低碳超高強(qiáng)石渣混凝土的抗火性能研究

陳國燦

(1.中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,長沙 410075;2.莆田學(xué)院土木建筑工程學(xué)系,福建 莆田 351100)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,我國火災(zāi)次數(shù)明顯增加, 火災(zāi)損失越來越大.據(jù)統(tǒng)計(jì),從2000年1月至2009年2月,全國共發(fā)生火災(zāi)172.68萬起.其中死亡19 843人,傷23 601人,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到90.163億元[1].嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢已引起政府及社會(huì)各界的廣泛關(guān)注.以人為本的防災(zāi)策略的實(shí)施,促使人們經(jīng)常思索:如何預(yù)防建筑火災(zāi)的發(fā)生、減少建筑火災(zāi)的損失,防止建筑物火災(zāi)條件下出現(xiàn)局部倒塌甚至整體倒塌,從而避免諸如衡陽“11·3”火災(zāi)倒塌事故這一類的悲劇重演的問題.

混凝土抗火性能理論就是在這樣的背景下受到廣泛關(guān)注并得到了迅猛的發(fā)展[2-3],迄今國內(nèi)外的學(xué)者專家在普通混凝土和高強(qiáng)混凝土及構(gòu)件的抗火性能等方面做了許多理論分析與試驗(yàn)研究工作,取得了富有成效的研究成果[4-8],但超高強(qiáng)混凝土在火災(zāi)條件下的抗火性能研究則十分匱乏.

超高強(qiáng)混凝土具有比強(qiáng)度大、耐久性好、消耗的資源少等優(yōu)點(diǎn),受到了前所未有的關(guān)注[8-11],已被列入“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究”課題申請指南予以重點(diǎn)資助.然而,由于超高強(qiáng)混凝土的低滲透性,在高溫下爆裂的風(fēng)險(xiǎn)更大,因此超高強(qiáng)混凝土高溫下、高溫后的抗火性能研究理應(yīng)格外受到重視,但迄今還少有人問津[11].

低碳超高強(qiáng)石渣混凝土是作者以低至350 kg·m-3的水泥消耗量自主研發(fā)的強(qiáng)度超過130 MPa的新型環(huán)境友好型混凝土,可有效地解決水泥用量大引發(fā)的混凝土自收縮偏大等技術(shù)難題.本文以溫度、纖維類型為試驗(yàn)參數(shù),研究低碳超高強(qiáng)石渣混凝土的抗火性能,揭示其高溫后的力學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律,為進(jìn)一步研究超高強(qiáng)石渣混凝土構(gòu)件的抗火性能奠定基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)原材料

a. 膠凝材料.采用福建紫金集團(tuán)有限公司的“紫金”牌42.5 R普通硅酸鹽水泥,28 d的抗壓強(qiáng)度為43.6 MPa.

b. 摻合料.粉煤灰采用福建省漳州益材粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰;偏高嶺土采用天津民營企業(yè)的產(chǎn)品;硅粉采用西寧聯(lián)福工貿(mào)有限公司出品的微硅粉.

c.纖維.聚丙烯纖維選用北京中紡纖建科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的專門用于砂漿、混凝土的“凱泰(CTA)”改性聚丙烯纖維;鋼纖維采用江西省贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的浪形圓絲鋼纖維.

d. 高效減水劑.采用福建建筑科學(xué)研究院外加劑廠生產(chǎn)的TW-PS聚羧酸高效減水劑,減水率約為25%.

e. 試驗(yàn)用水.使用經(jīng)過混凝土磁化水增強(qiáng)器磁化后的自來水.

f.骨料.粗骨料采用莆田本地的花崗巖碎石;細(xì)骨料采用福建省莆田本地產(chǎn)花崗巖石渣,實(shí)測細(xì)度模數(shù)為3.5.

2 試驗(yàn)方法

試塊的制作在福建省莆田學(xué)院土木工程試驗(yàn)中心完成,高溫試驗(yàn)則在中南大學(xué)土木建筑學(xué)院火災(zāi)試驗(yàn)室進(jìn)行.

