有机合成纤维对隧道管片混凝土经高温后性能的影响

周华新，阳知乾，崔 巩，刘建忠

(江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京210008)

盾构法隧道的衬砌结构采用预制混凝土管片拼装而成.大量的火灾实例表明，一旦发生火灾，温度将高达1 000℃，甚至更高.除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会导致混凝土的力学性能的劣化，甚至爆裂.将对衬砌结构产生不同程度的破坏，大大降低结构的承载力和安全性［1－2］.

笔者根据隧道盾构管片混凝土的特点制备C50P10混凝土蒸养试件，在部分试件中分别掺入聚丙烯纤维、纤维素纤维及聚乙烯醇纤维.通过火灾高温模拟试验，了解火灾发生时混凝土内部温度梯度的变化规律，揭示有机纤维高温抗爆裂作用;并通过高温后的力学性能测试，研究不同种类有机纤维混凝土高温后力学性能的劣化规律.结合试验研究和抗爆裂机理分析，优选出适合于提高隧道管片混凝土抗爆裂性能的有机纤维，旨在更好地指导有机纤维在隧道管片混凝土中的应用.

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料及试件准备

隧道管片混凝土强度等级为C50P10，混凝土原材料及配合比见表1.试验用纤维分别为聚丙烯纤维(PP Fiber)(直径 D=38 μm，长度 L=19 mm)、纤维素纤维(Cellulose Fiber)(D=20 μm，L=5 mm)和聚乙烯醇纤维(PVA Fiber)(D=28 μm，L=18 mm)，纤维体积掺量为0.15%.

表1 混凝土原材料及配合比

结合江苏地区盾构法隧道管片混凝土生产工艺，成型后试件带模蒸养(预养、升温、恒温、降温)，蒸养养护制度为:25℃预养4.5 h，升温时间1.5 h，45℃恒温4.0 h，降温时间2.0 h，温度降至25 ℃，整个养护过程为12.0 h.抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，弯曲韧性试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，蒸养结束后置于标养室养护至设定龄期(28 d)，其中3个100 mm×100 mm×400 mm的梁试件用切割机在其跨中位置进行开口，开口宽度与深度分别为3 mm和10 mm.

1.2 火灾高温模拟及温度采集

采用高温箱式电阻炉模拟火灾升温情况，最大升温速率为20℃/min;以温度为变化参数，分别为0，400，800 ℃.当达到设定温度后，恒温1 h，然后自然冷却至常温，再进行试验.根据高温模拟实验环境及试验研究的需要，进行了高温采集系统的设计，采集温度范围为0～1 500℃，精度为±1℃.高温传感器为K型热电偶(0～1 900℃)，长度80 mm，高温补偿线5 m，自带冷端补偿线.

基于单片机控制的混凝土原位温、湿度监测系统设计原理［3－4］，建立了多通道高温温度自动采集系统，由ADC数据采集板和数据处理软件等组成.ADC数据采集有8个通道，可同时采集8个样品的电位数据.系统主模块功能是:设置实验参数、采集电阻数据模式和数据显示(如温度－时间关系等).多通路数据采集系统设有简单方便的操作界面，可实时将采集的数据用图形表示，数据还可转化成ORIGIN软件的数据格式，利用ORIGIN软件处理试验结果.

1.3 残余力学性能测试

经过高温后的混凝土试件的残余抗压强度参照《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81—85)进行测试.经过高温后的混凝土试件的弯曲韧性及断裂能根据国际材料与结构联合会标准 RILEM［5－7］进行测试.弯曲试验在液压伺服材料试验机上进行，利用两个线性差分式位移传感器对梁跨中挠度进行测定.试验采用梁跨中位移控制，控制速率为0.2 mm/min，试验进行至试件梁完全断开为止.利用荷载－挠度曲线计算并评价纤维高性能混凝土的弯曲韧性和断裂能.

