RPC管混凝土组合柱高温后轴压性能试验研究

单波　陈超　赖大德　刘福财

摘要：针对RPC（活性粉末混凝土）管混凝土组合柱（CFRT）这一新型组合结构的抗火性能开展试验研究.采用高温试验炉对7个大尺寸CFRT短柱进行升温试验及高温后的轴压试验，试验参数包括控制温度、配箍率和配箍方式.结果表明，CFRT高温下未发生爆裂现象；高温后的轴压承载力和刚度随试验温度的提高而降低，但具有相对较高的残余承载力；提高配箍率和采用双层配箍方式，有利于改善CFRT高温后的抗压性能；与已有的普通钢筋混凝土约束柱抗火试验结果相比较，CFRT具有更高的残余承载力比.CFRT具有优异的抗火性能.

关键词： 活性粉末混凝土（RPC）；组合柱；高温；约束；力学性能

中图分类号：TU398.9文献标志码：A

Experimental Research on Mechanical Properties

of Concretefilled RPC Tube Columns after High Temperature

SHAN Bo1，2， CHEN Chao1， LAI Dade1， LIU Fucai3

（1. College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082，China； 2. Key Laboratory for Green

& Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province， Changsha410082，China；

3. Guangdong Gaiteqi New Materials Technology Co Ltd， Qingyuan511600，China）

Abstract：Fire resistance of Concretefilled RPC tube （CFRT） columns were investigated by experimental study. Seven largescale CFRT specimens were performed by heating test and axial compression test after elevated temperature. The test parameters included control temperature， volumetric stirrup ratio and stirrup arrangement mode. The test results showed the spalling of concrete was not observed during elevating temperatures. The compressive performance of CFRT column after high temperature decreased with the rising control temperature. Both increasing the volumetric stirrup ratio and arranging double layers of spiral hoops were effective measures for improving the mechanical properties of the CFRT columns after high temperature. Compared with the existing test results， the residual load carrying capacity ratio of the CFRT after elevated temperature was higher than that of the ordinary steelconfined column. The CFRT columns exhibited excellent fire resistance.

Key words：reactive powder concrete （RPC）； composite columns； high temperature； confinement；mechanical properties

对混凝土施加侧向约束，是提高结构柱抗压性能的有效方式.目前，基于约束效应的组合柱主要有：钢管混凝土（CFT）柱、纤维增强复合材料（FRP）约束混凝土柱和箍筋约束混凝土（SCC）柱[1-3].这些组合柱具有各自的特点，许多研究者进行了深入研究，并在工程中得到广泛应用.但是，这些组合柱在性能上也存在一定的缺陷，如钢管的抗火性能和耐腐蚀性能差[4-5]；FRP材料的力学性能对温度比较敏感[6-7]；而对于箍筋约束混凝土，其混凝土保护层在受力过程中过早剥落，对承载力没有贡献[8-9]，且不便于装配施工.这些不足之处限制了组合柱的使用范围，特别是在高温、高腐蚀环境中（如海岸工程、远洋岛礁工程等）的应用[10].

作者提出了一种新型组合柱——活性粉末混凝土（RPC）管混凝土组合柱（Concretefilled RPC tube，简称CFRT）[11]，其结构形式为：将RPC预制成配置高强螺旋箍筋的薄壁管，施工时在内部现澆混凝土，形成组合柱，如图1所示.由于RPC具有超高的抗压强度和优异的抗裂能力，在受压过程中RPC管可以直接承担相当部分的轴向荷载，而管内的高强箍筋对内部混凝土施加侧向约束，形成约束组合柱.作者对3组CFRT短柱和2组对比试件开展了轴压试验[11]，结果表明，CFRT不但具有优异的变形性能，而且其轴压承载力超过RPC空管与对应箍筋约束混凝土柱两者承载力之和.CFRT将RPC的材料性能和箍筋约束效应有效结合了起来，提供了一种基于超高性能水泥基材料的约束混凝土柱，特别是相比于CFT，具有突出的耐腐蚀性，也适于装配式施工.