2.1 試塊的制作與養(yǎng)護(hù)

采用“硅酸鹽水泥+活性礦物摻合料+高效減水劑”的技術(shù)路線,并采用磁化水混凝土技術(shù),通過試驗(yàn)室試配,確定超高強(qiáng)石渣混凝土的配合比,見表1.

表1 低碳超高強(qiáng)石渣混凝土的配合比

混凝土拌合物攪拌后,分三次裝入100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)模內(nèi),并在ZHDG-80混凝土磁力振動(dòng)臺上振動(dòng)成型.

試塊成型后立即覆蓋塑料薄膜;24 h后拆模,并用塑料袋包裹密封并置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)絕濕養(yǎng)護(hù).24 d后裝箱托運(yùn)到長沙進(jìn)行抗火性能試驗(yàn).

2.2 加熱制度

超高強(qiáng)石渣混凝土試塊利用中南大學(xué)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室的箱形電阻爐(型號為SX212212，如圖1所示)進(jìn)行升溫,設(shè)計(jì)加熱工況為150、250、400、 550、700、850、960 ℃ ,不過實(shí)施過程中根據(jù)實(shí)際情況作了相應(yīng)的調(diào)整.高溫爐的升溫曲線如圖2所示,并與國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線比較.試塊升溫、恒溫持續(xù)4 h后,關(guān)閉電源,敞開爐門,3 h后取出試塊, 在室內(nèi)靜置2 d,再進(jìn)行力學(xué)性能測試.

2.3 加載制度

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GB/T50081-2002,采用連續(xù)均勻地施加荷載,混凝土強(qiáng)度等級>C60時(shí),加荷速度取0.8～1.0 MPa·s-1.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加熱及冷卻后的現(xiàn)象

混凝土試塊由常溫開始按8個(gè)溫度等級加熱至960 ℃,物理狀態(tài)逐漸發(fā)生變化,經(jīng)受不同溫度作用后的表觀特征見表2及圖3(a～j)所示.

圖1 加熱試驗(yàn)裝置

圖2 升溫曲線

表2高溫后試塊的表觀特征

Table 2 Phenomenal characteristics of specimens after fire

編 號配比溫度/℃高溫冷卻后砼表面狀況、顏色F03 F04A3150顏色幾乎不變,表面字跡清晰,無裂縫、無缺角凹陷F17 F18C3150同上F33 F34St7150同上F05 F06A3250外觀呈暗灰色,少量缺角、凹陷F19 F20C3250外觀呈暗灰色,表面無裂、縫無缺角及凹陷F35 F36St7250外觀呈暗灰色,表面無裂縫、無缺角及凹陷F21 F22C3400外表稍泛白,表面無裂縫,無缺角及凹陷F07 F08A3400粉碎性爆裂F37 F38St7400粉碎性爆裂F23 F24C3550外表呈灰色,表面有不規(guī)則的細(xì)裂縫,但不是十分明顯,個(gè)別凹陷,表面字跡清晰F25 F26C3700外表呈灰白色,表面有較多可見的裂縫,表面字跡依稀可見,個(gè)別缺角F27 F28C3850外表呈暗紅色,少量凹陷、缺角、表面字跡消失F29 F30C3960外表呈紅色,缺角,表面龜裂,有幾條較寬的裂縫

圖3 超高強(qiáng)石渣混凝土高溫后的破壞模式

a. 超高強(qiáng)石渣混凝土的現(xiàn)象與分析.試驗(yàn)現(xiàn)象觀察表明, 超高強(qiáng)石渣混凝土試塊經(jīng)受250 ℃高溫后出現(xiàn)缺角、凹陷(如圖3(b)中的F05),當(dāng)溫度接近400 ℃時(shí), 從爐內(nèi)傳出試塊爆裂的響聲,試塊發(fā)生粉碎性爆裂(如圖3(c)).

