高温后C80高强混凝土的质量损失和抗压性能研究

史英豪，杜红秀，阎蕊珍

(太原理工大学建筑与土木工程学院,太原　030024)



高温后C80高强混凝土的质量损失和抗压性能研究

史英豪，杜红秀，阎蕊珍

(太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024)

对掺聚丙烯纤维的C80高强混凝土立方体试件模拟高温试验后，进行混凝土质量损失和抗压性能测试，研究分析了不同作用温度对聚丙烯纤维高强混凝土的质量损失和抗压强度的影响。结果表明，随着温度的升高，掺聚丙烯纤维高强混凝土的质量损失逐渐增加而抗压强度整体呈下降趋势，600℃高温后混凝土立方体抗压强度急剧下降，强度值仅为常温的25.05%；高温后聚丙烯纤维高强混凝土的相对质量损失和相对残余抗压强度的整体变化趋势基本相似。

聚丙烯纤维； 高强混凝土； 质量损失； 抗压性能

1　引　言

高强混凝土因其具有良好的力学性能被广泛地应用于土木工程各领域中，但高强混凝土因其内部致密，遭受火灾高温时易发生爆裂[1]。在高强混凝土中掺聚丙烯纤维可以有效的改善混凝土的高温爆裂性，改善混凝土的脆性，增加混凝土的韧性[2]。

目前，对掺聚丙烯纤维高强混凝土的研究主要集中在纤维掺量和直径的比较上[3-6]，但对高温后掺聚丙烯纤维高强混凝土的的抗压强度以及相对残余抗压强度和相对质量损失关系的研究尚无明确定论。本试验在C80高强混凝土中掺入比重0.91 g/cm3，长度8 mm，直径25 μm的聚丙烯纤维，探究其对不同作用高温后C80高强混凝土的质量损失、抗压强度及相对残余抗压强度和相对质量损失关系的影响，分析掺聚丙烯纤维高强混凝士高温后抗压强度和所受温度之间的关系，并建立了关系曲线及相应的回归方程，对探索高强混凝土高温后损伤程度的评估[2]，具有重要的理论依据和工程实用价值。

2　试　验

2.1原材料

本试验采用水泥：P·O 52.5级普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度为54.5 MPa；粗骨料：石灰石碎石，5～20 mm连续级配，其中5～10 mm占30%，10～20 mm占70%，压碎指标为9.92%；细骨料：优质豆罗砂，Ⅱ区中砂，细度模数为2.95；硅灰：埃肯微硅粉，28 d活性指数为119.9%；矿渣：S95级磨细矿渣粉；粉煤灰：活性指数71.12%的Ⅰ级粉煤灰；高效外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为28%；聚丙烯纤维：束状单丝，比重0.91 g/cm3，长度8 mm，直径25 μm；拌合水：普通自来水。

2.2混凝土配合比

混凝土设计强度等级为C80，设计坍落度为180～220 mm，入模坍落度为200 mm，扩展度为440 mm、560 mm，具体配合比见表1。

表1　C80聚丙烯纤维高强混凝土配合比

2.3试件制作

本试验采用标准立方体150 mm试件，且在高强混凝土立方体每个目标温度对应的试块中放置一根热电偶，热电偶置于试块中心，如图1。且严格按照《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T50081-2002之规定进行试件制作，试件成型24 h后拆模，并放入标准养护室养护池中养护，达28 d龄期后，取出试块进行试验。

图1　热电偶放置位置 Fig.1　Thermocouple placement

2.4试验设备及方法

本试验采用SRJX型箱式电阻炉，其额定电压为220 V，输出功率为15 kW，最高工作温度为1200 ℃，炉膛尺寸长×宽×高为：600 mm ×400 mm×400 mm。目标温度为20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃，并配备有温度自动控制器，可自行控制炉膛内的温度，达到预定目标温度后自动保持恒温状态。

具体加温方法如下：将试件在常温下放入电阻炉炉膛内，并设定目标温度，关闭炉门，然后以全功率输出方式开始升温；当温度升至预定温度时，电阻炉自动控制系统可以保持炉膛温度，使试件内外温度趋于均匀[2]，通过热电偶测定混凝土立方体试件内外温度，当电阻炉显示器显示的炉内温度与热电偶外接传感器显示温度一致时，即认为所研究的试件烧透。取出试件，将其静置于干燥通风的环境中自然冷却，24 h后进行加载试验。

