高温后不同轻质混凝土的劣化性能

李亚涛,薛盟盟

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037; 2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160)

1 概述

轻质混凝土因骨料多孔性而具有轻质高强、抗裂、抗震和抗冲击性能好等优点，但也因其多孔性而导致高温时蒸汽压力大，由此造成其抗高温爆裂温度较普通混凝土低。为了改善这一缺陷，通过掺入适量纤维，使其在高温时发生熔融而形成蒸汽压力释放通道，或通过提高混凝土内部热导率等方式以实现抗高温爆裂性能。如文献[1]认为聚丙烯纤维(PPF)在高温时发生熔化后所形成的孔隙有助于高温气体释放，从而提高了抗爆裂温度。陈炜等[2]发现CBF对高温下高强混凝土的抗压强度提高有贡献，且能显著改善高强混凝土的峰值韧性。王志坤等[3]发现钢纤维混凝土可以增强基体本身的黏聚力，从而减小温度应力带来的损伤。文献[4]表明，轻骨料混凝土加入钢纤维可增强其延性，并提高其耐高温性。除此之外，用轻骨料替代普通骨料配置而成的自密实轻骨料混凝土(SCLWC)，同时具有轻骨料混凝土和自密实混凝土的特性，不仅具有良好的力学性能，而且具有良好的耐久性。吴熙等[5]对自密实混凝土试验前后的抗压、抗折、超声波速及其自身质量进行对比分析，发现其质量损失更大、更易爆裂，但其高温后的超声波速和残余强度损失更小。本文在ALWAC中掺入不同种类的纤维，通过观察高温后不同FRALWAC表面色泽、裂纹爆裂情况，然后再对其力学性能进行研究，比较不同种类纤维对轻质混凝土的高温改善作用，并和SCLWC进行比较分析，分析不同轻质混凝土高温后的劣化性能。

2 试验概况

2.1 材料选择

采用普通硅酸盐水泥(坚固牌P.O42.5级)；轻骨料选择页岩陶砂(简称陶砂)和页岩陶粒(简称陶粒，Φmax=15 mm)，其中，陶粒的堆积密度为755.0 kg/m3，筒压强度为3.6 MPa，24 h吸水率为4.0%；陶砂的堆积密度为806 kg/m3，细度模数3.2，24 h吸水率为12.5%；本次试验采用山东泰安智荣工程材料有限公司生产的聚丙烯束状单丝纤维(简称PPF)、短切玄武岩纤维(简称CBF)以及钢纤维(简称SF)，性能指标如表1所示；粉煤灰为焦作电厂产二级灰；减水剂为萘系高效复合减水剂，减水率为15%，掺量为胶凝材料质量的0.45%。

表1 三种纤维的物理性能指标

2.2 配合比

通过多次配比实验，得到LC30ALWAC和LC30SCLWC的最优配合比如表2,表3所示，纤维采用单掺和双掺两种类型，根据课题组前期试验确定纤维最优掺量如表4所示。

表2 LC30ALWAC的配合比与试验值

表3 LC30SCLWC的配合比与试验值

表4 纤维最优掺量

2.3 试验方案设计

试验以LC30ALWAC，SCLWC，FRALWAC试件为研究对象，在标准条件下养护28 d后放入高温炉中进行试验。试验采用加热室尺寸为300 mm×200 mm×120 mm的TDL-1400F(北京德志融泰环保科技有限公司)箱式高温炉，加热速率15 ℃/min。将试件加热到预定温度，并且持温6 h后使其自然冷却至室温。400 ℃时ALWAC部分试块爆裂，450 ℃时，ALWAC全部爆裂；高温达到600 ℃后，SCLWC全部爆裂；650 ℃时单掺CBF，SF的ALWAC部分试块爆裂，700 ℃时试块全部爆裂；而单掺PPF、混掺PPF+CBF、混掺PPF+SF的ALWAC试块在温度达到800 ℃时仍未发生爆裂。然而FRALWAC在600 ℃高温时，其轴心抗压强度已低于0.4fc。以高温后试件的轴压强度fTc不低于0.4fc作为本试验的最高温度。因此设定ALWAC的试验温度范围为100 ℃～400 ℃，SCLWC和FRALWAC试验温度范围为100 ℃～600 ℃。

