不同轻骨料混凝土高温后劣化性能探讨范文

摘要：为改善轻骨料混凝土高温后的劣化性能以及抗爆裂性能，将玄武岩、聚丙烯纤维以单掺和混掺的形式掺入到轻骨料混凝土基体中进行试验。结果表明，聚丙烯纤维有利于轻骨料混凝土的高温抗爆裂性能，而玄武岩纤维仅可推迟而不能阻止其高温爆裂。随着温度升高，不同轻骨料混凝土的色泽和表观变化规律大致相同；其立方体抗压强度在200℃以内略有升高，但随后一直下降；而轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量则呈直线下降趋势，但是掺入纤维后其残余力学性能指标均大于素全轻混凝土；高温后，应力－应变曲线上的峰值应力和峰值应变明显下降右移，这些特征变化反映了随着温度的增高，混凝土内部损伤加大及逐渐劣化。

关键词：轻骨料混凝土；高温；劣化性能；应力－应变曲线

目前，针对普通混凝土各方面性能的研究已经有详尽的试验和理论分析［1－3］，但关于轻骨料混凝土高温后劣化性能的变化规律仍需要进一步完善和研究［4－6］。随着对轻骨料混凝土研究和应用的推广以及建筑物出现火灾的频率增加，对其延性、防火性能等提出了更高的要求。在轻骨料混凝土中加入纤维，利用纤维的特性和增强、增韧机理可有效地改善轻骨料混凝土的延性和高温性能［7］。由于各种纤维的特性不同，掺入单一纤维只能改善某一方面的性能，如聚丙烯纤维在降低蒸汽压、抑制爆裂等方面已形成共识［8］。玄武岩纤维具有耐高温和低温热稳定性（可在－269～650℃连续工作），还具有高弹模、性价比高且与混凝土具有天然的相容性［9］，因此玄武岩纤维混凝土具有优越的力学性能、耐温性、防渗抗裂性和冲击韧性［10－11］。为了提高轻骨料混凝土的综合性能，通过添加混杂纤维让不同纤维混杂产生性能互补，配制出高性能的轻骨料混凝土。本文以LC30为例，将玄武岩、聚丙烯纤维以单掺和混掺的形式掺入全轻混凝土基体中，通过对最优掺量的全轻纤维混凝土经历目标高温后（20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃）力学性能进行研究，并与素全轻混凝土进行对比，进一步了解高温后纤维混凝土的力学性能变化情况，丰富纤维混凝土抗火方面的研究内容，以期为全轻混凝土在结构耐火设计及灾后评估方面提供理论依据与实验基础，促进纤维混凝土在土木工程领域的广泛应用。

1试验概况

1．1原材料水泥为焦作坚固牌P•O42．5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为焦作电厂Ⅱ级粉煤灰；页岩陶粒（以下简称陶粒）和页岩陶砂（以下简称陶砂）均为洛阳正全实业有限公司生产，前者最大粒径为15mm，堆积密度755kg／m3，筒压强度3．6MPa；后者堆积密度806kg／m3，细度模数Mx为3．2［12］；减水剂为萘系高效复合减水剂，掺量为胶凝材料总量的0．45％；水为自来水。

1．2配合比设计根据《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51－2002）中的松散体积法，初步确定LC30配合比的基本范围，然后通过正交试验的方法确定配合比，如表2所示。其中，坍落度为195～230mm。

1．3试验方案混凝土试件的规格尺寸为100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×300mm两种，在标准条件下养护28d，取出后放在室内风干一个月后进行高温试验，试验前应记录高温前试块的质量。试验采用北京德志融泰环保科技有限公司生产的TDL－1400F箱式高温炉，先计算达到设计温度的时间t＝（目标温度－炉内温度）／升温速率，升温速率为15℃／min，炉内温度为打开炉门时高温设备下面显示的温度（注：炉内温度并不是一个固定的温度），然后将试块置于高温炉内加热，为保证受热均匀，一般试块只放一排，且试块与试块之间留有空隙，炉膛温度可自动控制，一旦达到设计温度后并自动转化为恒温，为了保证试块内外温度一致，设定恒温时间为6h。最后，切断电源让试块自然冷却到常温后称量并记录轻骨料混凝土试块在高温后的质量，试验过程中注意观察试件颜色变化、裂纹发展等现象并做好记录，然后对试块做相应的试验，从而得到不同轻骨料混凝土在高温作用后的劣化性能。

2试验结果及分析

2．1试验宏观现象高温后，轻骨料混凝土受压破坏形态与常温不同，常温下破坏的全过程经历了弹性阶段、弹塑性阶段、内部微裂缝局部贯通、外部可见裂缝出现发展成主裂缝直至最后靠骨料间咬合作用维持残余强度等几个阶段。但是高温后，破坏形态将由常温下正倒相接的四角锥体破坏形态逐渐向整体压碎破坏形态过渡，在试块的加载过程中，温度越高，剥落碎块变小变多，加入纤维的轻骨料混凝土破坏形态不尽相同。由于PPF在170℃左右熔化消失，所以PPFRC试块的破坏形态与ALWC基本相似，BF在混凝土基体中呈三维乱向均匀分布，形成多向约束体系，起到了“二次微加筋”作用，减轻了混凝土内部微缺陷的引发和扩展，所以BFRC和HFRC试块的破坏形态要好于ALWC。

2．2质量损失率混凝土在高温条件下，其胶结材料－水泥石会产生一系列的物理、化学变化，内部水分气化，水化产物分解，质量发生变化。轻骨料混凝土在不同目标高温后质量损失率如表3所示，其中常温时ALWC、PPFRC、BFRC、HFRC的干表观密度分别为1570kg／m3、1630kg／m3、1655kg／m3、1570kg／m3。

