高温后玄武岩纤维混凝土力学性能弱化规律试验研究*

丁传海

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

目前，针对常规环境与高温后玄武岩纤维混凝土的物理、力学性能研究已取得了一定成果，而针对高温后玄武岩纤维混凝土的力学弱化规律与机理方面研究较少；本文基于长12mm、含量0.6%的玄武岩纤维混凝土试样，借助单轴压缩、三点弯曲试验，分析其高温后的力学性能弱化特性，进而为纤维混凝土力学、耐高温性能研究与应用提供一定的理论、试验依据。

1 试验设计

1.1 材料选取

为研究高温后玄武岩纤维混凝土力学性能的弱化规律，需对试验所用混凝土各组成材料进行设计选取。玄武岩纤维混凝土的主要组成材料包括水泥、水、粗细骨料和玄武岩纤维等，具体为：①水泥 采用金隅P·O42.5复合硅酸盐水泥，细度为4%(干筛法)，标准稠度用水量P为25.9%，28d抗压强度值为59.5MPa；②细骨料 采用密度为2.650 t/m3的水洗河砂，其含泥量、含水率需符合要求；③粗骨料 采用密度为2.80 t/m3、粒径为5～20mm、压碎指标为13.5%的碎石；④拌合用水 按国家规范要求，采用日常饮用自来水；⑤玄武岩纤维 采用上海臣启化工科技有限公司生产的12mm古铜色粗纱，该纤维的密度为2.699g/cm3，抗拉强度>2 000MPa，抗伸弹性模量>85GPa，熔点约为1 450℃。

1.2 试样制作及试验实施

为研究高温后玄武岩纤维混凝土力学性能及弱化机理，需进行混凝土立方体抗压强度与抗折(三点弯曲)试验，所选用基准混凝土强度等级为C30。用于抗压强度试验的试样尺寸为100mm×100mm×100mm，用于测定断裂性能的棱柱体试样尺寸为400mm×100mm×100mm，且需在试样长度方向的正中间预制1条宽2mm、高40mm的裂缝。

为达到本文研究目的，需进行20，200，400，600，800℃ 5种高温试验工况；在试验过程中注意事项如下：玄武岩纤维混凝土试样放入高温炉中，试样间需有一定间距，确保试样能各面受热良好，当试样加热到设置的目标温度后，需恒温1h，然后打开炉口待其自然冷却至常温，取出混凝土试样，观察混凝土的表面颜色、表面裂缝、表面完整性等宏观现象。

2 力学性能试验表观特征与规律

基准混凝土和玄武岩纤维混凝土高温后试样表观特征如图1所示，分析可知，含量0.6%、掺量12mm长玄武岩纤维混凝土与基准混凝土在高温后表观变化相一致；试样经20℃到800℃ 5种高温后的颜色变化顺序依次为：灰色→淡青灰色→浅白黄色→浅黄色→土黄色，其中以200℃为分界，0～200℃颜色变化相对较少，400～800℃颜色变化相对较少。

图1 不同温度下2种混凝土表观特征

观察与分析试样表面裂缝变化可知：①20℃和200℃后的立方体试样表面无明显裂缝；②400℃后试样表面出现少量微裂缝；③600℃后试样表面微裂缝数量逐渐增多，且已有裂纹也有不断增大趋势，同时在试样局部边和角的位置出现破裂等现象；④800℃后试样的表面会新增少量宽长裂缝，主要为微裂缝，且裂纹间出现明显的交汇现象，但主要区别在于，普通混凝土600℃后立方体试样表面微裂缝增多、增长，而玄武岩纤维混凝土裂缝较少。

分析可知，高温后混凝土质量相对变化率和烧失量均呈线性分布(见表1与图2)，玄武岩纤维混凝土线性规律性更强，其相关性高达98%，而普通混凝土为96%。

图2 不同温度下0.6%掺量12mm玄武岩纤维混凝土质量变化规律

表1 高温后混凝土相对质量及烧失量变化 g

3 力学性能试验结果与规律

3.1 单轴压缩性能试验结果与规律

玄武岩纤维混凝土高温后抗压强度及其变化规律曲线如图3，4所示，由分析可知，普通混凝土和玄武岩纤维混凝土的单轴压缩强度随温度变化规律整体保持一致，吻合二次函数方程，可将其划分为2个阶段：①稳定变化阶段 20～400℃时，试块抗压强度随温度的升高而升高，但变化幅度很小；②急速劣化阶段 600～800℃时，试块抗压强度随温度的升高而降低，此时的变化较大(见表2)。

