低坍落度聚丙烯纖維混凝土的高溫后性能研究

李 兵, 林煜期, 王 宏, 董毓利

(1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, ?？?570228； 2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院, 廈門 362021)

摻量在0.2%以內(nèi)的聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PPF)混凝土具有施工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、抗火性能較好的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑工程中[1]。近年來(lái)的研究表明,通過(guò)向混凝土中摻入纖維對(duì)其性能有明顯改善,并對(duì)消除或減緩混凝土的高溫爆裂作用顯著。李兆林等[2]通過(guò)對(duì)聚丙烯纖維水泥混凝土的性能研究發(fā)現(xiàn),聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度、韌性均有不同程度的改善?？紫榍宓萚3]對(duì)摻入聚丙烯-玄武巖混雜纖維的再生混凝土進(jìn)行了高溫性能研究,結(jié)果顯示混凝土高溫后的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高先增大后減小。Kodur等[4]進(jìn)行了聚丙烯纖維混凝土的高溫性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)摻入聚丙烯纖維能明顯提高其高溫后的殘余強(qiáng)度。

已有PPF混凝土高溫性能研究的文獻(xiàn)中,研究對(duì)象主要為高性能混凝土(50～100 MPa)[5-7]、普通混凝土[8-9],針對(duì)低坍落度混凝土的研究文獻(xiàn)基本沒有涉及。低坍落度混凝土具有穩(wěn)定性和整體性好,在水泥用量較少情況下可以獲得較高強(qiáng)度,但缺點(diǎn)是工作性較差[10]。在保證施工質(zhì)量和施工進(jìn)度的前提下,低坍落度混凝土成為高等級(jí)混凝土路面施工的首選[11]。在工業(yè)與民用建筑中現(xiàn)澆普通混凝土拌合料的坍落度一般要求較大,以便于運(yùn)輸和泵送作業(yè),低坍落度混凝土的工作性能不能滿足混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑的要求,但借助于大型振動(dòng)臺(tái),適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土振動(dòng)時(shí)間,低坍落度PPF混凝土完全可以達(dá)到普通混凝土驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此在裝配式構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。為了探索聚丙烯纖維對(duì)低坍落度混凝土高溫前后性能的強(qiáng)化效果,尋求其最佳纖維摻量與長(zhǎng)度,現(xiàn)通過(guò)選取不同PPF長(zhǎng)度和摻量的低坍落度混凝土進(jìn)行常溫下和高溫后力學(xué)性能試驗(yàn),以分析纖維對(duì)其物理和力學(xué)性能的影響,以期為后續(xù)工程應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用水泥為海南“天涯牌”P.C32.5水泥,技術(shù)指標(biāo)如表1所示；細(xì)骨料選用中砂,細(xì)度模數(shù)為2.96,表觀密度為2 705 kg/m3,級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果如表2所示；粗骨料選用澄邁產(chǎn)級(jí)配人工碎石,最大粒徑30 mm,表觀密度為2 650 kg/m3,級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果如表3所示；PPF采用長(zhǎng)度為3、9、15、19 mm的“擰強(qiáng)牌”單絲PPF,電鏡掃描顯示PPF為中空截面,直徑為80 μm,如圖1所示,PPF的力學(xué)、物理性能如表4所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)Table 1 Cement technical specifications

表2 砂級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Progression results of sand

表3 石子級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Progression results of stone