1.4 热分析试验

采用SDT Q600仪器测试了不同纤维的热分解行为，升温区间30～600℃，升温速率10℃/min，高纯氮气气氛保护，气体流量为100 mL/min.

2 试验结果与分析

2.1 火灾高温过程中管片混凝土内部温升

高温传感器A放置于高温炉炉口耐火砖中心孔中，高温传感器B放置在接近高温炉内部高温热电偶的位置，高温炉内部高温热电偶固定在炉膛后壁中心位置，能准确监测炉膛内温度的变化.高温炉设定升温速率为(20±3)℃/min，到达设定的800℃时即停止加热并开始降温.在高温采集系统的温度感应性验证试验过程中，高温炉膛内不放置任何试件.高温温度自动采集系统的温度敏感性测试结果如图1所示.

图1 高温自动采集系统温度敏感性测试

由图1可知，高温温度自动采集系统能准确感应出炉膛内温度的变化，且温差小于5℃.

为更好地了解试件在火灾高温过程中混凝土构件损坏情况，采集了升温过程中混凝土试件的中心温度和表面温度.混凝土试件为100 mm×100 mm×400 mm，在混凝土成型过程中预先将高温传感器埋入混凝土中心位置，另外在试件表面中心位置放置一个高温传感器.采集结果如图2所示.

图2 升温过程试件中心和表面温度测试结果

由图2可知，采用100 mm×100 mm×400 mm的试件，在0～300℃升温段，试件表面温度与中心温度相差较大，最高相差近200℃;300～800℃升温过程中，中心温度和表面温度相差基本稳定在120℃左右，中心温度达到800℃滞后20 min左右.由此可见，火灾升温过程中，混凝土构件从内到外存在很明显的温度梯度.这是导致混凝土爆裂、表面剥落的原因之一.有机纤维均匀乱向分布具有抗裂效果，因此在混凝土中掺入有机合成纤维能明显降低由温度梯度引起的混凝土爆裂、剥落现象.

2.2 火灾高温后残余抗压强度

混凝土高温后残余抗压强度是评估结构灾后损伤程度的主要依据，对于判定结构的安全性和制定加固方案有重大影响.笔者主要研究了不同种类纤维经过400℃和800℃高温后对混凝土残余抗压强度的影响，试验结果如图3—4所示.

由图3和图4可知，经过400℃高温后聚丙烯纤维混凝土表现出较高的残余抗压强度，纤维素纤维和聚乙烯醇纤维对残余强度贡献不明显;经过800℃以后有机合成纤维对残余强度基本没有贡献，甚至由于大量有机纤维熔融后留下了连通孔，导致残余强度有所降低;在0～800℃升温过程中发现不掺纤维的基准混凝土表面有明显爆裂现象，而掺有机合成纤维的混凝土均未发现爆裂现象.

2.3 火灾高温后残余弯拉性能及断裂韧性

利用高温后混凝土试件的弯曲韧性和断裂能可评价有机纤维对混凝土经高温后性能的影响，试验结果如图5—6所示.根据图5—6的荷载－挠度曲线可得出高温后纤维混凝土残余弯拉强度及弯曲韧性，见表2和表3.