CFRT的抗火性能是其安全性的重要方面，但这方面的研究还处于空白.郑文忠等[12]、Kim等[13]和Mehmet[14]的研究表明，钢纤维与有机纤维的掺入能有效改善RPC的耐火性能.因此，从材料角度来看，CFRT相对于其他约束组合柱，特别是CFT，应该具有更好的抗火性能.目前，国内外的一些研究者在钢筋混凝土柱的抗火性能方面开展了不少试验研究，如吴波、宿晓萍等[15]对3组不同配箍率的C80级标准棱柱体试件进行高温后力学试验，发现箍筋的存在能够有效防止高强混凝土爆裂，并提高混凝土高温后的残余力学性能；Jau和Huang[16]测量了6根轴压比为0.1的混凝土角柱在标准火灾后残余力学性能，结果表明混凝土保护层在高温下开裂脱落，增大混凝土保护层厚度会降低试件的剩余承载力；陈宗平等[17]对32钢筋再生混凝土短柱进行了高温后的抗压试验，并探讨了残余承载力计算方法.这些研究成果对本试验的开展具有指导作用.本文在开展大尺寸CFRT短柱高温试验研究，测试其在高温后的轴压性能，为CFRT抗火性能评估和设计奠定基础.

1试验设计

1.1试件设计

本试验包括1个常温试件和6个高温试件，试件所采用的RPC管均由佛冈龙清电力器材有限公司车间采用离心法生产.管的外径D为300 mm，高度H为600 mm，壁厚t为25 mm，如图1所示.在RPC管壁中心位置配置直径为6 mm的螺旋箍筋，材质为高强光面65锰弹簧钢，实测屈服强度为995 MPa.为满足离心法的工艺要求，沿RPC管轴向设置8根直径为4 mm的构造纵筋并施加一定的预张力，以维持钢筋笼在离心过程中的形状[18].

RPC的主要原材料为：42.5的普通硅酸盐水泥；最大粒径为3 mm的石英砂；直径为0.12 mm、长度为8 mm的钢纤维；直径为45 μm、长度为18 mm的PVA纤维.配合比（体积比）为：水泥∶砂∶硅灰∶高效减水剂∶钢纤维∶PVA=1∶2.10∶0.25∶0.03∶1.91∶0.2，W/B=0.22.热水养护48 h后的立方体抗压强度（100 mm×100 mm×100 mm）为123.2 MPa.

内部现浇混凝土配置螺旋箍筋和纵向钢筋，其中，螺旋箍筋的规格与RPC管相同.各试件的纵向配筋相同，均为12根直径为12 mm的HRB400级钢筋，实测屈服强度为456 MPa.内部混凝土的设计强度等级为C60，主要材料为42.5的普通硅酸盐水泥，粗骨料为最大粒径为25 mm的碎石，细骨料为河砂.混凝土的配合比（体积比）为：水泥∶硅∶灰砂∶石∶高效减水剂=1∶0.1∶1.69∶2.75∶0.005，W/B=0.35.28 d立方体抗压强度为69.2 MPa.

试件基本参数及试验结果如表1所示.按照试验条件分为3组：第1组为温度的影响，包括C40GZ20、C40GZ200、C40GZ400、 C40GZ600和 C40GZ800；第2组为配箍率的影响，包括C20GZ800和 C40GZ800；第3组为配箍方式的影响，也就是在保持总的配箍率不变的条件下，将一部分约束箍筋配置在内部混凝土中，包括C20GZ800和C4035800.

1.2试件加工

所有试件均在实验室采用人工制作.首先，将RPC管固定，放入钢筋笼，如图2（a）所示；然后分3层在管内浇筑混凝土并在振捣密实；待凝土硬化后，对组合柱的顶面进行修补，主要方法是采用单独配置的RPC进行铺浆，铺浆厚度为3～5 mm，

再用一块机械抛光的厚钢板压顶，并使钢板在铺浆硬化过程中与试件底面保持平行，待修补层硬化后即可得到平整的受压面，如图2（b）所示.

