高溫中纖維納米混凝土劈拉性能試驗(yàn)研究

趙亮平, 湯寄予, 陳剛, 袁健松

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河南 鄭州451191; 2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州450001)

混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一,具有價格低廉、可塑性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),但其抗拉性能較差,破壞時呈明顯的脆性。在混凝土中加入亂向分布的鋼纖維,可以有效抑制裂縫的擴(kuò)展和延伸,提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性[1-2]。納米二氧化硅具有微集料效應(yīng)和很好的火山灰活性,可以減少水泥漿中的氫氧化鈣晶體含量,增加水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠的含量,使混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密和緊湊,提高混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度[3-6]。將纖維和納米材料同時摻入混凝土形成的纖維納米混凝土(Fiber and Nanosized Materials Reinforced Concrete,FNMRC),充分發(fā)揮了微觀納米材料和細(xì)宏觀纖維材料對混凝土的增強(qiáng)作用,實(shí)現(xiàn)了微觀與細(xì)宏觀增強(qiáng)的復(fù)合,是一種性能優(yōu)良的新型建筑材料。

建筑材料的高溫力學(xué)性能對于建筑物的防火性能至關(guān)重要。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對高溫后普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和纖維混凝土的劈拉性能開展了一系列研究[7-10],研究結(jié)果表明,摻加聚丙烯纖維可以有效改善混凝土的抗爆裂性能,尤其在高強(qiáng)、高性能混凝土中的改善效果更突出,其原因是混凝土中聚丙烯纖維通過高溫熔化形成連通性孔隙,從而緩解了蒸汽壓引起的高溫爆裂。此外,纖維納米混凝土高溫后劈拉性能的研究也有所涉及:燕蘭等[11]研究了納米二氧化硅對鋼纖維混凝土高溫后劈拉性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響;劉華新等[12]和張振雷[13]研究了納米二氧化硅對玄武巖纖維混凝土高溫后劈拉性能的影響。研究結(jié)果均顯示,摻入納米二氧化硅能夠提高混凝土高溫后的劈拉性能。但現(xiàn)有研究均未涉及高溫中FNMRC的劈拉性能,與高溫后相比,高溫中劈拉試驗(yàn)更能反映混凝土在火災(zāi)高溫中的實(shí)際受力狀態(tài)。因此,有必要進(jìn)一步開展高溫中FNMRC劈拉性能研究。

本文通過常溫至800 ℃的高溫中FNMRC劈拉試驗(yàn),研究溫度、鋼纖維體積率和納米二氧化硅摻量對高溫中FNMRC劈拉性能的影響,并結(jié)合掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)微觀結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果,對納米二氧化硅的增強(qiáng)機(jī)理和FNMRC的高溫劣化機(jī)理進(jìn)行了分析和探討。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P·O 42.5水泥,具體指標(biāo)見表1。細(xì)骨料采用級配良好的中砂,細(xì)度模數(shù)2.73,級配曲線見圖1。

圖1 細(xì)骨料級配曲線

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

粗骨料采用連續(xù)級配的碎石,粒徑5～20 mm,級配曲線見圖2;減水劑為聚羧酸高效減水劑,減水率27%;拌合用水為自來水;鋼纖維(Steel Fiber,SF)采用佳密克絲3D系列端勾型纖維,具體物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2;聚丙烯纖維為杜拉纖維,主要技術(shù)指標(biāo)見表3;納米材料為納米二氧化硅(Nano-SiO2,NS),主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

圖2 粗骨料級配曲線

表2 鋼纖維主要技術(shù)指標(biāo)

表3 聚丙烯纖維主要技術(shù)指標(biāo)

表4 納米二氧化硅主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

高溫中纖維納米混凝土劈拉性能試驗(yàn)考慮溫度、鋼纖維體積率和NS摻量3個因素的影響。目標(biāo)溫度分別為常溫、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃;鋼纖維體積率分別為0.0%、0.5%、1.0%和1.5%;NS摻量分別為0.0%、0.5%、1.0%和1.5%;所有試件的聚丙烯纖維摻量均為0.9 kg/m3,主要起到防止高溫爆裂的作用,不研究其摻量變化對力學(xué)性能的影響。各組混凝土的具體配合比見表5。

表5 纖維納米混凝土的配合比 kg/m3

試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件。試件編號中“SF”及其后面數(shù)字表示鋼纖維體積率,“NS”及其后面的數(shù)字表示納米二氧化硅摻量,如“SF05NS10”表示該組試件的鋼纖維體積率為0.5%、納米二氧化硅摻量為1.0%。所有試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

