高温后混杂纤维再生混凝土力学性能试验研究

朱柏衡，刘华新

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州121001)

再生骨料作为一种天然骨料的替代材料，目前仅在道路建设和低等级的建筑物中应用。为了应对自然资源的破坏、建设需求的增加和填埋成本的提高，加大对再生混凝土(RAC)的研究和使用符合社会的可持续发展需求。火灾或者高温除了影响混凝土外观外，还会对混凝土结构造成损伤[1−2]。混凝土中掺入纤维可以防止混凝土高温爆裂和降低高温损伤[3−8]。陈炜等[3]探究了升温速率和玄武岩纤维(BF)掺量对高强混凝土力学性能的影响，发现随着温度升高，残余抗压强度呈现先增加后降低趋势。杨娟等[4]比较了在加热速率2.5℃/min和7.5℃/min下单掺、混掺钢/聚丙烯纤维对超高强混凝土(UHPC)残余性能和破坏模式的影响，发现加热速率7.5℃/min相较于2.5℃/min更容易引起UHPC的高温爆裂，而混掺钢/聚丙烯纤维对残余强度没有明显的正协同作用。GUO等[5]发现纤维素纤维(CF)有助于混凝土内部蒸汽压力的释放，缓解内应力引起的损伤。XARGAY等[6]发现混杂纤维增强了自密实高强混凝土开裂韧性，对残余抗压和劈裂抗拉强度也有改善效果。赵燕茹等[7]发现玄武岩纤维的掺入提高了混凝土高温后抗压和抗折强度，而抗折强度随温度上升而降低。张文潇[8]发现纤维素纤维(CF)改善混凝土高温爆裂效果显著，高温暴露时间越久，纤维熔化后留下的孔道体积增大越明显，宏观上表现为混凝土力学性能下降。关于纤维混凝土的研究集中于普通混凝土、高性能混凝土和自密实混凝土，对混杂纤维RAC高温后力学性能研究很少。本次研究选取低熔点、低弹性模量的纤维素纤维(CF)和高熔点、高弹性模量的玄武岩纤维(BF)，探究两者在改善RAC高温后抗压和劈裂抗拉方面的协同效果，为火灾或高温后修复和加固HFRAC结构提供试验依据。

1 试验

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥：渤海42.5级P.O水泥；细骨料：天然河沙，细度模数2.7，Ⅱ区级配；粗骨料：天然粗骨料为花岗岩碎石，再生粗骨料由废弃混凝土破碎、筛分而来，基本性能见表1；水：普通自来水。纤维类型及性能指标见表2。本试验基准组配合比见表3。根据纤维体积掺量分组见表4。

表1 粗骨料基本材料性能Table 1 Properties of recycled coarse aggregate

表2 纤维性能指标Table 2 Fiber performance index(according to producer’s data)

表3 RAC基准组配合比Table 3 Mix proportion of RAC kg/m3

表4 试验分组Table 4 Test groups

试验按照CECS13:2009《纤维混凝土试验方法标准》[9]进行，用额外的水提前12 h浸泡再生骨料，以补偿其吸水性。每组立方体抗压试件、劈裂抗拉试件各3个，共浇筑150个边长100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。达到脱模强度后进行脱模，放入标准养护室养护28 d，为防止试件内水分含量过高造成高温爆裂，养护结束后自然通风静置1个月。

1.2 试验方法

本试验采用的电阻炉自带温度控制系统，升温速率为10℃/min。将试件分组放置于炉膛内，未施加任何荷载。通过预埋K型热电偶测得升温过程中试件中心温度−时间曲线，如图1所示，并结合先前的研究[10−12]，确定试件暴露在目标温度(20，200，400，600和800℃)下并恒温2 h，结束后自然冷却至室温。

图1 试件中心温度−时间曲线Fig.1 Center temperature-time curves of specimens

2 高温试验结果与分析

2.1 高温后外观特征

试件在经历不同温度后外观有所变化。室温时为浅灰色，接近200℃时，少量白烟从炉内冒出，取出后外观为青灰色；400℃初始，炉内有大量白烟涌出，恒温结束后，棱角轻微剥落，部分表面出现少量细小裂纹，颜色变化不明显；600℃后，表面裂纹进一步加重并出现不一致的剥落现象，其中RAC和HFRAC0剥落和疏松较为严重，部分棱角脱落；800℃后，试件颜色呈现浅黄色，裂纹数量骤增，相连成网，宽度和长度均有所增大，RAC和HFRAC0破坏依旧显著。总体上，400℃前，试件均较为完整性。400℃后，试件表面损伤程度逐渐提高。相同温度后，RAC试件表面损伤较HFRAC更为严重，这表明CF和BF可以减少RAC表面剥落损伤。

