高温后活性粉末混凝土横向变形性能

李海艳，王 英，郑文忠

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，150090 哈尔滨;2.石家庄铁道大学 工程力学系，050043 石家庄)

混凝土横向变形系数和体积应变反应了构件受力时的横向变形能力和内部裂缝的发展过程.在材料弹性范围内，横向变形系数为一定值，定义为泊松比，泊松比是进行材料弹塑性分析的重要指标［1］.我国现行 GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中规定混凝土泊松比取0.2.ACI高强混凝土委员会报道的强度55～80 MPa混凝土的泊松比试验结果为0.20～0.28.对高温后普通混凝土(NSC)和高强混凝土(HSC)横向变形性能进行研究［2－4］，发现当应力不超过0.5倍峰值应力时，泊松比随经历温度的升高逐渐降低，温度达到500～600℃后，泊松比有所回升，高应力水平点对应的泊松比与温度的关系不确定.

活性粉末混凝土(RPC)是近年来新兴的一种超高强混凝土，目前，对RPC常温力学性能的研究较多［5－6］，但对其高温后力学性能的研究较少［7－8］.RPC 中掺入钢纤维可以有效提高其力学性能［9］，而聚丙烯纤维(PPF)的掺入则对RPC高温性能有较大影响，因为PPF熔点较低为165℃，当温度高于其熔点时，PPF熔化并在RPC内留下相互连通的孔道，为蒸汽和热量逸出提供通道，降低RPC爆裂发生的可能性并改善其力学性能［10］.为了明确不同高温后RPC的横向变形性能和裂缝发展过程，本文完成了180个活性粉末混凝土(RPC)棱柱体试件的高温后单轴受压试验，得到了不同高温后纤维种类和掺量不同的RPC横向变形系数随应力比的变化曲线，进而推得高温后RPC体积应变随温度的变化规律，建立了RPC泊松比随温度变化的计算公式，并将常温下RPC泊松比与普通混凝土和高强混凝土进行了对比分析.

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

选用P.O42.5级普通硅酸盐水泥;SiO2质量分数94.5%，比表面积20 780 m2/kg的微硅粉;比表面积475 m2/kg的S95型矿渣粉;SiO2质量分数在99.6%以上，40～70目和70～140目的石英砂;黄褐色粉末状FDN浓缩型高效减水剂;长度13 mm，直径0.22 mm的高强平直钢纤维;长度18～20 mm，熔点165℃的聚丙烯纤维(PPF).试验包括6种配合比，分别对应单掺钢纤维体积率为1%、2%和3%的SRPC1、SRPC2和SRPC3;钢纤维和PPF体积掺量为2%、0.1%，2%、0.2%和1%、0.2%的 HRPC1、HRPC2 和 HRPC3.具体配合比见表1.

表1 试验用RPC配合比

1.2 试件设计与制作

试验采用70.7 mm×70.7 mm×228 mm的棱柱体试件，每种配比成型10组试件，分别对应10 个目标温度(20、120、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃)，每3个试件为一组，总计180个试件，试验数据取3个试件的平均值.

活性粉末混凝土的制备程序为:①将称量好的石英砂、水泥、硅灰、矿渣和减水剂依次倒入混凝土搅拌机，干拌3 min;②在搅拌过程中缓慢加入称量好的水，湿拌5 min;③均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，搅拌5 min出料.将拌合物注入钢模，在混凝土振动台上经高频振动成型，标准环境下静置24 h后拆模，而后将试件放入HJ84型混凝土加速养护箱中养护3 d，养护箱工作电压380 V，功率3×3 kW，控温范围为常温～100℃，具体养护温度可自行设定，本试验养护箱温度设定为90℃.为了更贴近工程实际，将养护时间适当延长，即经高温养护后的试件需移入标准养护室养护60 d拿出晾干，2个月后进行高温试验.

1.3 试验步骤

将养护至规定龄期的试件先进行高温试验，目标温度为:120、200、300、400、500、600、700、800、900℃.高温试验采用电炉升温，升温速度为4℃/min，达到目标温度后恒温2 h.冷却方式为炉内自然冷却至200℃后打开炉门冷却至100℃，然后取出试件置于室内令其自然冷却至室温.