1.3试验方法与设备

试验分为两个步骤进行，即CFRT柱的高温试验以及高温后的轴向受压试验.高温试验使用工程结构与损伤湖南省重点验室与洛阳耐火材料研究院共同开发的高温电炉完成.该设备由高温电炉以及配套温控设备组成，电炉采用两半对开式结构，炉膛高630 mm，内直径为550 mm，炉膛内部设有热电偶，可对炉膛温升进行控制，如图3所示.为了测量CFRT试件在不同溫度下的温度场，在试件中部高度截面处埋设3个热电偶，具体位置如图4所示.所有温度测点采用XMT-J型温度巡检仪实时测量温度，数据记录时间间隔为5 min.

高温后轴压性能试验在10 000 kN电液伺服压力机上进行.试验时，在试件的中部安装一个轴向变形测试架，试验架通过对拉弹簧固定在试件上，并在对称位置设有两个高精度的位移传感器（LVDT），以测量试件在整个试验过程中轴向变形，如图4所示.在试件中部高度截面处粘贴4个纵向应变片，便于试件对中.轴压荷载由压力机内置传感器测量.所有数据均采用DH3821数据采集系统采集记录，采样间隔为0.5 s.

1.4加载制度

高温试验过程包括“升温”-“恒温”-“降温”3个阶段.升温速率设置为10 ℃/min，达到目标温度后立即转为恒温模式，恒温时间为180 min，当恒温时间结束后立即打开炉盖，让试件在空气中冷却.

高温后的轴压试验，采用单调加载，正式加载前，对试件预加载以进行对中，如果4个轴向应变片的读数差值不超过10%，认为试件处于理想的轴心受压状态，随即卸载并开始正式加载.加载制度为：在试验的开始阶段，采用力控制，加载速度为5 kN/s；当达到预估峰值荷载的90%时，改为位移控制，加载速度为0.5 mm/min，直至试件破坏.

2试验过程及试验现象

2.1高温试验过程与现象

CFRT试件的高温试验现象基本相同，以C40GZ800试件为例，在升温的初始阶段，从炉内开始逸出少量水蒸气；随着炉内温度的升高，水蒸气逸出现象越来越剧烈；随后，水蒸气逸出逐渐减少，一般试件进入恒温阶段内2 h后，最终消失.在整个高温过程中，试件未发出爆裂的声音.对于温度超过400 ℃的试件，在冷却的前期，试件发出噼啪声音，试件表面出现1～2条环状裂缝.冷却以后观察试件表面，总体形态十分完整，RPC管无可见的爆裂破坏现象.由此看来，本试验制备的RPC管具有良好的抗爆裂性能，这与RPC中掺入PVA纤维有密切关系.PVA纤维的熔点约为230 ℃[19]，高温下溶化后形成大量泄压孔道，有利于RPC内部水蒸气的逸出，有效降低了管壁内的蒸汽压，从而避免了爆裂的发生.

高温试验后，试件表面颜色出现显著差异，如图5所示.试件经历200 ℃高温后，表面颜色与常温下接近，呈灰色；试件经历400 ℃高温后，表面颜色变深；经历600 ℃的试件表面稍白；而经历800 ℃后，試件表面呈灰白.采用铁锤敲击试件中部，随着试验温度的升高，试件所发出的声音由坚实清脆逐渐变得浑浊空泛.

2.2轴压试验过程与破坏形态

高温后的试件，破坏过程基本类似.加载初期都处于弹性状态，除已有的温度裂缝外，试件表面无受力裂缝产生；当荷载增加到极限荷载的85%左右，试件中部出现一些细微的纵向和新的环向裂缝，并随着荷载持续增加而缓慢发展；当荷载超过峰值后，试件表面裂缝发展速度加快并逐渐贯通，中部明显外鼓；最后，随着箍筋陆续断裂，承载力显著降低，试件到达破坏状态.整个过程中，RPC管没有明显的剥离破坏，与常温下抗压破坏模式类似[11].