2．3抗压强度损失混凝土经历高温后，其残余力学性能可以准确判断结构高温后的承载能力，而其强度损失采用折减系数去表征，即α＝fcuT／fcu，β＝fcT／fc，γ＝fstT／fst，δ＝ET／E，本试验条件下，测得不同轻骨料混凝土试块在经历不同温度后的极限抗压强度值和棱柱体轴心抗压强度。

2．4劈拉强度损失与弹性模量损失本试验条件下，测得不同轻骨料混凝土试块在经历不同温度后的劈裂抗拉强度值，如表6所示。温度对残余劈裂抗拉强度的影响如图2所示。弹性模量是通过应力－应变曲线上σ＝0．4fc时的割线模量，作为近似初始弹性模量。

2．5应力－应变曲线损失不同轻骨料混凝土高温后的应力－应变曲线如图4所示。由于轻骨料混凝土在高温环境下相对普通混凝土来说脆性较大，故很难测得应力－应变曲线的下降段，而掺入纤维可以显著提高轻骨料混凝土抗拉强度、韧性、延性等，故可以测得高温后BFRC和HFRC的应力－应变全曲线，且高温后混凝土应力－应变曲线与常温下应力－应变基本相似。PPFRC应力－应变曲线相较于ALWC而言其峰值应力和峰值应变较高，且在400℃之后，强度下降比较明显，脆性增大，因而也无法测得其应力－应变下降段。

3纤维对轻骨料混凝土的抗爆机理讨论

高温爆裂现象是指在经历高温作用时因其内部损伤达到最大时而进行能量释放的一种表现。其特征是混凝土以动态方式从其表面剥落，并分解成大量碎块，尤其在快速升温过程中，更易发生爆裂现象，并具有突发性和破坏性，且难以预见［20］。虽然目前对混凝土高温爆裂机理研究较多，但普遍认同的爆裂机理分别是蒸汽压原理和热应力原理［21－23］。本试验中ALWC在450℃左右发生爆裂，BFRC在700℃时试块全部爆裂，PPFRC和HFRC直至800℃时仍未爆裂，说明PPF有利于轻骨料混凝土高温抗爆裂作用，而BF对轻骨料混凝土高温抗爆裂有一定的缓和作用，但不能有效改善轻骨料混凝土高温抗爆裂性能。当掺入PPF后，当温度达到PPF的熔点（170℃左右）时，PPF挥发逸出并在混凝土内部留下通道，有利于混凝土内水蒸气和热量的排出，降低了混凝土内部蒸汽压力和温度梯度，从而降低了爆裂发生的概率［24］。BF与混凝土有良好的相容性，能够在混凝土内部形成三维系统［25］，可以有效抑制其内部微裂纹的产生，同时还可以承托骨料，较少骨料的沉降，提高混凝土的均匀性，从而改善轻骨料混凝土的力学性能。HFRC在各个温度作用下均未发生爆裂现象，且均能保持较高的残余力学性能。由此可知，纤维可以减少混凝土内部缺陷和原生裂纹，使结构更加致密。在外力作用下，纤维和混凝土材料共同受力，在混凝土产生微裂缝的时候，横跨裂缝的纤维能够阻止裂缝的扩展，承受混凝土内产生的应力，延缓混凝土的破坏。每种纤维的特性不同，掺入单一纤维只能改善某一层次的性能，正是由于上述各种单一纤维的增强作用以及混掺纤维的叠加效应对轻骨料混凝土起到了增强增韧的作用。从高温抗爆裂作用来看，并结合经历各个目标高温后不同轻骨料混凝土残余力学性能对比分析可知，混掺纤维可以有效阻止轻骨料混凝土发生爆裂，较好地保持体积的完整性。

4结论

通过对LC30不同轻骨料混凝土进行高温试验，分析了高温后混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的劣化性能以及应力应变曲线得到以下结论：（1）纤维的掺入使轻骨料的破坏形式由脆性破坏变为延性破坏。经受不同目标高温后，轻骨料混凝土的外观特征发生了变化，且温度越高，外观损伤越严重，质量损失也越大，且加入纤维的轻骨料混凝土的质量损失率较ALWC的要大。（2）ALWC在450℃左右时发生爆裂，BFRC在700℃左右爆裂，PPFRC和HFRC直至800℃仍未爆裂，说明PPF可以改善轻骨料混凝土的抗爆裂性能，BF对轻骨料混凝土高温抗爆裂有一定的缓和作用，但仍不能有效改善轻骨料混凝土抗高温爆裂性能。（3）在200℃以内，不同轻骨料混凝土的立方体抗压强度略有提高，但随后一直降低，而轴心抗压强度、劈拉强度、弹性模量则直接呈下降趋势。但是加入纤维的混凝土降低的幅度较ALWC的低，说明纤维的掺入改善了高温后轻骨料混凝土的劣化性能。（4）不同轻骨料混凝土都随着温度的提高曲线渐趋平缓，峰值应力逐渐降低，峰值应变增加较为明显，峰点明显下降和右移，上升段曲线斜率显著减小。但是，混掺纤维的峰值应力和峰值应变大于单掺纤维，单掺纤维大于不掺纤维，这也进一步说明了纤维的加入能够提高轻骨料混凝土的韧性与强度，在常温下和高温后都成立。

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作者：田琦1；刘宗辉2；秦文博1 单位：1．河南理工大学土木工程学院，2．中建七局安装工程有限公司