試驗(yàn)在自行研制的處于高溫中的劈拉性能試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行,如圖3所示。

圖3 高溫中劈拉性能試驗(yàn)設(shè)備及加載示意圖

該試驗(yàn)設(shè)備采用箱式電阻爐升溫,最快升溫速率為10 ℃/min,最高溫度為1 200 ℃。高溫爐頂面和底面留有孔洞,以便耐高溫壓頭深入高溫爐內(nèi)進(jìn)行加載,上下耐高溫壓頭分別固定在加載設(shè)備的上下壓板上,加載設(shè)備為300 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。為保證對同組的3個試件同時升溫,依次加載,在高溫爐內(nèi)部底面設(shè)有導(dǎo)軌,導(dǎo)軌上放置3個可前后滑動的墊塊。為實(shí)現(xiàn)劈拉試件的目的,上壓頭的下端設(shè)置成弧形,墊塊上表面對應(yīng)位置也突出成弧形,兩個弧形頂點(diǎn)正對試件中心進(jìn)行劈拉。為防止試件在加載過程中傾斜,在試件兩側(cè)下方墊上高溫棉。試驗(yàn)過程中試件的橫向變形由耐高溫測桿傳遞給布置于高溫爐兩側(cè)的位移計。

劈拉試驗(yàn)采用的升溫速率為10 ℃/min,達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫4 h,使試件內(nèi)部溫度達(dá)到均勻,然后開始加載。加載采用位移控制,加載速率0.1 mm/min。第1個試件加載完成后,放松位移測桿,下降下壓頭,使墊塊回落到導(dǎo)軌上,然后啟動推動裝置,使墊塊向外移動,待第2個試件到達(dá)加載位置后停止推動并進(jìn)行加載。之后,再依次對第3個試件進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉加熱裝置和壓力試驗(yàn)機(jī),打開爐門,待試件冷卻后從爐內(nèi)取出。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值處理按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[14]的規(guī)定進(jìn)行。

微觀結(jié)構(gòu)觀測采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行,從冷卻的試件基體中以及鋼纖維與基體的界面處選取較完整的砂漿樣品并加工,試樣尺寸約為10 mm×10 mm,厚度2～3 mm,試樣底部用砂紙磨平,以保證與樣本臺充分接觸。為保證試樣的導(dǎo)電效果,對其表面進(jìn)行噴金,見圖4(a)。為避免試驗(yàn)過程中發(fā)生試樣表面放電,用碳導(dǎo)電雙面膠將噴金后的試樣固定在樣本臺上,見圖4(b)。然后,將其裝進(jìn)樣本倉抽真空、調(diào)試、觀測并拍攝,見圖4(c)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對纖維納米混凝土劈拉性能的影響

溫度對FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線的影響見圖5。由圖5可知,隨著溫度的升高,FNMRC的峰值荷載不斷降低,峰值變形不斷增大,曲線上升段斜率和下包面積明顯減小。與常溫時的相比,峰值荷載在200、400、600、800 ℃時分別下降了17%、22%、61%、83%,曲線下包面積分別減小了24%、13%、54%、77%,峰值點(diǎn)變形分別增大至常溫的1.46、1.93、2.44、3.15倍。說明在高溫作用下,FNMRC內(nèi)部會產(chǎn)生高溫?fù)p傷,導(dǎo)致其強(qiáng)度和能量吸收能力降低,變形量增大。

圖5 溫度對FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線的影響

此外,溫度較低時,FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線在峰值點(diǎn)處有明顯的尖角,上升段斜率較大,荷載下降也較為迅速;隨著溫度的升高,峰值點(diǎn)處的尖角逐漸變緩,上升段斜率和荷載下降速度均逐漸減小。這是由于高溫作用造成FNMRC內(nèi)部損傷,在降低了FNMRC強(qiáng)度的同時,也降低了混凝土的脆性,使FNMRC的彈性模量降低,在荷載達(dá)到峰值后能量釋放速度也逐漸變緩。

不同溫度下FNMRC的微觀結(jié)構(gòu)見圖6。從圖6可以看出以下規(guī)律:

圖6 不同溫度下FNMRC的微觀形貌

1)200 ℃時,C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)依然較為完整,但此時FNMRC水泥漿體中自由水、吸附水以及C-S-H層間水已經(jīng)蒸發(fā),層間水在毛細(xì)孔中產(chǎn)生的靜水張力也隨之消失,基體產(chǎn)生收縮,其內(nèi)部的微裂縫增多并增大。因此,200 ℃時FNMRC的劈拉強(qiáng)度和韌性均有明顯降低。

