溫度對(duì)C50纖維混凝土力學(xué)性能的影響

王 艷，龐二波，張恒春，楊 龍，岳健男

(中建商品混凝土有限公司，湖北武漢430074)

大體積混凝土澆筑成型后，水泥水化產(chǎn)生大量熱能引起混凝土溫度升高，由于混凝土的傳熱性能低，聚集在混凝土內(nèi)的熱能不易擴(kuò)散，相對(duì)形成外冷內(nèi)熱的一個(gè)溫度梯度.隨著水泥水化的進(jìn)行，混凝土溫度逐漸升高，體積膨脹，一般為3～5 d內(nèi)部溫度達(dá)到峰值.隨后混凝土內(nèi)部熱量逐步向外擴(kuò)散，溫度逐漸降低［1］.工程實(shí)踐表明，水泥水化熱引起的溫度升高值一般在15～30℃，有些情況下甚至可能達(dá)到50 ～60 ℃［2］.

高強(qiáng)度混凝土由于水化熱產(chǎn)生的高溫對(duì)于混凝土強(qiáng)度發(fā)展有很大的影響.有資料報(bào)導(dǎo)［3］，由于水化熱的影響，1 d齡期的小試件強(qiáng)度可比實(shí)際大尺寸構(gòu)件中的強(qiáng)度低50%，而28 d齡期的小試件強(qiáng)度則可比實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度高30%.因此，結(jié)合武漢某大體積纖維混凝土墻體工程溫度實(shí)測(cè)曲線，開(kāi)展聚丙烯纖維耐高溫高堿試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)不同溫度作用對(duì)纖維混凝土的力學(xué)性能影響，為大體積纖維混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能評(píng)定打下基礎(chǔ).

1 配合比及溫度監(jiān)測(cè)曲線

1.1 配合比

原材料中粉料體系為:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;II級(jí)粉煤灰，細(xì)度14%，燒失量6%，需水量比98%;S95 礦粉，比表面積410 m2/kg，密度2.78 kg/m3，28 d活性指數(shù)98%;細(xì)集料為:細(xì)度模數(shù)為2.6～2.8的中粗河砂;粗集料為5.0～31.5 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石;外加劑為聚羧酸高效減水劑，固含量10%，減水率18%;自來(lái)水;聚丙烯纖維.

設(shè)計(jì)C50(60 d強(qiáng)度評(píng)定)纖維混凝土為泵送施工配合比，試驗(yàn)坍落度180～220 mm，擴(kuò)展度≥500 mm.由大量試驗(yàn)確定其配合比見(jiàn)表1.

表1 C50纖維混凝土配合比 kg/m3

1.2 溫度監(jiān)測(cè)曲線

以C50纖維混凝土應(yīng)用工程——武漢市協(xié)和醫(yī)院腫瘤中心醫(yī)用直線加速器機(jī)房超厚墻體為依托，進(jìn)行了混凝土墻體溫度監(jiān)測(cè)，考察大體積墻體混凝土溫升規(guī)律，并以實(shí)測(cè)溫度為媒介，模擬實(shí)測(cè)溫度對(duì)C50大體積纖維混凝土力學(xué)性能的影響.5#—9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)曲線如圖1所示.

實(shí)測(cè)曲線包含1#—9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，僅提取5#—9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)曲線.5#—9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為混凝土墻體較厚部位，圖1中所示監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于墻體寬度(厚度)和高度的中心部位.

圖1 5#—9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)曲線

由圖1可見(jiàn)，本次監(jiān)測(cè)區(qū)域中，溫度監(jiān)測(cè)最高點(diǎn)為8#測(cè)點(diǎn)，自混凝土澆筑開(kāi)始約3 d齡期達(dá)到溫度最高值，約為64℃，由膠凝材料水化放熱引起的最大溫升約為41℃;5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度最高值處于50～65℃范圍內(nèi).