圖1 PPF截面Fig.1 The section of PPF

表4 PPF的物理與力學(xué)性能Table 4 Physical and mechanical properties of PPF

1.2 混凝土配合比及試塊制備

基準(zhǔn)混凝土和PPF混凝土采用相同的配合比,如表5所示,單位體積PPF混凝土纖維摻量包括0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5 kg/m3共8種,PPF混凝土試塊根據(jù)PPF長(zhǎng)度分成4組,分別進(jìn)行常溫下和600、800、900 ℃高溫后試驗(yàn)。為使PPF分布良好并避免結(jié)團(tuán),先加入石子、水泥和砂攪拌30 s,再加入PPF攪拌120 s,最后再加水?dāng)嚢?20 s,卸料發(fā)現(xiàn)PPF在混凝土拌合料中分布基本均勻。相對(duì)于干硬性混凝土制作需要專門加壓成型裝置,低坍落度混凝土只需改變投料順序和延長(zhǎng)攪拌時(shí)間即可制作,很適于現(xiàn)場(chǎng)和工廠化構(gòu)件預(yù)制?；炷脸隽虾笫紫葴y(cè)定坍落度,坍落度值均在20～40 mm。坍落度測(cè)定結(jié)束,混凝土迅速裝入試模,并用振搗棒密實(shí)成型,然后刮去多余拌合物,并用抹刀抹平,試件即成型。將成型試件在溫度20±3 ℃、濕度≥90%的環(huán)境中靜置24 h后拆模,拆模過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)試件的棱角部分,拆模完成后,對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記,并記錄試驗(yàn)情況,然后水中養(yǎng)護(hù)28 d。

表5 單位體積混凝土質(zhì)量配合比Table 5 Concrete mix ratio

1.3 高溫試驗(yàn)方法

高溫試驗(yàn)采用RX3箱式電阻爐進(jìn)行升溫,其電壓為380 V,輸出功率為24 kW,最高工作溫度為1 300 ℃,平均升溫速率約25 ℃/min。爐膛工作尺寸長(zhǎng)×寬×高為50 cm×40 cm×40 cm。

PPF混凝土試塊經(jīng)過(guò)28 d水中養(yǎng)護(hù)后含水率太高,極易發(fā)生高溫爆裂,需在通風(fēng)干燥環(huán)境中靜置10～15 d,使得試塊接近環(huán)境濕度后進(jìn)行高溫試驗(yàn)。具體升溫過(guò)程:升溫開始前直接將試塊放入爐膛,然后全功率輸出進(jìn)行加溫,待爐膛內(nèi)溫度升至目標(biāo)溫度后系統(tǒng)自動(dòng)恒溫120 min,然后關(guān)閉電源、打開爐門,冷卻到500 ℃以下時(shí)取出試件,然后繼續(xù)自然冷卻后再進(jìn)行加載試驗(yàn)。

1.4 測(cè)定與分析方法

1.4.1 強(qiáng)度測(cè)定

依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)[12]和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[13]規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)。

抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度通過(guò)WAW-2000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 電鏡掃描分析方法

利用EM-30PLUS掃描電鏡顯微鏡進(jìn)行常溫下和高溫后PPF混凝土的微觀結(jié)構(gòu)觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 PPF對(duì)混凝土坍落度的影響

相對(duì)基準(zhǔn)混凝土,隨著PPF摻量增加,混凝土的坍落度值均呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),這是因?yàn)镻PF與水泥膠體形成三維無(wú)序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了混凝土拌合料中各組分之間的拉接作用,阻礙了骨料的沉降和滑動(dòng),提高了混凝土的黏結(jié)性能,如圖2所示。同時(shí)PPF受到混凝土包裹會(huì)消耗掉部分水泥漿,導(dǎo)致PPF混凝土的坍落度值進(jìn)一步降低。PPF摻量增加到2.0 kg/m3及以上時(shí),拉結(jié)增強(qiáng)作用不再顯著增加,摻入不同PPF長(zhǎng)度的混凝土坍落度值均趨于穩(wěn)定。

圖2 PPF(9 mm)混凝土拌合料Fig.2 PPF (9 mm) concrete mix

圖3 常溫下不同長(zhǎng)度PPF混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of PPF concrete of different lengths at ambient temperature

2.2 常溫下PPF對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

常溫試驗(yàn)包括1組基準(zhǔn)混凝土試件和32組PPF混凝土試件,每組包括3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。