抗压性能试验采用STYE-3000C型电脑全自动混凝土压力试验机，额定电压为380 V，额定功率为750 W，试验力范围为0～3000 kN。

3　结果与讨论

3.1高温后混凝土的质量损失

通过观察热电偶外接温度传感器显示温度和炉膛内显示温度，及时测得C80 PPHSC试件内部温度与炉膛内温度一致的时间，即为烧透时间。将达到所设目标温度的PPHSC试件在炉膛内稍微冷却，立即取出，用电子称进行称重。与高温前的混凝土立方体试件质量进行对比，得出不同目标温度作用下立方体试件的质量损失。而不同目标温度作用下混凝土内部的理论水分质量定义为高温前混凝土立方体试件的质量与高温前1 m3相同混凝土中水分所占百分数之积。C80 PPHSC高温前后的质量及质量损失见表2。

表2　C80 PPHSC高温前后质量及质量损失

由表2可知，高温前混凝土内部理论水分质量基本保持不变，100 ℃高温后，混凝土立方体试件的质量缓慢减少，质量减少了0.05 kg，由于高温后混凝土内部自由水的蒸发；200 ℃高温后，混凝土质量大幅度损失，与理论水分质量相比，增加了0.032 kg；而300 ℃高温后，混凝土损失质量与相应的理论水分质量非常接近；400 ℃高温后，混凝土内部损失的质量明显大于其内部理论水分质量，增加了0.153 kg，表明此时混凝土内部不仅自由水以水蒸气形式溢出，同时伴随有Ga(OH)2受热分解其结合水的蒸发；500 ℃高温后，与400 ℃相比，混凝土内部理论水分质量相同，损失的质量也变化不大，仅增加0.06 kg；600 ℃高温后，混凝土的质量损失达到0.60 kg，约为相应的混凝土内部理论水分质量的2.26倍，此时混凝土内部物质分解程度加深，GaCO3受热分解，气体逸出导致混凝土质量损失加快。

3.2高温后混凝土的抗压强度

图2　高温后C80 PPHSC的立方体抗压强度随温度变化曲线Fig.2　Cube compressive strength of C80 PPHSC exposed to high temperatures

图2为高温后C80 PPHSC立方体抗压强度随温度的变化曲线。由图2可知，与常温相比，随着温度的升高，PPHSC的立方体试件抗压强度整体呈现不同程度的下降趋势。100 ℃高温后混凝土立方体抗压强度较常温下降了22.2%，强度值减少较明显；200 ℃高温后，混凝土立方体抗压强度有所回升，上升幅度为21%；300 ℃高温后，强度下降且无回弹趋势；400 ℃高温后，强度降低至常温时的60%；与400 ℃相比，500 ℃高温后混凝土立方体抗压强度下降不明显，仅达到8.15%；600 ℃高温后，立方体抗压强度急剧下降，其强度值仅为常温时25.05%，强度基本丧失。将温度和立方体抗压强度进行拟合，拟合回归方程为：

y=1.5774x2+2.9226x+83.5

相关系数R2=0.9031

式中：x-温度(℃)，20 ℃≤x≤600 ℃；y-高温后PPHSC立方体抗压强度(MPa)。根据上式可由温度初步推断出PPHSC高温后的抗压强度，为高强混凝土火灾后损伤评估提供一定的科学依据。

3.3高温后混凝土的相对质量损失与相对残余抗压强度关系

本试验中，高强混凝土高温后的相对残余抗压强度定义为高温后混凝土立方体抗压强度与其常温下立方体抗压强度之比；高温后高强混凝土相对质量损失定义为高温后混凝土立方体质量损失量与其常温下混凝土立方体内部理论水分质量之比。

表3　C80 PPHSC高温后相对残余抗压强度与相对质量损失

图3　高温后PPHSC的相对质量损失与相对残余抗压强度关系曲线Fig.3　Relative residual compressive strength and relative mass loss of PPHSC after high temperatures