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，模擬大體積混凝土的內(nèi)部溫度和齡期的共同作用，設(shè)計(jì)試驗(yàn)內(nèi)容:①對(duì)聚丙烯纖維進(jìn)行高溫高堿處理，將處理后的纖維與未處理的纖維進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，對(duì)比處理前后聚丙烯纖維自身力學(xué)性能差異;②對(duì)纖維進(jìn)行高溫高堿浸泡處理，分別將處理與未處理的纖維依據(jù)表3配合比摻入混凝土中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，對(duì)比處理前后纖維的摻入對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響;③對(duì)配制的C50纖維混凝土分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、35℃、50℃和65℃濕熱養(yǎng)護(hù)，模擬不同溫度下隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律的差異，判斷溫度與齡期對(duì)C50纖維混凝土力學(xué)性能的影響.

2.2 試驗(yàn)方法

取一份聚丙烯纖維在室溫下浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH(2.5 mol/L)溶液中，浸泡時(shí)長(zhǎng)24 h，然后將盛放有NaOH溶液(包括浸泡的纖維)的容器密封置于烘箱中，調(diào)整溫度從室溫緩慢穩(wěn)步升至65℃，關(guān)閉烘箱使浸泡有纖維的溶液在烘箱中緩慢冷卻至室溫.將浸泡過(guò)的纖維用清水沖洗多次，再將沖洗過(guò)的纖維在清水中浸泡24 h，用pH試紙檢測(cè)浸泡液的pH值顯示為中性后，取出纖維在室內(nèi)自然晾干.另取一份聚丙烯纖維，不作任何處理.將處理和未處理的纖維進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測(cè)，直觀對(duì)比纖維經(jīng)高溫高堿處理后性能的差異;將處理和未處理的纖維按表3分別摻入配合比中，對(duì)比處理前后纖維對(duì)C50混凝土力學(xué)性能的影響;將未進(jìn)行高溫高堿處理的纖維按表3摻入配合比中制作試塊，待拆模后用保鮮膜密封試塊置于混凝土快速養(yǎng)護(hù)箱，分別在設(shè)定溫度下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)執(zhí)行.混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量試件150 mm×150 mm×300 mm，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件150 mm×150 mm×150 mm.

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維耐高溫高堿性能

聚丙烯纖維的熔點(diǎn)為120～180℃，較高的耐化學(xué)腐蝕性［4］，采用加速方式模擬大體積混凝土內(nèi)部溫度和堿性環(huán)境對(duì)聚丙烯纖維穩(wěn)定性和耐腐性做出評(píng)價(jià)，并試驗(yàn)確定高溫高堿處理后纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響.表2為高溫高堿處理前后纖維物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果;表3為纖維摻入處理前后混凝土配合比的力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果.

表2 纖維物理力學(xué)性能

表3 混凝土力學(xué)性能

從表2中可見(jiàn)，聚丙烯纖維經(jīng)歷高溫高堿處理后，纖維自身的劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有小幅度下降，降低率約為未浸泡纖維的10%，斷裂延伸率約降低13%.表3表明，聚丙烯纖維在經(jīng)歷高溫高堿處理后，按表3配合比摻入，所得混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與未經(jīng)處理的纖維混凝土相比，同齡期的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)差異.抗壓強(qiáng)度最大差異發(fā)生在56 d齡期，處理后的抗壓強(qiáng)度比未處理的高0.7 MPa，處理后的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度比未處理的低0.3 MPa.

由表3和表2可知，經(jīng)歷高溫高堿處理后，聚丙烯纖維自身力學(xué)性能有所損失，但摻入表3所列C50混凝土配合比中，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度差異極小，差異率在未處理試塊強(qiáng)度的3%之內(nèi)，可判定聚丙烯纖維在經(jīng)歷高溫高堿處理后，摻入表3所列C50混凝土配合比中，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度無(wú)不良影響.

3.2 溫度作用下力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律

3.2.1 軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量結(jié)果與分析

圖2為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律;圖3為35℃，50℃和65℃養(yǎng)護(hù)下軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律;圖4為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下彈性模量增長(zhǎng)規(guī)律;圖5為35℃，50℃和65℃養(yǎng)護(hù)下彈性模量的增長(zhǎng)規(guī)律.