高温后，试件的受压破坏形态有所差别.如图6所示，对于配筋相同的C40GZ系列试件，随着试验温度的升高，破坏时RPC管的破裂程度增大.相对于C40GZ800，C20GZ800试件破坏时，RPC管的裂缝数量更多，且裂缝宽度较小，可见增加配箍量可以降低破坏程度.C4035800的配箍率与C20GZ800相同，但前者RPC管中的配箍量较少，其RPC管的损伤程度相对更严重（如图6（f）所示）.

试件截面上存在显著的温度梯度，由表面到中心，温度逐渐下降；距试件表面距离越大，温度上升速率越小，变化也更为平缓；恒温3 h后，试件的中心温度约为炉膛控制温度的50%～60%.

3试验结果分析

3.1温度分布

在试验柱的高温损伤分析中，需要考虑截面温度梯度的影响.根据过镇海等提出的截面不均匀温度场计算方法[20]，结合本试验的实测温度场，计算得到各控制温度下试件的截面等效温度，作为高温损伤分析的依据，结果如表2所示，可看到RPC管的等效温度显著高于内部混凝土柱的等效温度.

3.2荷载轴向应变曲线

CFRT试件的轴压试验结果如表1所示，图8也给出了各试件高温后的荷载轴向应变曲线，其中，轴向应变由两个LVDT测试数据平均值除以其标距计算得到.

从图8（a）可以看到，在C40GZ系列试件中，经历200 ℃高温作用后，与常温试件的荷载轴向应变曲线的上升段很接近，峰值荷载基本一致，下降段差别不大，表明CFRT经历200 ℃作用后，抗压性能比较稳定.主要原因是截面的等效温度并不高，已有试验表明，在此温度范围内，混凝土的高温损伤比较小，而RPC实际上经历了一次高温养护，强度还有所提高[21]，因而，组合柱的抗压性能没有出现明显退化.而当控制温度超过400 ℃后，CFRT试件的荷载轴向应变曲线出现明显变化.随着控制温度的升高，试件的峰值荷载不断降低，对应的应变不断增大，曲线的形状趋于扁平，组合柱的抗压性能退化明显.

C20GZ800的配箍率是C40GZ800的2倍，从图8（b）可以看到，前者的荷载峰值显著提高，且下降段更为平缓，曲线更为饱满.这表明增加配箍率可以有效提高CFRT柱高温后的抗压性能.C4035800为双层配箍试件，总的配箍率与C20GZ800相同，但两者高温后的荷载轴向应变曲线有较为明显的差别：前者荷载峰值相对较高，但下降段性能退化较为严重，变形能力降低.

3.3承载力和刚度

表1给出了试件高温作用后的承载力Ntu和轴压刚度EAT，试件承载力取其峰值荷载，轴压刚度取荷载轴向应变全曲线上0.4 Ntu点的割线刚度[21].

C40GZ系列高温后力学性能变化情况如图9（a）所示.CFRT试件经历200 ℃高温作用后，其承载力几乎不变.但这以后，承载力随试验温度的升高几乎成线性降低.经过800 ℃高温作用后，CFRT的残余轴向承载力约为常温下承载力的62%.在试验范围内，CFRT试件的轴压刚度随试验温度的升高显著降低，相对于承载力，刚度的降低幅度更大，经过800 ℃高温后，CFRT的轴压刚度下降幅度超过80%.从图9（a）的整体变化趋势来看，CFRT高温后的轴压性能随温度提高而显著降低，主要原因是RPC、内部混凝土以及钢筋等组成材料，经历高温后的力学性能均会出现不同程度的降低，从而导致组合柱抗压性能产生显著退化[21-23].即便如此，与已有试验数据相比较，CFRP高温后的残余性能仍然显著优于普通箍筋约束混凝土柱高温后的残余性能[15].因此，CFRT柱的抗火性能突出，在经历800 ℃高温作用后仍然拥有较高的残余承载力，但也应该注意到其轴向变形有显著增加，可能会导致相邻的构件产生较为显著的内力重分布.