图3表示高温后C80 PPHSC相对残余抗压强度与相对质量损失的关系曲线。由图3知，随着温度的升高，两者的整体变化趋势符合变化规律。随着温度升高，混凝土相对质量损失增加，而相对残余抗压强度减小，在100 ℃和200 ℃高温之间，两者差异较大。从常温加热至100 ℃，高强混凝土的相对残余抗压强度降低了25.5%，而其相对质量损失却增加了0.19%；当温度升高至200 ℃后，其相对质量损失急剧下降，混凝土质量显著降低，降幅约为100 ℃时质量损失的7倍。相反，高强混凝土的相对残余抗压强度上涨了15.6%；300 ℃高温后两者的数值差距减小；当温度从300 ℃升高至400 ℃时，其之间的相对质量损失增加最多，约为0.56%。同时，其相对残余抗压强度降低了19.3%；当温度达500 ℃时，两个量值的变化幅度相对减小，相对质量损失提高了0.22%，相对残余抗压强度仅降低了4.9%；600 ℃高温后，相对质量损失较500 ℃增加幅度减小，为0.1%，说明600 ℃高温后，高强混凝土内部分解反应变化速率较小。然而其相对残余抗压强度变化幅度却大量增加，约为30.4%。从而可知，600 ℃高温后混凝土抗压强度显著降低而质量损失增加幅度较大。

4　结　论

(1)高温后掺聚丙烯纤维的C80高强混凝土质量损失逐渐增加，400 ℃高温后，混凝土内部损失的质量明显大于其内部理论水分质量，此时混凝土内部不仅自由水以水蒸气形式溢出，同时伴随有Ga(OH)2受热分解其结合水的蒸发；600 ℃高温后，混凝土的质量损失达到0.60 kg，混凝土内部物质分解程度加深，GaCO3受热分解，气体逸出导致混凝土质量损失加快；

(2)高温后掺聚丙烯纤维的C80高强混凝土立方体抗压强度随着温度的升高而呈现不同程度的下降趋势，600 ℃高温后，混凝土抗压强度急剧下降，其强度值仅为常温时的25.05%，抗压强度基本丧失；

(3)高温后掺聚丙烯纤维的C80高强混凝土抗压强度与温度关系的建立，为高强混凝土火灾损伤评估提供一定的科学理论依据；

(4)随着温度的升高，掺聚丙烯纤维的高强混凝土相对质量损失和相对残余抗压强度的整体变化趋势基本相似。温度升高，伴随着相对质量损失的增加，相对残余抗压强度减小，在100 ℃和200 ℃高温之间，两者差异较大，600 ℃高温后高强混凝土抗压强度显著降低而其质量损失增加幅度相对较大。

[1] 杜红秀,张雄.HSC/HPC的火灾(高温)性能研究进展[J].建筑材料学报,2003,6(4):391-396.

[2] 杜红秀,张宁,王慧芳,等.聚丙烯纤维对高强混凝土高温后残余抗压强度的影响[J].太原理工大学学报,2012,43(2):207-211.

[3] 柴松华,杜红秀,阎蕊珍.高强混凝土高温后轴心抗压强度试验研究[J].硅酸盐通报,2013,32(11):2341-2345.

[4] 肖建庄,王平.掺聚丙烯纤维高性能混凝土高温后的抗压性能[J].建筑材料学报,2004,7(3):281-285.

[5] 罗百福,郑文忠,李海艳.高温下掺PPF的RPC立方体抗压性能[J].哈尔滨工业大学学报,2012,44(12):1-7.

[6] 鞠丽艳,张雄.聚丙烯纤维对高温下混凝土性能的影响[J].同济大学学报,2003,31(9):1064-1067.

Mass Loss and Compressive Properties of C80 High Strength Concrete at Elevated Temperature

SHIYing-hao,DUHong-xiu,YANRui-zhen

(College of Architecture and Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

In this study, the mass loss and compressive properties of high strength concrete (HSC) cube specimens mixed with polypropylene (PP) fiber after high temperature was investigated. After these specimens were heated in an electric stove, the effect of high temperature on mass loss and compressive strength of HSC was analysiced. The results show that the compressive strength of HSC after high temperature indicated varying degrees of decline, on the contrary, the mass loss of HSC increased gradually. After 600 ℃, the compressive strength of HSC fell sharply and was only 25.05% of that at normal temperature. Meanwhile, with the increase of temperature, the relative mass loss and relative residual compressive strength of HSC with polypropylene fiber are similar to that of the overall trend.

polypropylene fiber;HSC;mass loss;compressive property

国家自然科学基金(51278325)；国家自然科学基金(51478290)

史英豪(1988-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土材料及结构耐久性方面的研究.

杜红秀，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0980-04