2.2 高温后质量损失率

试件的质量损失率(质量损失与室温时质量之比)和温度之间的关系如图2所示。可见，随着温度升高，各组试件质量损失变化规律相似。20～200℃时，基体内全部的物理结合水和毛细水蒸发，并且105℃后，部分化学结合水因去水化反应而散失，造成质量损失，200℃时的质量损失率在2.5%～4.8%；200～400℃时，高温改变了RAC内部孔隙结构，孔隙率提高，化学结合水进一步的散失[13]，质量损失率达到6.4%～8.1%，此阶段RAC质量损失与HFRAC接近；400～600℃时，试件处于温和质量损失阶段，质量损失主要来源于化学结合水的消散和Ca(OH)2的分解，质量损失率在7.8%～9.4%；随着升温进行，质量损失显著增加，一方面来源于C—S—H凝胶和碳酸钙的高温分解[14]，另一方面，部分RAC试件表面剥落造成进一步的质量损失，800℃时的质量损失率在10.1%～12.4%。此外，由图2可知，200℃作用后，RAC质量损失率低于其他4组HFRAC。而800℃后，RAC质量损失率为12.4%，较HFRAC组高0.6%～2.3%。主要原因是：CF在175℃左右时达到熔点，熔化后留下大量通道连通了混凝土基体内部孔隙，为蒸汽和热能逸出提供了途径，加快了质量损失。400～800℃时，高熔点的BF的增韧阻裂作用减少了RAC表层剥落，改善了RAC完整性。

图2 不同温度后试件质量损失率Fig.2 Mass loss rate of specimen after different temperatures

3 抗压试验结果与讨论

3.1 破坏模式

相较于RAC的脆性破坏，HFRAC各组试件出现相似的延性破坏。HFRAC压缩过程中，试件破坏后表面出现大量裂纹，600℃前较完整，800℃时出现片状剥落，完整性下降。图3展示了HFRAC0.2压缩破坏形态。

图3 高温后HRAC0.2的抗压破坏形态Fig.3 Compressive failure mode of HRAC0.2 after high temperatures

3.2 抗压强度

与天然骨料混凝土(NAC)相同，抗压强度是评定高温后RAC残余性能的有效方法之一，测得抗压强度如图4(a)所示。相对抗压强度为混凝土高温作用后抗压强度与常温时抗压强度之比，如图4(b)所示。随着温度升高，RAC残余抗压强度持续下降，始终低于HFRAC。200℃后，RAC相对抗压强度为89.9%，HFRAC较升温前强度提高0.7%～5.7%。原因是：CF在较低的温度(175℃左右)时熔化，留下的微通道释放了部分混凝土基体中的拉应力，也为纤维表面附着的水分与未熟化的水泥二次水化提供途径，增强了抗压能力。400℃可作为分界点，400℃前，HFRAC抗压强度持续上升，HFRAC0，HFRAC0.1，HFRAC0.15和HFRAC0.2分别较室温增加了6.8%，7.5%，11.1%和4.5%，RAC抗压强度先降低后上升。400℃后，各试件残余率均不断下降，这是由于CF熔化后形成的熔洞有助于均衡混凝土基体内外温差，降低基体中内应力，此外BF与基体紧密粘结形成整体，共同承担内部应力。400℃后，基体内水化产物不断分解，孔隙结构遭受严重破坏。600℃后，各组试件抗压残余率均显著下降。其中RAC下降44.7%，4组HFRAC平均下降29.9%。800℃后，RAC抗压强度14.8 MPa，HFRAC抗压强度平均19.3 MPa，分别较初始强度下降72.7%和58.9%。

图4 抗压强度和相对抗压强度Fig.4 Compressive strength and relative compressive strength

乱向分布的BF在空间上与混凝土基体紧密黏结，将断裂的基体重新连接，从而抑制裂纹扩展，有效提高了RAC的抗压强度。BF和CF体积掺量均为0.15%时，抗压强度表现均优于其他组，这说明适量混掺BF和CF可以形成正协同效应，但纤维含量过低或过高都会增加基体内部缺陷，出现负协同效应，这与DING等[15]的研究结果相符。值得注意的是，800℃后，虽然单掺CF组HFRAC0抗压强度较混掺纤维组HFRAC0.2高8.3%，但其试件表面剥落更加严重，这表明相较于单掺CF，混掺纤维对高温下RAC整体性有提高作用，抗压强度与表面损伤程度无必然联系。