3 高温后试验现象

ALWAC试件表观在经历过不同温度后，呈现出不同的变化。100 ℃后，试件颜色和表面状态与常温无异；200 ℃后，试件颜色开始泛白，表面无裂缝；300 ℃后，试件表观开始呈浅褐色，并且出现了少量细小裂纹；400 ℃后，试件变为褐色，裂纹增加，且有掉皮、掉角现象；450 ℃后，试件爆裂。

100 ℃后，SCLWC试件的颜色和表面状态与常温无异；200 ℃后，试件呈浅灰色，外观完整；300 ℃后，试件呈灰白色，外观基本完好但出现少量裂纹；400 ℃后，颜色由灰白色变为浅褐色，并且有较多纹出现；500 ℃后，试件由浅褐色变为红褐色，表面裂纹密布，部分试件开始掉角，部分发生爆裂；600 ℃后，试件全部爆裂。而FRALWA经历600 ℃高温后均未发生爆裂。不同温度下，FRALWAC试件呈现出的不同特点如表5所示。

表5 全轻纤维混凝土高温冷却后表观特征

4 试验结果及分析

4.1 抗压强度劣化性能

(1)

表6 高温后不同轻质混凝土抗压强度折减系数 MPa

由图1可知：1)除SCLWC外，其余轻质混凝土均出现强度回升现象，并在200 ℃时强度达到最大。这是由于随着温度的升高，骨料内部自由水蒸发，结构收缩，轻骨料的多孔性，水蒸气循环，在内部形成高温蒸汽养护的效果，使其强度有所提升，这种回升也和由于吸收的水分的流失引起的凝胶颗粒之间的表面力的增加相关。随着温度的升高，混凝土内部脱水严重，水泥收缩而骨料膨胀，出现裂纹并开始扩展，使其强度急剧下降。2)FRALWAC高温后的残余抗压强度要高于ALWAC，因为掺入纤维后的轻骨料混凝土在高温环境下出现裂纹时，纤维的存在能起到桥接的作用，阻止裂纹的快速扩展，尤其掺入SF的效果最好，而由于纤维的混杂效应，混掺纤维比单掺纤维能更好的改善轻质混凝土的高温性能，比如PPF+SF。3)SCLWC出现强度持续下降现象，因为自密实混凝土的密实性导致其内部水蒸汽不易释放，形成蒸汽压力，不仅不能形成蒸汽养护，反而使其强度降低，当蒸汽压力比混凝土抗拉强度高时，混凝土开裂直至爆裂，SCLWC抗压强度持续下降分为三个阶段：初始强度损失阶段，温度在20 ℃～300 ℃时，强度损伤较小，为8.7%；强度稳定和恢复阶段，300 ℃～400 ℃时，强度损伤为16.3%；永久强度损失阶段，400 ℃之后损伤较大，为31%。SCLWC虽不会出现强度回升现象，但是其高温爆裂前最终残余强度仅下降到试验前强度的70%，说明自密实混凝土经历高温环境后抗压强度并未损失太多。

4.2 轴心抗压强度劣化性能

(2)

表7 高温后不同轻质混凝土轴压强度折减系数 MPa

从图2中可知：

4.3 劈拉强度劣化性能

(3)

表8 高温后不同轻质混凝土劈拉强度折减系数 MPa

从图3中可知：

2)掺入纤维后，由于纤维能迅速阻止裂缝的产生及扩展，并在混凝土内部形成类似的网状结构，因此，FRALWAC的劈拉强度折减系数要高于ALWAC。

3)在整个温度范围内，SCLWC的相对劈拉强度最大，这是由于自密实混凝土内部结构较为密实，在高温下，相比其他轻质混凝土而言，不容易产生微裂纹。说明自密实混凝土高温后的劈拉性能高于FRALWAC，而纤维可以很好的改善轻骨料混凝土高温下的劈拉性能。

4.4 应力-应变曲线的劣化性能

如图4所示，试验选取了三种轻骨料混凝土在不同温度下的应力-应变曲线。ALWAC在高温下脆性比普通混凝土大，其应力-应变曲线的下降段无法测得，而纤维的掺入可以较好的抑制混凝土在高温下裂纹的扩展，延长其破坏时间；FRALWAC的应力-应变全段曲线可以测得，且其应力-应变曲线高温下与常温下基本一致，且试验结果与同济大学陆洲导[6]提出的方程相吻合，如式(4)所示。常温下的应力-应变的曲线方程可使用文献[7]中提出的公式，如式(5)所示。

(4)

(5)

(6)