表2 玄武岩纤维混凝土高温后的力学性能变化值

图3 玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度曲线

图4 玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度变化曲线

进一步分析可知：①在常温情况下，玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度高于普通混凝土；②对200～400℃高温后的玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度较普通混凝土略低(约在3MPa)；③高温对玄武岩纤维混凝土抗压强度影响程度比普通混凝土小很多，其中200℃时降低比例为4.41%(玄武岩纤维混凝土)及28.42%(普通)；400℃时降低比例为5.65%(玄武岩纤维混凝土)及32.75%(普通)；600℃时玄武岩纤维混凝土劣化程度为18.49%，而普通混凝土劣化程度为3.22%；800℃时普通混凝土和玄武岩纤维混凝土劣化程度相近，分别为49.17%，52.59%。由此可知，长12mm、含量0.6%的玄武岩纤维混凝土在600℃以内具有很好的耐高温性能。

3.2 试样三点弯曲试验的断裂力学性能分析

根据玄武岩纤维混凝土三点弯曲试验过程中试样起裂应力与温度变化、变化率之间的规律，可得出图5，6，进一步分析可知：①常温和高温后玄武岩纤维混凝土的起裂应力均高于普通混凝土，且随温度升高，玄武岩纤维混凝土的劣化程度与普通混凝土相比有明显降低；②高温后玄武岩纤维混凝土和普通混凝土的起裂应力均随温度升高而呈线性降低。

图5 玄武岩纤维混凝土起裂应力随温度变化曲线

图6 玄武岩纤维混凝土起裂应力随温度变化率曲线

玄武岩纤维混凝土断裂韧度与温度、温度变化率之间的关系如图7，8所示，由图可知：①常温情况下和高温后的玄武岩纤维混凝土断裂韧度高于普通混凝土；②随温度升高，玄武岩纤维混凝土的劣化程度较普通混凝土降低；③高温后普通混凝土和玄武岩纤维混凝土断裂韧度与温度呈二次函数分布。

图7 玄武岩纤维混凝土断裂韧度随温度变化曲线

图8 玄武岩纤维混凝土断裂韧度随温度变化率曲线

3.3 试样三点弯曲试验的断裂特征分析

借助数字图像相关测试技术(DIC图像技术)，测得试样断裂试验过程中的水平位移云图(见图9，10)，为进一步研究其高温后的断裂特征，选取20，200，400，600，800℃高温后试样进行分析，并定义：沿x方向为水平正位移，反之为水平负位移；则可将高温后玄武岩纤维混凝土的抗折试验过程分为3个阶段。

图9 玄武岩纤维混凝土破坏特征图

图10 玄武岩纤维混凝土位移场云图(单位：像素)

1)加载初期阶段(应力和变形差异形成阶段) ①水平位移场以预制裂纹为分界面，在其左侧出现较小负位移，而右侧出现的正位移较大，但在试样上部分层现象不明显；②试样的应力主要集中在预制裂纹尖端附近，则在位移云图上也表现出颜色差异分离的现象；③根据试验结果进一步推测分析可知，试样在预制裂纹尖端附近部位各点的变形和应力分布及变化不均匀，可能是试样存在内部混凝土不密实或制样缺陷等原因造成。

2)荷载持续增加阶段(裂缝稳定扩展阶段) ①在切口下部的正、负向位移区均呈现向上扩展趋势，且水平位移(宏观裂纹)的突变处在切口尖端；②试样在切口处开裂后未立即破坏，而是伴随着荷载增加，水平位移突变区域不断向上扩展后形成明显的分界线；③试样混凝土在裂缝起裂后并未立即失稳扩展，进一步说明存在稳定扩展阶段。

3)荷载达到峰值阶段(试样破坏阶段) 随着荷载增大，试样的水平位移迅速增大，此时试样的宏观裂缝贯通，且发生完全破坏。

与高温后混凝土断裂过程相比，其主要区别在于，荷载持续增加阶段(裂纹扩展阶段)，随着温度的升高，位移云图中位移突变区域更加明显和光滑，不再出现锯齿形波动(锯齿形波动幅度和区域越来越小)，裂纹扩展时更加迅速；而玄武岩纤维可有效降低裂缝开裂、扩展速度，进而表现出较好的耐高温性。

4 结语

本文通过单轴压缩、三点弯曲试验研究了普通混凝土和长12mm、掺量0.6%玄武岩纤维混凝土高温后试样的宏观特征、混凝土立方体抗压强度、抗折强度变化规律及弱化机理，得到如下结论。

1)玄武岩纤维混凝土和普通混凝土随着温度的升高，其抗压、抗折强度变化规律大致相同，差异在于裂纹数量和长度；其抗压强度均是先升高后降低，差异在于升高、降低幅度不同；其抗折强度都降低，差异在于降低幅度不同。

2)玄武岩纤维混凝土和普通混凝土质量损伤量与温度呈线性负相关。

3)玄武岩纤维混凝土和普通混凝土在抗折试验过程中均存在明显宏观裂缝稳定扩展阶段，此阶段决定着试样的抗折强度；随着温度的升高此阶段逐渐较小，裂缝扩展更加迅速，抗折强度更小。