温度/℃（a）C40GZ系列试件

（b）配箍率与配箍方式变化试件

图9（b）给出了C40GZ800、C20GZ800和C4035800试件的高温后力学性能对比，图中，数据为各试件结果与C20GZ800结果的比.G20GZ800与G40GZ800相比较，高温后的承载力超出13.8%，刚度也有所提高，其主要原因是：一方面，提高配箍率有利于限制核心混凝土在高温下的侧向膨胀和裂缝的开展，从而降低了CFRT试件的高温损伤程度[15]；另一方面，在高温后的轴压受力过程中，更高的配箍率为内部混凝土提供了更强的侧向约束，从而提高了CFRT高温后的抗压性能.文献[24]进行了相同配箍率下CFRT的常温抗压试验，相应试件的承载力提高幅度约为28.3%，由此可见，高温对箍筋的约束效应有显著的降低作用.

C4035800的承载力与刚度较之C20GZ800分别提高了8.5%和33.6%.这一结果表明，在总配箍率相同的情况下，双层配箍方式可以有效改善CFRT试件高温后的抗压性能.其原因应该是将一部分约束箍筋设置在内部混凝土中，温升会有所降低，减轻了这部分材料本身的高温损伤以及箍筋与混凝土的粘结损伤，因而对高温后的抗压性能有利.但从前述破坏形态和延性来看，双层配箍方式降低了试件的变形能力.这表明配箍方式对CFRT高温后的抗压性能有显著而复杂的影响.在配箍率不变的情况下，内部混凝土中配置适量的螺旋箍筋可以改善CFRT高温后的抗压性能

4残余承载力分析

钢筋混凝土柱在高温后残余承载力对结构安全具有重要影响，一般采用残余承载力比衡量，即结构柱经历高温后的承载力与常温下承载力之比[25].为研究CFRT这一新型组合柱高温后的承载力退化情况，作者采用近年来国内外对钢筋混凝土短柱高温后的轴压试验结果与之对比[26-29]，试件参数及残余承载力比如表3所示.

高温后残余承载力比与控制温度的相关曲线如图10所示.大量试验表明，钢筋混凝土柱高温后的承载力随控制温度的升高而逐步降低，并与受火时间、升温制度、截面尺寸、截面形式、净保护层厚度等因素相关[25].从图10可以看到，CFRT符合这一规律.同时，可以看到文献[26]的试验结果在超过400 ℃后，与此规律不相符，具体原因其作者没有特别说明.除此以外，与普通钢筋混凝土短柱的轴压结果相比较，尽管CFRT试件的混凝土净保护层厚度最小，但控制温度超过400 ℃后，其残余承载力比相对

更高.一个重要原因是掺入的PVA纤维和钢纤维

5结论

本文对大尺寸CFRT试件进行高温试验和高温后的轴压试验，并对其高温后的力学性能进行初步探讨，得到如下结论：

1）CFRT试件高温作用下未发生爆裂，高温后RPC管外观完整，CFRT组合柱具有优异的抗爆裂性能.

2）CFRT试件高温后的轴压承载力和刚度随试验温度的提高而降低，且刚度的降低幅度更为显著.经历800 ℃高温作用后，CFRT试件的轴压承载力约为常温下的62%，残余承载力相对较高，抗火性能良好.

3）高温作用后，CFRT试件的抗压性能随配箍率的增大而提高，提高配箍率有利于提高CFRT柱的抗火性能.在总配箍率相同的情况下，采用双层配箍方式，可以改善CFRT柱高温后的抗压性能.

4）与普通箍筋混凝土柱相比较，CFRT柱高温后的残余承载力比更高，抗火性能更为优异.

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