從圖2和圖3中可見(jiàn):標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下軸心抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)減緩，14 d齡期前曲線切線斜率大，軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14～28 d曲線切線斜率變小，軸心抗壓強(qiáng)度下的增長(zhǎng)緩慢，趨于穩(wěn)定;不同養(yǎng)護(hù)溫度下軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的增長(zhǎng)規(guī)律差異明顯，在1～7 d齡期內(nèi)，35℃，50℃溫度養(yǎng)護(hù)下，軸心抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的線性增長(zhǎng)規(guī)律;65℃溫度養(yǎng)護(hù)下，軸心抗壓強(qiáng)度雖然也表現(xiàn)出一定的線性增長(zhǎng)規(guī)律，但是斜率較小;65℃溫度養(yǎng)護(hù)下1 d齡期的軸心抗壓強(qiáng)度達(dá)到30 MPa以上，約為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d軸心抗壓強(qiáng)度的90%以上，2～4 d齡期軸心抗壓強(qiáng)度相對(duì)于1 d僅增長(zhǎng)了5 MPa左右，增長(zhǎng)幅度極小.

由圖4和圖5可見(jiàn)，無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或不同溫度養(yǎng)護(hù)，混凝土彈性模量增長(zhǎng)規(guī)律與軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律基本一致，不再贅述.

3.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果與分析

圖6為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律;圖7為不同養(yǎng)護(hù)溫度下劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律.

圖6 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律

從圖6中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d之前，劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展較快.1 d時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度為1.1 MPa，14 d 時(shí)達(dá)到 3.3 MPa，增長(zhǎng)明顯;14 d 之后，增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，趨于穩(wěn)定，28 d時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.8 MPa，較 14 d 齡期的僅增長(zhǎng)0.5 MPa.

由圖7可見(jiàn)，35℃，50℃溫度作用下劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與軸心抗壓強(qiáng)度同中有異.5 d齡期內(nèi)劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)與軸心抗壓強(qiáng)度相似，呈近似線性發(fā)展，35℃溫度作用的劈裂抗拉強(qiáng)度在5 d齡期后出現(xiàn)增長(zhǎng)拐點(diǎn)，曲線切線斜率增大，劈裂抗拉強(qiáng)度仍有一定增長(zhǎng)空間;35℃，50℃和65℃養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度分別為1.2 MPa，1.4 MPa和2.8 MPa，65 ℃溫度作用下1 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度即達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的70%以上;65℃溫度作用下3 d齡期內(nèi)劈裂抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)增長(zhǎng)，3～4 d齡期出現(xiàn)劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)拐點(diǎn)，4 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度3.5 MPa較3 d齡期增長(zhǎng)14%.

3.2.3 溫度－力學(xué)性能增長(zhǎng)率分析

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)值定為參考值，分析35℃，50℃和65℃溫度作用下1～4 d齡期相應(yīng)力學(xué)參數(shù)的增長(zhǎng)率.表4為溫度－力學(xué)性能增長(zhǎng)率.

表4 溫度－力學(xué)性能增長(zhǎng)率 %

從表4中可見(jiàn)，1～4 d齡期內(nèi)，35℃和50℃溫度作用下，軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率差異在25%以?xún)?nèi)，65℃溫度作用下力學(xué)性能指標(biāo)發(fā)展規(guī)律出現(xiàn)突變，軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度1 d齡期增長(zhǎng)率分別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的97%，74%，74%;65℃溫度作用下4 d齡期的軸心抗壓強(qiáng)度已超出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的19%，而彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度則低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)低15%和8%.這可能與纖維所處的混凝土內(nèi)部堿環(huán)境及溫度環(huán)境有關(guān)，引起纖維自身力學(xué)性能一定程度的損失從而對(duì)混凝土的某些力學(xué)性能產(chǎn)生影響.從劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)看出仍有一定的增長(zhǎng)空間，而彈性模量的降低，對(duì)緩解變形，降低大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)有利.

4 結(jié)語(yǔ)

1)聚丙烯纖維在10%濃度的NaOH溶液中浸泡24 h且經(jīng)歷室溫—65℃—室溫循環(huán)，纖維自身力學(xué)性能下降約10%，但摻入混凝土中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度無(wú)不良影響.

2)不同養(yǎng)護(hù)溫度力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律差異明顯，尤其在65℃溫度作用下，1 d齡期的軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的97%，74%和74%.因此，大體積混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定需考慮水化溫度作用.

3)65℃較高溫度養(yǎng)護(hù)4 d齡期時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度高出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的19%，彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);3 d齡期后軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量發(fā)展趨于穩(wěn)定，劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)拐點(diǎn)，但仍有一定的增長(zhǎng)空間.

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