图1 应变片粘贴布置

1.4 高温后RPC棱柱体抗压强度介绍

本文重点研究高温后RPC的横向变形性能，为了更好地理解RPC横向变形性能随温度的变化情况，本节将简要介绍高温后RPC棱柱体抗压强度随温度的变化规律.对高温后RPC力学性能进行研究［11－12］，发现经历温度不高于300℃时，钢纤维RPC与混杂纤维RPC(混掺钢纤维和PPF的RPC)相当于经历了“高温养护”过程，棱柱体抗压强度较常温时略有提高;400～700℃作用后，RPC内部损伤逐渐加重，抗压强度近似呈线性规律降低;800～900℃后，钢纤维强度丧失，抗压强度较700℃时有所回升.此外，钢纤维和PPF的掺入有效改善了高温后RPC的力学性能.式(1)与式(2)分别给出了钢纤维RPC与混杂纤维RPC棱柱体抗压强度随温度变化的计算式.

单掺钢纤维体积率为1%～3%的RPC:

混掺钢纤维与PPF体积率为(2%、0.1%)，(2%、0.2%)和(1%、0.2%)的 RPC:

式中:fct为温度t作用后RPC棱柱体抗压强度(MPa);fc为常温下RPC棱柱体抗压强度(MPa);t为经历温度(℃);R2为表征拟合精度的相关系数.

2 高温后RPC横向变形系数

图2、3分别为高温后单掺钢纤维与混掺两种纤维的RPC横向变形系数(ν)随应力比(σ/fct，应力σ与棱柱体抗压强度fct之比)的变化曲线.由于SRPC1经500℃恒温结束后，试件产生较宽爆裂裂纹，已没有相对平整的表面，无法进行后续的抗压试验，因此，图中只给出了SRPC1经20～400℃后的横向变形系数曲线.从图2、3可看出，6种不同配比的RPC所对应的ν－σ/fct曲线随经历温度的升高具有相似的变化规律:经历温度不高于300℃时，RPC所受高温损伤较小，随应力比(σ/fct)的增大，横向变形系数的变化幅度较小;400～700℃作用后，RPC变得越来越疏松，横向变形能力增强，随应力比的增大，横向变形系数变化幅度明显增大;800～900℃作用后，钢纤维丧失作用，混凝土烧结，RPC变形能力减弱，随应力比增大，横向变形系数变化幅度重又减小.

图2 高温后单掺钢纤维RPC横向变形系数

图3 高温后混杂纤维RPC横向变形系数

横向变形系数较好地反映了混凝土内部裂缝的开展过程.当RPC经历温度不高于300℃时，纤维种类和掺量不同的RPC横向变形系数随应力比的变化与常温时相比基本相同:即当σ/fct≤0.8时，纵向、横向应变近似按比例增长，横向变形系数基本保持不变或略有增长，说明RPC的塑性变形和微裂纹发展缓慢;当0.8＜σ/fct≤0.9时，横向变形系数有明显增长，表示RPC内部微裂纹有较大开展，但试件表面尚无肉眼可见裂纹;当σ/fct＞0.9时，横向变形系数急剧增加，试件表面出现肉眼可见裂纹，此后，横向应变达到极限拉伸状态，RPC受压破坏.

3 高温后RPC体积应变

不同温度作用后单掺钢纤维和混掺两种纤维的RPC体积应变(θ)随应力比(σ/fct)的变化情况分别见图4和图5.可以看出，6种不同配比的RPC体积应变随经历温度的升高具有相同的变化趋势，体积应变临界点所对应的应力比(σ/fct)随温度的升高均呈先减小后增大的变化规律.当经历温度低于300℃时，体积应变临界点所对应的σ/fct比较接近，其平均值处于0.906～0.977，说明该温度范围内，应力比超过90%时RPC进入裂缝不稳定扩展阶段;经400～700℃高温后，体积应变临界点所对应的σ/fct比较接近，其平均值位于0.517～0.582，表明经400～700℃作用后，荷载达到峰值荷载的55%左右进入裂缝不稳定扩展阶段，这一结论对火灾后结构构件的损伤评估具有重要意义.800～900℃作用后，钢纤维基本丧失作用，RPC烧结，体积应变临界点所对应的应力比有所提高，位于0.666～0.807.