究其原因,是因?yàn)槌邚?qiáng)石渣混凝土的滲透性能比較差,在升溫過程中水蒸汽的逸出嚴(yán)重受阻,引起蒸汽壓急劇升高,當(dāng)蒸汽壓力產(chǎn)生的混凝土應(yīng)變疊加上由溫度差產(chǎn)生的應(yīng)變超過其極限拉應(yīng)變時(shí),就會(huì)造成混凝土表面剝落或爆裂,因此超高強(qiáng)石渣混凝土高溫下的抗爆裂性能比較差.

b. 摻鋼纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的現(xiàn)象與分析.摻鋼纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土試塊經(jīng)過250 ℃的高溫作用后未出現(xiàn)缺角、凹陷現(xiàn)象(如圖3(b)中的F36等),但在400 ℃的高溫下仍發(fā)生粉碎性破壞,高溫爆裂后產(chǎn)生的混凝土碎塊的大小、形狀各異,斷面處石子、鋼纖維、水泥石清晰可見，圖3(d).

究其原因,是因?yàn)殇摾w維的熱傳導(dǎo)系數(shù)較大,在溫度急劇變化的過程中,鋼纖維的摻入在一定程度上可以降低混凝土內(nèi)的溫度梯度及由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,減輕內(nèi)部損傷.因此,與超高強(qiáng)石渣混凝土相比,摻入鋼纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的抗爆裂性能稍好.

但是,由于摻鋼纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的低滲透性,在加熱過程中產(chǎn)生的水蒸汽缺乏快速逸出的通道,在400 ℃左右的高溫下,蒸汽壓力在混凝土內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)變超過其極限拉應(yīng)變時(shí),混凝土發(fā)生爆裂.因此,在超高強(qiáng)石渣混凝土中摻入鋼纖維不能顯著地改善超高強(qiáng)石渣混凝土高溫下的抗爆裂性能.

c. 摻聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的現(xiàn)象與分析.

①試驗(yàn)現(xiàn)象.摻聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土當(dāng)加熱至380 ℃時(shí)爐內(nèi)開始冒出蒸汽,加熱至420 ℃時(shí)傳出第一聲響, 450 ℃時(shí)逸出刺激性汽味;至470 ℃時(shí)冒出的水蒸汽逐漸增加,同時(shí)爐內(nèi)傳出的聲響也逐漸增多,至560 ℃左右時(shí)有大量的水蒸汽逸出,至680 ℃之后逸出的水蒸汽逐漸減少,至710 ℃左右時(shí)基本停止,至730 ℃左右時(shí)傳出最后一聲響,隨即冒出蒸汽.

摻入聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土經(jīng)過高溫作用4 h后的表觀特征見表2 和 圖3(e～i).

②與普通混凝土高溫后的破壞形態(tài)比較.據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[2],普通混凝土經(jīng)受800 ℃以上的高溫后,在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試塊已經(jīng)破碎,或者從爐內(nèi)取出時(shí)已經(jīng)破碎,難于成形[2];而摻聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土試塊在經(jīng)受850 ℃高溫作用4 h后受壓破壞的形態(tài)與普通混凝土高溫后的破壞形態(tài)截然不同:上下端面受到承壓板的約束,基本上無破壞癥狀,而側(cè)面的混凝土雖破裂,脫落,但基本上還是成比較完整的正倒角錐狀(見圖3(j)).

③與鋼管組合后的抗爆裂性能.內(nèi)置不同類型混凝土的鋼管混凝土柱高溫后的破壞形態(tài)對比見圖4.

注:高溫作用時(shí)間均為4 h.溫度800 ℃

觀察表明,鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土經(jīng)過800 ℃高溫作用4 h后,裸露的混凝土表面受火爆裂,凹陷深度約35 mm(見圖4(b));而鋼管聚丙烯纖維超高強(qiáng)石渣混凝土柱經(jīng)受相同的高溫作用4 h后,裸露的混凝土表面只出現(xiàn)屈指可數(shù)的宏觀裂紋,爆裂現(xiàn)象得到有效的抑制,顯示出較好的抗爆裂性能(見圖4(a)).