2)在200～400 ℃高溫中,一方面,FNMRC水泥水化產(chǎn)物開始分解,C-S-H凝膠間的板狀氫氧化鈣結(jié)晶,C-S-H凝膠組織間的黏結(jié)比200 ℃時的有所減弱,基體中的裂縫更加明顯,其有效受力面積隨之減小;另一方面,在此溫度段,C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鹽中的化學(xué)結(jié)合水脫出,增強(qiáng)了水泥漿體的膠合作用,在一定程度上提高了鋼纖維與基體的黏結(jié)力,并降低了水泥漿體中裂縫尖端的應(yīng)力集中。因此,與200 ℃時的相比,FNMRC在400 ℃時的強(qiáng)度和韌性均下降較小。

3)400～600 ℃時,FNMRC的高溫?fù)p傷主要源于水泥水化產(chǎn)物的分解和骨料膨脹。基體中C-S-H凝膠進(jìn)一步分解,其間夾雜的板狀和層狀Ca(OH)2結(jié)晶物也大量分解,晶體結(jié)構(gòu)基本消失殆盡,基體結(jié)構(gòu)明顯疏松。在此溫度段,骨料和水泥未水化顆粒中的石英成分由α型轉(zhuǎn)變?yōu)棣滦?同時伴有突然的體積膨脹,使基體中的裂縫進(jìn)一步開展和延伸。此外,600 ℃時鋼纖維本身的抗拉強(qiáng)度也顯著降低,進(jìn)一步加劇了FNMRC強(qiáng)度和韌性的下降。

4)800 ℃時,基體中的Ca(OH)2結(jié)晶物和水泥水化物幾乎全部分解,基體呈現(xiàn)出疏松的蜂窩狀;碳酸鹽質(zhì)的粗骨料也開始分解,粗骨料膨脹并在內(nèi)部出現(xiàn)裂縫;此外,在此溫度段,骨料和鋼纖維與基體間的黏結(jié)性能也進(jìn)一步劣化,鋼纖維的增強(qiáng)與增韌作用顯著減弱,FNMRC強(qiáng)度和韌性均快速下降。

2.2 鋼纖摻量對納米混凝土劈拉性能的影響

鋼纖維體積率對FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線的影響見圖7。由圖7可以看出,在常溫和600 ℃高溫下,FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線的峰值荷載、峰值變形和曲線下包面積均隨鋼纖維體積率的增大而提高,曲線也愈加飽滿。

圖7 鋼纖維體積率對FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線的影響

值得注意的是,高溫下鋼纖維對FNMRC的增強(qiáng)增韌作用比常溫時的有所削弱。在常溫下,鋼纖維體積率為0.5%、1.0%和1.5%時,FNMRC劈拉強(qiáng)度分別比未摻鋼纖維時提高了27%、66%和77%,600 ℃高溫中,其增長百分率分別降至14%、52%和59%。由于未摻鋼纖維試件未測到下降段,對比有下降段的3組試件曲線下包面積可以發(fā)現(xiàn),與摻0.5%鋼纖維相比,摻加1.0%和1.5%鋼纖維時,曲線下包面積在常溫下分別提高了59%和102%,600 ℃高溫中,其增長百分率分別降至53%和68%。

鋼纖維增強(qiáng)增韌作用在600 ℃以后明顯降低的原因是鋼纖維本身的抗拉強(qiáng)度顯著下降,并且其下降幅度高于鋼纖維與基體界面黏結(jié)強(qiáng)度的降幅,FNMRC劈拉破壞形態(tài)由拔出破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓟嗥茐摹?/p>

圖8為不同溫度下FNMRC劈拉破壞形態(tài)。由圖8可知:200 ℃和400 ℃時,FNMRC的劈拉破壞形態(tài)與常溫時的相同,均為鋼纖維的拔出破壞,在鋼纖維脫黏拔出的過程中,試塊吸收了較多能量,表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和韌性;600 ℃時,鋼纖維本身的抗拉強(qiáng)度大幅下降,已經(jīng)低于鋼纖維與界面的黏結(jié)力,試塊中多數(shù)鋼纖維表現(xiàn)為拉斷破壞,僅有少數(shù)仍為拔出破壞;800 ℃時,鋼纖維全部轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓟嗥茐?由于破壞形態(tài)的轉(zhuǎn)變,鋼纖維在破壞過程中吸收的能量顯著降低。因此,600 ℃以后,鋼纖維的增益作用較常溫時的明顯降低,增韌作用下降更明顯。