图4 高温后单掺钢纤维RPC体积应变

图5 高温后混杂纤维RPC体积应变

4 温度对RPC泊松比的影响

横向变形系数在材料弹性范围内为一定值，该值被定义为泊松比.本文认为0.5应力比对应的横向变形系数为RPC泊松比(μ).单掺钢纤维和混掺两种纤维的RPC泊松比随温度变化曲线见图6.由图6可知，单掺钢纤维和混掺纤维的RPC泊松比随经历温度的升高变化趋势相同:20～400℃，泊松比随经历温度的升高近似呈抛物线规律降低;400～600℃，随经历温度的升高泊松比线性增大;600～900℃，泊松比重又减小.

由图6还可看出，相同温度作用后，单掺钢纤维的RPC泊松比随钢纤维体积掺量的增大逐渐减小，600℃后，SRPC2对应的泊松比较SRPC3提高了5.09%左右;混掺钢纤维和聚丙烯纤维的RPC经历相同温度作用后，HRPC2对应的泊松比最小，HRPC1次之，HRPC3最大，600 ℃后，HRPC1、HRPC2和HRPC3对应的泊松比分别为0.247、0.237和0.260.分析原因为，纤维约束了试件侧向膨胀，减小了RPC的横向应变，因此，对于单掺钢纤维的RPC来说，钢纤维掺量3%的SRPC3对应的泊松比最小，对于混杂纤维RPC来说，钢纤维掺量2%、PPF掺量0.2%的HRPC2对应的泊松比最小.

图6 不同纤维种类和掺量的RPC泊松比与温度关系

5 泊松比与温度关系拟合

鉴于单掺钢纤维与混掺钢纤维和聚丙烯纤维的RPC泊松比随温度的变化规律基本一致，二者可统一采用式(3)表达，拟合曲线与试验数据见图7，二者吻合较好.

图7 不同配比RPC泊松比与温度关系拟合曲线

式中:μ为0.5应力比所对应的RPC泊松比;t为经历温度;R2为相关系数.

我国现行《混凝土结构设计规范》中要求混凝土泊松比取0.2;ACI高强混凝土委员会报道的强度55～80 MPa的混凝土的泊松比试验结果为0.20～0.28;我国铁道科学研究院测定两组强度为63.9 MPa和102.0 MPa的混凝土泊松比分别为0.22和0.23.本试验得到，常温下单掺钢纤维的RPC泊松比为0.201左右，混掺钢纤维和聚丙烯纤维的RPC泊松比为0.212左右，可见，活性粉末混凝土泊松比与普通混凝土和高强混凝土相比差别不大.

6 结论

1)经历温度低于300℃时，随应力比(σ/fct)的增大，RPC横向变形系数的变化幅度较小，体积应变临界点对应的 σ/fct平均值位于0.906～0.977;400～700℃作用后，随应力比的增大，横向变形系数变化幅度明显增大，体积应变临界点对应的σ/fcT平均值位于0.517～0.582;800～900℃作用后，横向变形系数变化幅度重又减小，体积应变临界点对应的σ/fct平均值位于0.666～0.807.

2)由于纤维约束了试件侧向膨胀，减小了试件的横向变形，经相同温度作用后，单掺钢纤维的RPC泊松比随钢纤维体积掺量的增大逐渐减小，混掺钢纤维和聚丙烯纤维的RPC泊松比大小顺序为:HRPC3＞HRPC1＞HRPC2.

3)建立了高温后6种不同配比的RPC泊松比随温度变化的计算式，理论曲线与试验数据吻合较好.常温下活性粉末混凝土泊松比为0.201～0.212，与普通混凝土和高强混凝土相比差别不大.

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