綜上所述,在超高強(qiáng)石渣混凝土中摻入聚丙烯纖維后可以顯著地改善其抗爆裂性能,其抗火性能優(yōu)于普通混凝土的抗火性能.

④聚丙烯纖維超高強(qiáng)石渣混凝土抗爆裂機(jī)理分析.在超高強(qiáng)石渣混凝土中摻入聚丙烯纖維后,之所以能改善超高強(qiáng)石渣混凝土的抗爆裂性能,是因?yàn)榫郾├w維的熔點(diǎn)低,在高溫下,無數(shù)的聚丙烯纖維熔化揮發(fā)后在混凝土內(nèi)部形成三向隨機(jī)分布的小孔隙,為高壓蒸汽的外逸提供通道,這大大降低了內(nèi)部的蒸汽壓力,從而防止超高強(qiáng)石渣混凝土爆裂的發(fā)生.

3.2 高溫后超高強(qiáng)石渣混凝土的力學(xué)性能

高溫后超高強(qiáng)石渣混凝土、摻聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土、摻鋼纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3,其高溫后相對抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見圖5.

一般情況下,普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土受火后抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而衰減[2],從表3和圖5中不難得出如下結(jié)論,超高強(qiáng)石渣混凝土高溫后具有迥然不同于普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的力學(xué)特性.

表3 試驗(yàn)結(jié)果一覽表

圖5 高溫后超強(qiáng)石渣混凝土相對抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

a. 超高強(qiáng)石渣混凝土受高溫作用后,由于石子與水泥石的膨脹系數(shù)不同,溫度變形差隨著溫度的升高不斷增大,在界面上形成裂縫并不斷擴(kuò)展[2],混凝土的抗壓能力逐漸被削弱;另一方面,由于超高強(qiáng)石渣混凝土中礦物摻合料所占的比例較大(約為膠凝材料總量40%),在高溫、高壓環(huán)境中礦物摻合料的活性得到了有效的激發(fā),火山灰反應(yīng)加速進(jìn)行,游離的二氧化鈣數(shù)量進(jìn)一步減少,低堿性的水化硅酸鈣數(shù)量進(jìn)一步提高,水泥石與粗骨料之間的界面結(jié)構(gòu)得以進(jìn)一步的改善,混凝土材料抵抗破壞的能力不斷增強(qiáng),彼消此長,在混凝土爆裂之前,增強(qiáng)效應(yīng)大于被削弱的效應(yīng),因此,高溫后超高強(qiáng)石渣混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)增長的趨勢:

①溫度在250 ℃之前,抗壓強(qiáng)度增長緩慢,150、250 ℃時(shí)的強(qiáng)度分別是常溫時(shí)的1.05、1.09倍 ;②溫度在250 ℃至280 ℃之間時(shí)增幅較大,280 ℃時(shí)達(dá)到常溫時(shí)的1.33倍;③溫度在280 ℃至360 ℃增幅減小,320、360 ℃時(shí)分別是常溫時(shí)的1.38倍、1.47倍.

b. 在超高強(qiáng)石渣混凝土中摻入鋼纖維后,由于鋼纖維的影響,及高溫環(huán)境中活性礦物摻料的增強(qiáng)效應(yīng)與高溫下混凝土材料的損傷效應(yīng)的疊加,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律與超高強(qiáng)石渣混凝土的有所差別:

①在溫度達(dá)到250 ℃之前,抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律與超高強(qiáng)石渣混凝土的基本相似;②溫度升至250 ℃至320 ℃之間時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅加大,250 ℃時(shí)是常溫時(shí)的1.09倍,280 ℃時(shí)達(dá)到常溫時(shí)的1.20倍,320 ℃時(shí)增至常溫時(shí)的1.33倍;③溫度從320 ℃升至360 ℃時(shí),強(qiáng)度有所下降,但360 ℃時(shí)仍比常溫下的抗壓強(qiáng)度高出8.4%;

c. 摻入聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土在升溫過程中,由于蒸汽的外逸通道基本通暢,內(nèi)部的蒸汽壓力不高,在高溫低壓的環(huán)境中混凝土摻合料的活性得到有限度的激發(fā),材料抵抗破壞的能力略有增強(qiáng),與高溫下混凝土材料的損傷效應(yīng)的疊加,導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律顯示其自身的特點(diǎn):

①溫度低于400 ℃時(shí),摻聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的抗壓強(qiáng)度緩慢增長, 250 ℃時(shí)僅比常溫下的抗壓強(qiáng)度高出2.0%;在400 ℃時(shí)達(dá)到峰值,僅為常溫時(shí)的1.07倍.