需要指出的是,盡管鋼纖維在600 ℃時破壞形態(tài)發(fā)生了改變,其增強(qiáng)增韌作用不如常溫的,但鋼纖維仍對FNMRC的劈拉強(qiáng)度、變形能力和能量吸收能力起到了明顯的增益效果。

2.3 NS摻量對纖維納米混凝土劈拉性能的影響

NS摻量對FNMRC劈拉荷載-橫向變形曲線的影響見圖9。由圖9可以看出,常溫和600 ℃高溫中,FNMRC峰值荷載和曲線下包面積均隨NS摻量的增大而提高,但峰值變化規(guī)律不明顯。在常溫下,NS摻量為0.5%、1.0%和1.5%時,FNMRC強(qiáng)度比未摻NS時的分別提高了19%、25%和32%,曲線下包面積分別提高了22%、38%和47%;在600 ℃高溫中,強(qiáng)度分別提高了24%、31%和29%,曲線下包面積分別提高了4%、19%和19%。說明NS對常溫和高溫中FNMRC劈拉強(qiáng)度和韌性均有明顯改善作用,隨著NS摻量的增大,高溫中FNMRC劈拉強(qiáng)度增幅與常溫時的越接近,但韌性增幅低于常溫時的。

不同NS摻量下FNMRC的微觀結(jié)構(gòu)見圖10。NS顆粒的微集料作用,可以減少毛細(xì)孔的數(shù)量和尺寸,提高基體密實(shí)度。NS具有較高的表面能和化學(xué)活性,以納米顆粒為晶核,促進(jìn)網(wǎng)狀C-S-H凝膠的生成,使混凝土基體組織更加致密。從圖10(a)可以看出,未摻NS的混凝土基體中存在板狀的Ca(OH)2晶體,基體的總體形貌結(jié)構(gòu)較為疏松,相互搭接不夠緊密,毛細(xì)孔洞內(nèi)充滿針狀的鈣礬石(AFt)晶體。圖10(b)顯示,摻加0.5%的NS時,基體的結(jié)構(gòu)較為密實(shí),但依然存在結(jié)晶完好的Ca(OH)2。NS摻量超過1.0%以后,基體的微觀結(jié)構(gòu)顯著改善,未發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2晶體,C-S-H凝膠在空間上相互搭接,形成組織致密的連續(xù)相,見圖10(c)和圖10(d)。

圖10 不同NS摻量下FNMRC的微觀形貌

FNMRC的微觀結(jié)構(gòu)決定了其宏觀性能。NS通過微集料作用、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng),促使C-S-H凝膠以納米顆粒的晶核生長,從而使混凝土基體組織更加致密。同時,在C-S-H凝膠生成過程中,Ca(OH)2晶體不斷細(xì)化或被消耗,尤其是基體與骨料或纖維之間界面過渡區(qū)定向分布的Ca(OH)2晶體,這使界面過渡區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)也得到強(qiáng)化,從而提高了FNMRC的強(qiáng)度和韌性。

3 結(jié)語

1)在常溫至800 ℃時,高溫中FNMRC劈拉強(qiáng)度和韌性隨溫度升高逐漸下降,200 ℃時下降較明顯,200～400 ℃時下降速度較緩慢,600 ℃以后,劈拉強(qiáng)度和韌性均顯著下降。這一規(guī)律與普通混凝土的類似,說明普通混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法對FNMRC仍然適用。

2)鋼纖維體積率小于1.5%時,隨著鋼纖維體積率的增大,高溫中FNMRC的劈拉強(qiáng)度和韌性顯著提高,但其增幅小于常溫時的。600 ℃以后,FNMRC的劈拉破壞的形態(tài)由鋼纖維拔出破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓟嗥茐?鋼纖維對FNMRC韌性的提高幅度明顯減小。說明高溫作用對鋼纖維的劣化作用大于對混凝土基體的,尤其是600 ℃以后,這一點(diǎn)在后續(xù)的研究中需要加以重視。

3)NS摻量在0.0%～1.5%范圍內(nèi),隨著NS摻量的增大,常溫和高溫中FNMRC劈拉強(qiáng)度和韌性均明顯提高,高溫中強(qiáng)度的增幅與常溫時的接近,韌性的增幅不如常溫時的。這說明常溫下NS對混凝土劈拉性能的提升雖遠(yuǎn)不如對鋼纖維的,在高溫下其提升效果基本未削弱,在應(yīng)用中應(yīng)注意這一點(diǎn)。