表9 不同温度时的峰值应力与峰值应变

从图4可知：

1)无论是ALWAC还是各种FRALWAC的应力-应变曲线均随着温度的提高逐渐下降、向右移动，峰值应力不断下降，峰值应变明显增加，曲线上升段斜率显著减小，表明弹性模量不断降低，说明随着温度的升高混凝土内部损伤逐渐加剧。2)FRALWAC由于纤维的掺入，其峰值应力都比ALWACRC的要高，而峰值应变也会较ALWAC减小。由表9可知，单掺纤维尤其以SF效果更明显，一方面因为SF的存在提高了混凝土内部的导热速率，减小了内部温度梯度，从温差热应力得到减小，使热应力产生的裂纹的延伸和扩展减小；另一方面，SF具有显著的阻裂作用，其均匀分布在混凝土结构内部，形成类似的网状结构，可以很好地抑制并阻止裂缝的产生及扩展。混掺PPF+SF时，峰值应力达到最大，效果最佳，除了钢纤维的作用，PPF发挥了更多的作用。一方面PPF的熔点较低，达到熔点温度时便会熔化，并且挥发逸出，这时会在混凝土结构内部留出部分通道，这部分通道均匀分布在结构体内，使得在高温下混凝土内部的温度和蒸汽可以散发出去，使其不会产生很大的蒸汽压力，提高了混凝土的爆裂温度；另一方面，PPF和SF两种纤维在混凝土结构内部相互缠绕，乱向分布，形成一个三维均匀分布体，发挥各自的增强增韧机理能够更好的抑制混凝土在高温下产生微裂缝，并且能在产生裂缝时，利用大量的纤维堵塞裂缝，起到很好的桥接作用，阻止裂缝的迅速扩展，提高轻骨料混凝土的刚度和延展性，提高混凝土高温抗爆裂性能，改善其高温后的韧性。

4.5 高温耗能分析

材料单位体积的变形性能为材料的韧性，材料遭受破坏时所吸收的能量可通过对应力-应变曲线积分，即图形上所围面积表示。由图4可知，ALWAC加入纤维后不仅峰值应力变大，曲线围成的面积也随之增大，说明纤维的加入能够提高轻质混凝土高温下的韧性。另一方面，每一种混凝土在不同的温度下围成的面积也不相同，单掺与双掺也不同，因此本文着重分析了单掺CBF、双掺CBF+PPF在不同高温下的能量，并用峰前能量Ef、峰后能量Eb和总能量Et表示，如图5所示。

由图5(a)可知，500 ℃之前，能量基本一直在增大，而500 ℃开始下降，这可能是由于500 ℃时，混凝土基体已经开始爆裂，纤维也基本熔化完全。另一方面，混掺PPF+CBF纤维的ALWAC的峰值前、峰值后及总能量均比单掺CBF的要高，特别是峰值后要高更多。这是因为混掺纤维时，CBF和PPF共同作用，共同承担了混凝土在塑性变形过程中产生的能量，从而减少了混凝土内部微裂缝处的应力集中，阻碍了微裂缝的扩展，不仅提高了混凝土高温抗爆裂能力，更提高了轻骨料混凝土的高温韧性。

5 结语

本文通过观测七种不同轻质混凝土在高温后的爆裂情况、相对抗压强度、相对轴压强度、相对劈拉强度，及应力-应变曲线得出如下结论：

1)200 ℃以内，除SCLWC外其余轻质混凝土均出现抗压强度回升现象，但所有混凝土的轴心抗压强度和劈拉强度随温度的变化趋势相同，呈线性下降趋势。2)ALWAC在450 ℃左右时就发生爆裂，掺入CBF和SF后在700 ℃时就完全爆裂，而掺入PPF后在800 ℃时仍未发生爆裂，表明PPF与其他纤维相比，更能很好的改善轻骨料混凝土高温抗爆裂性能。3)SCLWC由于其密实性，导致其高温下抗爆裂性能较差，但是其爆裂前的残余抗压强度仅下降到试验前强度的70%，表明其经历高温后抗压强度损失并不严重，仍可承受荷载。4)由于ALWAC高温后脆性过大，因此无法测得其高温后应力-应变曲线的下降段，而FRALWAC可测得应力-应变全段曲线，且与常温下的曲线基本一致；FRALWAC的峰值应力均高于ALWAC，能量也随之增大，表明纤维的加入，特别是混掺纤维能够很好的提高混凝土的强度和韧性。