表2 经400℃高温后纤维混凝土残余弯拉强度及弯曲韧性试验结果

表3 经800℃高温后纤维混凝土残余弯拉强度及弯曲韧性试验结果

由表2可知，经过400℃高温后纤维混凝土的弯拉强度都比基准混凝土的高，说明在高温条件下有机纤维同样能提高混凝土弯拉性能，其中聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维效果要优于纤维素纤维;在断裂能和断裂韧性方面，不同纤维提升规律与常温条件一致，即聚乙烯醇纤维优于纤维素纤维，聚丙烯纤维相对较差.由表3可知:经过800℃高温后纤维混凝土的弯拉强度都比基准混凝土的高，其中聚丙烯纤维混凝土提高了102.3%，纤维素纤维混凝土提高了26.2%，聚乙烯醇纤维混凝土提高了4.7%;断裂能方面，经过800℃高温后聚丙烯纤维混凝土表现出较好的阻裂效果，其中聚丙烯纤维混凝土提高了132.4%，纤维素纤维混凝土提高了22.8%，聚乙烯醇纤维混凝土提高了30.8%;断裂韧性方面，经过800℃高温后有机纤维同样能起到很好的增韧效果，其中掺入聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维效果相对较好;残余强度方面，掺入纤维后残余强度都有不同程度的提高，其中掺入聚丙烯纤维的效果最好，强度提高了100%，掺入纤维素纤维强度提高了33.3%，掺入聚乙烯醇纤维强度仅提高了16.7%.

3 机理分析

在实际服役环境中，高温爆裂是一种灾难性破坏，其特征是伴随着剧烈的爆炸声，混凝土材料瞬间裂成大小不一的碎块，但爆裂前却没有明显的先兆.这主要是由于混凝土的内部结构比较密实，孔隙率较低，导热性能变差，蒸发通道不畅，水蒸汽较难逸出，蒸汽压力较大，当超过混凝土抗拉强度时，孔隙压力和热应力共同作用使裂缝贯通，就产生了突发性爆裂现象，从而发生爆炸性破坏［8－9］.以上试验结果表明，掺入有机纤维对改善混凝土在高温条件下的抗剥落、抗爆炸、抗开裂性能效果显著.有机纤维抗爆裂原理:有机纤维熔化后，其液态体积小于固态所占空间，于是形成众多小孔隙;有机纤维分散的均匀性及纤维细小且数量众多，使混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道，缓解了因水分膨胀形成的压力，从而降低了爆裂的可能性.

研究结果显示，与纤维素纤维和聚乙烯醇纤维相比，聚丙烯纤维可使混凝土在400℃阶段表现出较好的力学性能，能提高混凝土残余抗压和弯拉强度.其主要原因可归结为:聚丙烯纤维分解温度(409℃)高于纤维素纤维(316℃)和聚乙烯醇纤维(337℃).有机纤维热分析试验结果如图7所示.温度达到400℃时，纤维素纤维和聚乙烯醇纤维已经基本熔融分解，而聚丙烯纤维才接近分解温度点，故仍可保持较好的抗裂增韧效果，表现出较好的残余力学性能.由于聚丙烯纤维分解温度要高于纤维素纤维和聚乙烯醇纤维，在经过800℃高温后，聚丙烯纤维混凝土残余力学性能同样优于纤维素纤维混凝土和聚乙烯醇纤维混凝土，因此聚丙烯纤维更适合用于提高隧道管片混凝土的抗爆裂性能.

图7 有机纤维热分析结果

4 结语

1)火灾升温过程中，混凝土构件从内到外存在很明显的温度梯度，这是导致混凝土爆裂、表面剥落的原因之一，有机纤维均匀乱向分布的抗裂效果，在混凝土中掺入有机合成纤维能明显降低温度梯度引起的混凝土爆裂、剥落现象.

2)经过400℃高温后聚丙烯纤维混凝土表现出较高的残余抗压强度，纤维素纤维和聚乙烯醇纤维对残余强度贡献不明显;经800℃后有机合成纤维对残余强度基本没有贡献.

3)火灾高温条件下，聚丙烯纤维混凝土无论是在弯拉强度、断裂能、断裂韧性及残余强度方面，还是在抗爆裂方面均优于聚乙烯醇纤维混凝土和纤维素纤维混凝土.

4)聚丙烯纤维分解温度高于纤维素纤维和聚乙烯醇纤维，这是聚丙烯纤维混凝土在火灾高温条件下残余力学性能优于纤维素纤维混凝土和聚乙烯醇纤维混凝土的关键因素，因此聚丙烯纤维更适合用于提高隧道管片混凝土的抗爆裂性能.

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