如圖3所示,常溫下PPF長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度具有顯著影響,隨所摻PPF長(zhǎng)度和摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。同摻量時(shí)摻入3、9 mm長(zhǎng)PPF的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯大于摻入15、19 mm長(zhǎng)PPF時(shí)的情況。摻量在3.0 kg/m3以內(nèi)時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度均顯著高于基準(zhǔn)混凝土(41.4 MPa)。其中摻入3 mm長(zhǎng)PPF、摻量為1.0 kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度(48.5 MPa),此時(shí)增強(qiáng)率達(dá)到17.1%,隨著PPF摻量增加強(qiáng)度開始下降,這是因?yàn)镻PF混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于PPF作為拉結(jié)約束產(chǎn)生的增強(qiáng)作用和PPF對(duì)截面削弱產(chǎn)生的減強(qiáng)作用,同時(shí)還與破裂面上PPF被拉斷比例密切相關(guān)。當(dāng)PPF長(zhǎng)度(3 mm)較短時(shí),錨固長(zhǎng)度也較短,PPF被拉斷比例較小,沒有充分發(fā)揮自身的拉結(jié)增強(qiáng)作用,但PPF數(shù)量多,分布也比較均勻,克服PPF斷裂以及PPF與混凝土基體的摩擦力仍需要較多能量,當(dāng)PPF摻量超過(guò)1.0 kg/m3時(shí),PPF對(duì)混凝土截面削弱的不利影響開始超出PPF的增強(qiáng)作用,混凝土強(qiáng)度開始下降,但下降幅度較小。

圖4 常溫下PPF混凝土破裂面Fig.4 Fracture surface of PPF concrete at ambient temperature

隨著PPF長(zhǎng)度(9 mm)增加,錨固長(zhǎng)度增大,與破裂面混凝土的摩擦力增強(qiáng),PPF被拉斷比例增加,但PPF數(shù)量減少,增強(qiáng)作用繼續(xù)下降。如圖4所示,摻入9 mm長(zhǎng)、摻量為1.0 kg/m3的PPF混凝土抗壓試塊破裂面,可見PPF多為亂向分布,這可以抑制了裂縫早期的發(fā)展,延長(zhǎng)了裂縫開裂路徑,同時(shí)PPF拉結(jié)作用可以產(chǎn)生阻裂效應(yīng),減少裂縫的數(shù)量和幾何尺度。

隨著PPF長(zhǎng)度(15、19 mm)繼續(xù)增加,破裂面上PPF被拉斷比例增加不再明顯,同時(shí)PPF過(guò)長(zhǎng)造成分散性顯著降低,強(qiáng)度難以充分利用,因此當(dāng)摻量超過(guò)0.5 kg/m3時(shí),強(qiáng)度開始下降。

2.3 高溫下PPF對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

600、800、900 ℃高溫試驗(yàn)后,基準(zhǔn)混凝土表面均出現(xiàn)裂紋,重量明顯減輕,且部分試件發(fā)生缺角現(xiàn)象。PPF混凝土試件表面裂紋相對(duì)較少,整體性保持完好,這是由于PPF融化、氣化以后,部分揮發(fā)逸出,留下有利于水蒸氣和熱量排出的孔道,使混凝土內(nèi)部孔壓力降低,同時(shí)削弱了混凝土內(nèi)部的密實(shí)性,減少了混凝土的熱膨脹,從而緩解了高溫對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的損傷。高溫后基準(zhǔn)混凝土和PPF混凝土抗壓強(qiáng)度變化情況如圖5所示。

圖5 高溫后不同長(zhǎng)度PPF混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of PPF concrete of different lengths after elevated temperatures