②在同樣高的溫度下,摻聚丙烯纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的抗壓強(qiáng)度增長幅度小于超高強(qiáng)石渣混凝土的.

③超過400 ℃之后,由于水泥的水化物氫氧化鈣等脫水,體積膨脹[2],材料抵抗破壞的能力被進(jìn)一步削弱,造成混凝土強(qiáng)度下降的幅度大于因礦物摻合料在高溫低壓的環(huán)境引起的混凝土強(qiáng)度提高的幅度,因此,溫度升至400 ℃后,混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)隨著溫度的升高而降低的趨勢,至550 ℃時(shí),抗壓強(qiáng)度為常溫時(shí)的97.7%.

④溫度達(dá)到700 ℃之后,隨著溫度的升高,混凝土界面上的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,內(nèi)部的損傷不斷累積,材料抵抗破壞的能力急劇下降,因此,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而迅速下降,至700 ℃時(shí)為常溫時(shí)的74.1%,至850 ℃僅為常溫時(shí)的27.5%,至960 ℃時(shí)只有常溫下的12.1%.

4 結(jié) 語

通過低碳超高強(qiáng)石渣混凝土的抗火性能試驗(yàn),可以得出如下結(jié)論:

a. 纖維類型對超高強(qiáng)石渣混凝土的抗爆裂性能有著顯著的影響:①未摻入任何纖維的超高強(qiáng)石渣混凝土的抗火性能極差;②鋼纖維的摻入不能從根本上改善超高強(qiáng)石渣混凝土的抗爆裂性能;③將低熔點(diǎn)的聚丙烯纖維摻入超高強(qiáng)石渣混凝土后,可以顯著地改善其抗爆裂性能,顯示出優(yōu)于普通混凝土、高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土的抗火性能.

b. 超高強(qiáng)石渣混凝土中由于摻入比普通混凝土、高強(qiáng)混凝土、高性強(qiáng)混凝土多的活性礦物摻合料,在高溫的環(huán)境中這些活性摻合料的活性得以激發(fā),材料抵抗破壞的能力比它們的高,因此高溫后超高強(qiáng)石渣混凝土顯示出與普通混凝土、高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土迥然不同的特性:①素超高強(qiáng)石渣混凝土試塊在發(fā)生粉碎性破壞之前,抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而增大,360 ℃時(shí)強(qiáng)度達(dá)到157.6 MPa,是常溫時(shí)的1.47倍;②鋼纖維超高強(qiáng)石渣混凝土在溫度低于320 ℃時(shí),抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢,320 ℃時(shí)達(dá)到最大值184.3 MPa,是常溫下的1.33倍;之后強(qiáng)度有所下降,但360 ℃時(shí)仍比常溫下的抗壓強(qiáng)度高出8.4%;③聚丙烯纖維超高強(qiáng)石渣混凝土的抗壓強(qiáng)度在400 ℃之前;隨溫度的升高緩慢增長,在400 ℃時(shí)達(dá)到峰值,為常溫時(shí)的1.07倍.之后便隨溫度的升高而降低.

致謝

本文是在中南大學(xué)土建學(xué)院博士生導(dǎo)師徐志勝教授的指導(dǎo)下完成的,楊智碩博士生、莆田學(xué)院的楊挺、陳炳鑫、陳楠、童遠(yuǎn)超等同學(xué)參與了試件的制作;此外,學(xué)報(bào)編輯和審稿專家也提出了中肯的修改意見,在此謹(jǐn)致以誠摯的謝意.

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