此外，可通过试验数据建立HFRAC0，HFRAC0.10，HFRAC0.15和HFRAC0.20试件高温后的相对抗压强度与温度T的拟合关系，见式(1)～(4)，其中CF体积含量均为0.15%。

通过SPSS软件可将上述拟合关系由式(5)统一表示，此关系式适用于CF体积掺量0.15%，BF体积掺量0，0.10%，0.15%和0.20%的情况。

式中：T为目标温度；f T cu和fcu分别为边长100 mm的HFRAC立方体试件高温后和室温时的抗压强度；Vbf为玄武岩纤维体积掺量；R2为相关系数。

图5 显示了高温后RAC[16]，NAC[17]和HFRAC的抗压强度残余率曲线。可以看出：HFRAC的抗压残余率高于前两者。400℃时，HFRAC抗压残余率与NAC接近，高于RAC。800℃时，HFRAC抗压残余率降至40%，约为NAC和RAC的2倍，这归因于混杂纤维能够抑制高温对混凝土基体孔隙结构的破坏。此次对比只为定性分析3种类型混凝土高温后抗压残余率变化情况，未定量考虑其他影响因素。

图5 NAC，RAC和HFRAC抗压强度残余率曲线Fig.5 NAC,RAC and HFRAC compressive strength residual rate curves

3.3 劈裂抗拉强度

高温后劈裂抗拉强度和相对劈裂抗拉强度与抗压强度变化趋势相似，结果分别如图6(a)和图6(b)所示。HFRAC高温后的劈裂抗拉强度大于RAC。200℃后，HFRAC组平均抗拉强度是后者的1.2倍。随着温度升高，HFRAC抗拉强度略有升高，在400℃时达到峰值5.06 MPa，是RAC的1.3倍。400℃后，两者残余抗拉强度迅速下降，相对残余抗拉强度逐渐接近。800℃后，HFRAC劈裂抗拉强度均值较常温时下降61%，是RAC的1.3倍。值 得 注 意 的 是，HFRAC0.1组 和HFRAC0.15组高温后劈裂抗拉强度显著优于其它组，且两者差距较小，表明0.1%和0.15%体积掺量处于BF最优掺量区间内。

图6 劈裂抗拉强度和相对劈裂抗拉强度Fig.6 Splitting tensile strength and relative splitting tensile strength

此外，可通过试验数据建立HFRAC0，HFRAC0.10，HFRAC0.15和HFRAC0.20试件高温后的相对抗压强度f T t/ft与温度T的拟合关系，见式(6)～(9)，其中CF体积含量均为0.15%。

类似地，可通过SPSS软件将上述拟合关系由式(10)统一表示，此关系式适用于CF体积掺量0.15%，BF体积掺量0%，0.10%，0.15%和0.20%的情况。

图7 NAC，RAC和HFRAC劈裂抗拉强度残余率曲线Fig.7 NAC,RAC and HFRAC splitting tensile strength residual rate curves

将HFRAC与RAC[16]，NAC[17]的劈裂抗拉强度残余率曲线进行比较，可以看出：HFRAC的劈裂抗拉残余率高于后两者。400℃后，HFRAC强度残余率与常温时基本持平，RAC和NAC分别约为常温时的50%和60%。800℃后，HFRAC劈裂抗拉强度残余率降至常温时37%，RAC和NAC不足常温时的30%。此次对比为定性分析3种类型混凝土高温后劈裂抗拉残余率变化情况，未定量考虑其他因素影响。

4 结论

1)混杂纤维可以有效减少RAC高温后表面剥落和质量损失。相较于RAC的脆性破坏，混杂纤维再生混凝土(HFRAC)破坏模式为延性破坏。

2)HFRAC高温后抗压性能优于RAC。随着温度升高，HFRAC抗压强度均先缓慢上升，400℃后达到峰值，之后明显下降。RAC抗压强度除400℃时出现“高温固化”外，整体呈现下降趋势。高温后抗拉强度与抗压强度变化相似。HFRAC的劈裂抗拉强度优于RAC。800℃后，HFRAC抗拉强度较常温时下降61%，是RAC抗拉强度的1.30倍，整体上，当纤维素纤维和玄武岩纤维体积掺量均为0.15%时，HFRAC抗压强度最高。当纤维素纤维掺量0.15%，玄武岩纤维掺量0.10%和0.15%时，HFRAC的劈裂抗拉强度表现优于其他组。

3)建立了高温后HFRAC相对抗压强度和相对劈裂抗拉强度与温度的关系式。并将HFRAC高温后抗压强度残余率与劈裂抗拉强度残余率分别与NAC和RAC进行对比，发现高温后混掺纤维素纤维和玄武岩纤维的HFRAC残余率均高于NAC和RAC。