600、800、900 ℃后基準(zhǔn)混凝土均發(fā)生明顯劣化,強(qiáng)度大幅降低,分別只有常溫時(shí)的67.6%(28 MPa)、34.5%(14.3 MPa)和22%(9.1 MPa)；而高溫后PPF混凝土的部分強(qiáng)度數(shù)據(jù)雖然明顯波動(dòng),但整體下降趨勢(shì)顯著。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明摻入3、9 mm長(zhǎng)PPF時(shí),600 ℃后混凝土殘余強(qiáng)度明顯更高,特別是摻入15 mm長(zhǎng)PPF、摻量為0.5 kg/m3時(shí)殘余強(qiáng)度達(dá)到最大(29.8 MPa),明顯高于600 ℃后基準(zhǔn)混凝土殘余強(qiáng)度。隨著摻量增加,殘余強(qiáng)度顯著下降。這是因?yàn)镻PF在高溫下熔融、氣化,留下的孔道使混凝土空隙總體積增加,增加了混凝土內(nèi)部水汽和熱量溢出的通道,使孔內(nèi)壓力降低,從而減輕了混凝土的內(nèi)部損傷；另一方面PPF蒸發(fā)留下的孔道減少了破裂面的有效面積,隨著摻量增加,對(duì)截面的削弱逐漸占據(jù)了主導(dǎo)。摻入15、19 mm長(zhǎng)PPF時(shí),高溫后強(qiáng)度變化趨勢(shì)類似,但強(qiáng)度較低,這是因?yàn)镻PF長(zhǎng)度越長(zhǎng),分散性越差,高溫氣化、揮發(fā)后對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的副作用越大。800、900 ℃后PPF混凝土殘余強(qiáng)度離散性顯著,但變化趨勢(shì)基本一致,摻入任何長(zhǎng)度PPF,均在摻量為0.5 kg/m3時(shí)殘余強(qiáng)度達(dá)到最大值。這與文獻(xiàn)[14]中普通PPF混凝土的高溫(≥600 ℃)后殘余強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土,同時(shí)PPF長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的影響并不突出的結(jié)論有顯著區(qū)別,與文獻(xiàn)[15-16]中摻量在0.15%(3.6 kg/m3)以內(nèi)時(shí)PPF混凝土殘余抗壓強(qiáng)度相對(duì)于普通混凝土略有提高,摻量在0.15%以上時(shí)強(qiáng)度開始下降的結(jié)論有明顯區(qū)別,因此普通PPF混凝土高溫后性能的研究結(jié)論并不適用于低坍落度PPF混凝土。在低坍落度PPF混凝土中,當(dāng)摻量超過(guò)0.5 kg/m3,摻入任何長(zhǎng)度PPF時(shí),殘余強(qiáng)度均顯著下降,并且PPF長(zhǎng)度越長(zhǎng),影響越嚴(yán)重。當(dāng)摻量為0.5 kg/m3以內(nèi)時(shí),摻入任何長(zhǎng)度PPF時(shí)混凝土殘余強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝,并且PPF長(zhǎng)度為9 mm時(shí),殘余強(qiáng)度最大,這與常溫時(shí)低坍落度PPF混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律也有顯著區(qū)別。

2.4 常溫下PPF對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

基于PPF混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)選取的PPF摻量分為0、0.5、1、1.5 kg/m34種,進(jìn)行常溫下和600、800 ℃高溫后試驗(yàn)。常溫下基準(zhǔn)混凝土和PPF混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖6所示。

常溫下PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化的規(guī)律與常溫抗壓強(qiáng)度類似。當(dāng)摻入3、9 mm 長(zhǎng)PPF時(shí),強(qiáng)度增加明顯,相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度(3.11 MPa)均有所增加,特別是PPF摻量為1.0 kg/m3時(shí)達(dá)到峰值,增幅分別達(dá)到25.4%(3.9 MPa)和18.6%(3.69 MPa)。而摻入PPF長(zhǎng)度為15 mm和19 mm時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度在摻量大于0.5 kg/m3后則出現(xiàn)下降,隨著PPF摻量增加,下降更加顯著。常溫下基準(zhǔn)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度1/13,摻入3、9 mm長(zhǎng)PPF時(shí),比值約為1/14～1/12,摻量越大,比值越??；摻入15、19 mm長(zhǎng)PPF時(shí),比值減小到1/17～1/14,摻量越大,比值也越小。顯然常溫下?lián)饺隤PF長(zhǎng)度越長(zhǎng),摻量越大,對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響越顯著。

圖6 常溫下不同長(zhǎng)度PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.6 Split tensile strength of PPF concrete of different lengths at ambient temperature

圖7 高溫后不同長(zhǎng)度PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.7 Split tensile strength of PPF concrete of different lengths after elevated temperatures

