆盡,導(dǎo)致HF,PF,HPF與JF的抗折強(qiáng)度隨溫度的變化趨同。
 
       
2。2 混雜纖維對高溫下混凝土抗壓強(qiáng)度的影響
 
    從圖3可以看出,jF,PF常溫下的抗壓強(qiáng)度相差不大,HF, F的抗壓強(qiáng)度高于JF,約為15%左右。隨著溫度升高,JF,PF。HF, F抗壓強(qiáng)度的變化趨勢相同,而且抗壓強(qiáng)度降低的速度也相差不大。
 
   
 
2。3 混雜纖維對高溫下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響
 
    由圖4可知,在常溫下,JF,PF常溫下的劈裂抗拉強(qiáng)度相差不大,HF,HPF的劈裂抗拉強(qiáng)度高于JF,約為20%左右。當(dāng)溫度升高到800℃ 時,JF,PF的劈裂抗拉強(qiáng)度剩余率約為10%左右,而HF,HPF的剩余率約為20%左右。
 
    產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是,由于鋼纖維的存在,提高了高溫下混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度剩余率,由此可以看出,摻加鋼纖維可以提高 昆凝土高溫后的抗拉性能。
 
       
 
2。4 混雜纖維對混凝土抗爆裂性能的影響
 
    圖5,6分別800℃及1000℃下,混雜纖維及聚丙烯纖維改善混凝土抗爆裂性能對比圖。
 
       
 
       
 
    從圖5,6可知摻有聚丙烯纖維及混雜纖維混凝土的抗爆裂性能明顯優(yōu)于不摻纖維及只摻鋼纖維的混凝土。
 
3 混雜纖維改善混凝土高溫性能的機(jī)理探討
 
    一般認(rèn)為混凝土受熱爆裂的過程,就是混凝土中水分從混凝土內(nèi)部逸出的過程。隨著溫度的升高,混凝土強(qiáng)度損失的速率增加,600℃時強(qiáng)度會損失50%,800℃ 時強(qiáng)度損失在80%左右。對于高強(qiáng)度混凝土,由于其密實(shí)度高,孔隙率低,蒸發(fā)通道不暢,使水不能足夠快地逸出,從而產(chǎn)生幾乎達(dá)到飽和蒸汽壓的過高蒸汽分壓,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土抗張強(qiáng)度,導(dǎo)致混凝土不能抵御這種過大的內(nèi)部壓力而發(fā)生爆裂,水的熱動力學(xué)也表明,孔中壓力增加將導(dǎo)致表面保護(hù)層的爆炸性破壞。
 
    高性能混凝土加入混雜纖維后,情況發(fā)生了變化。當(dāng)溫度為180℃,混凝土還處于自蒸階段時,內(nèi)部壓力還不大,由于聚丙烯纖維的熔點(diǎn)極低,在該溫度下已經(jīng)熔化,但因其液態(tài)體積遠(yuǎn)小于固態(tài)所占空問,于是形成眾多小孔隙,并由于聚丙烯纖維分散的均勻性及纖維細(xì)小而量又多,使得混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,孔隙的連通性加強(qiáng),為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了通道,也就緩解了由于水分膨脹所形成的分壓,使內(nèi)部壓力大大降低,從而防止了爆裂的產(chǎn)生。此外,混凝土中加入的鋼纖維卻能發(fā)揮其抗拉作用,當(dāng)溫度達(dá)到450℃時,雖異形鋼纖維與混凝土問的粘結(jié)力將降低20%以上,但在一定程度上仍對混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展起約束作用,這就使得混凝土完整性在一定程度上仍能保持。并使得混凝土強(qiáng)度的降低幅度不大,高溫后仍有較高的強(qiáng)度,但混凝土的耐久性則由于混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的改變而大大降低。
 
4 結(jié)論
 
    (1)在高溫下,混雜纖維能有效地阻止混凝土產(chǎn)生爆裂,并能較好地保持混凝土的完整性。高溫后仍能承受較高荷載,在800℃高溫下,混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率為10%左右;劈裂抗拉強(qiáng)度剩余率為20%左右。
 
    (2)高溫下,混雜纖維混凝土中聚丙烯纖維熔化后留下若干孔洞,形成高壓蒸汽的排出通道,阻止了爆裂的產(chǎn)生,但也因此削弱了混凝土強(qiáng)度,并形成了外部介質(zhì)入侵的連通性通道,從而大大降低了混凝土的耐久性。
 
    (3)在溫度超過一定范圍時,基準(zhǔn)混凝土與混雜纖維混凝土的抗折性能變化趨勢一致。
 
    (4)混雜纖維混凝土可用于有防火要求的重要結(jié)構(gòu)中,并對火后鋼筋繼續(xù)起到保護(hù)作用,擴(kuò)大了高性能混凝土的應(yīng)用范圍。
 
 
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