2.5 高溫下PPF對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

高溫后PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)選取600、800 ℃兩種工況,如圖7所示。600 ℃后基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度(0.41 MPa)約為其殘余抗壓強(qiáng)度(28 MPa)的1/68,相對(duì)常溫情況,高溫明顯對(duì)PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響更大。600 ℃后PPF混凝土摻入3、9 mm長(zhǎng)PPF時(shí),上述比值約為1/66～1/60；摻入15、19 mm長(zhǎng)PPF時(shí),比值減小到1/70～1/90,均為摻量越大,比值越小,影響越嚴(yán)重?；炷翐饺隤PF長(zhǎng)度為3、9 mm時(shí)的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨摻量增加先增大后減小,摻量為0.5 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值,分別為0.48、0.54 MPa,增強(qiáng)率為同溫度后基準(zhǔn)混凝土的17%和32%。從600 ℃到800 ℃,劈裂抗拉強(qiáng)度損失約為20%,這是由于C-S-H膠體的黏結(jié)性能進(jìn)一步劣化導(dǎo)致。

圖8 電鏡掃描下的PPF混凝土微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructures of PPF concrete through SEM

2.6 電鏡掃描結(jié)果分析

為考察常溫下和高溫后PPF對(duì)混凝土微觀作用的影響,對(duì)常溫下和600、800、900 ℃后PPF混凝土破裂面進(jìn)行了電鏡掃描,掃描結(jié)果如圖8所示。圖8(a)中表示摻入PPF長(zhǎng)度9 mm、摻量為1.0 kg/m3時(shí)的混凝土受壓破裂面情況,C-S-H膠體整體比較致密,試驗(yàn)時(shí)PPF被拔出或拉斷,長(zhǎng)度越短,被拔出PPF比例越大。圖8(b)～圖8(d)分別給出了600、800、900 ℃后摻入PPF長(zhǎng)度9 mm、摻量為0.5 kg/m3時(shí)的混凝土受壓破裂面情況,600 ℃后混凝土C-S-H膠體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)仍然保持較好,PPF融化留下了空洞,顯然試塊受壓破壞時(shí)空洞發(fā)生了明顯壓縮,提高了殘余抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明相對(duì)于抗壓強(qiáng)度,高溫對(duì)PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響更顯著。800 ℃后PPF混凝土的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)顯著減少,內(nèi)部空隙明顯增多,PPF氣化殘留的空洞基本觀察不到,整體結(jié)構(gòu)支離破碎。900 ℃后C-S-H膠體發(fā)生嚴(yán)重的收縮變形,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著破壞,裂縫貫通量增大,但未發(fā)生爆裂破壞。因此800 ℃后PPF對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不再顯著,試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3 結(jié)論

(1)常溫下低坍落度PPF混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律相似,隨著PPF摻量增加,抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均為先增大后減小,當(dāng)PPF長(zhǎng)度為3 mm、摻量為1.0 kg/m3時(shí),抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到峰值,顯著高于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度。相對(duì)于抗壓強(qiáng)度,PPF長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響更顯著。

(2)高溫后低坍落度PPF混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律同樣相似,隨著PPF摻量增加,殘余抗壓強(qiáng)度和殘余劈裂抗拉強(qiáng)度均為先增大后減小,當(dāng)PPF長(zhǎng)度為9 mm、摻量為0.5 kg/m3時(shí),高溫后殘余抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均為最大。結(jié)合電鏡掃描結(jié)果,高溫對(duì)PPF混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響更顯著。

(3)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)低坍落度PPF混凝土的微觀作用機(jī)理進(jìn)行了分析。常溫時(shí)PPF對(duì)低坍落度混凝土的影響主要取決于PPF拉結(jié)作用產(chǎn)生的增強(qiáng)作用和PPF對(duì)混凝土截面削弱產(chǎn)生的減強(qiáng)作用兩個(gè)方面。高溫后PPF對(duì)低坍落度混凝土的影響主要取決于PPF對(duì)混凝土截面的削弱和PPF高溫氣化帶來(lái)的溫度應(yīng)力釋放兩個(gè)方面。