工业回收钢纤维混凝土高温后力学性能试验研究

李 妍，赫 岩

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

随着城市现代化的建设以及高层建筑的密集,极大地提高了建筑物发生火灾的概率,例如:位于天津市河西区的城市大厦38层发生火灾,造成10人死亡,5人受伤,给人民群众生命财产安全带来重大损失.因此,对高温后混凝土的力学性能研究一直是国内外学者[1-3]研究的重点.过镇海[4]认为混凝土抗高温性能的高低,不仅直接关系到建筑物高温后的安全问题,而且直接关系到经常性的高温作用.蒋玉川,朋改非等[5]人研究了PVA纤维对高性能混凝土高温爆裂和高温后力学性能的影响.伴随着国家经济的高速发展,我国已成为汽车使用大国,废旧轮胎的回收利用也受到业内的极大关注[6].目前,利用废旧轮胎生产回收钢纤维成为可能,工业回收钢纤维混凝土既可实现废旧资源的再生利用,又可为今后工业回收钢纤维混凝土用于实际工程提供指导.综上,关于高温后混凝土及纤维混凝土国内外学者虽然进行了大量试验研究,但对回收钢纤维混凝土高温后的力学性能研究却较少.研究普通混凝土和回收钢纤维混凝土在高温后的力学性能变化,对火灾后建筑物的安全评定及加固具有指导意义.本文基于普通混凝土高温试验研究,拟对高温后回收钢纤维进行立方体抗压和劈裂抗拉力学性能试验研究.

1 试验概况

1.1 试验设计

试验设计50组共150个试件,均为150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试件,回收钢纤维长度为50 mm,混凝土试块严格按《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T 50080-2002)[7]要求浇筑,所有试块均采用涂有机油的成型优质塑料模具浇筑,养护至28 d后拆模,再进行高温试验,经自然冷却后,再进行力学性能试验.试验采用强度等级为P.0 42.5的普通硅酸盐水泥,粗骨料采用级配良好、粒径为3 mm～15 mm的天然碎石,细骨料为普通河沙,含泥量小于1%.试验素混凝土按C 40进行配合比设计.为研究不同温度对工业回收混凝土力学性能的影响,其中25组用于抗压试验,25组用于劈拉试验,每组试样取3个,并取其平均值作为最终试验结果.试验温度分别采用常温,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃共5个温度级别,钢纤维掺量分别采用0 %,0.5 %,1 %,1.5 %,2 % 共5个掺量等级.钢纤维混凝土配合比见表1.

表1 钢纤维混凝土试件材料的配合比

1.2 加热试验装置与火灾试验环境

本试验高温加热装置采用高温组合式电阻加热炉,电炉缝隙由高温防火棉塞满,电炉最高加热温度可达1 200 ℃,试验各个加热参数设计在计算机上编程完成,之后下传至高温控制装置,升温速度设定为4 ℃/min,当加热炉加热到目标温度后,各组混凝土立方体试块再恒温3 h,达到设计时间,去掉防火棉,打开电阻炉,混凝土试块自然冷却至室温.试验所用仪器和材料见图1.

(a)高温试验炉(a)Experimental furnace of high temperature

(b)高温试验控制装置(b)Control cabinet of high temperature experimental system

(c)回收钢纤维外貌(c)Appearance of steel fiber

(d)劈拉试验垫块(d)Filling blocks of splitting tensile

1.3 高温后试块抗压试验及劈拉试验

混凝土试块高温冷却后进行抗压试验和劈拉试验,试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准》[8]及《纤维混凝土试验方法标准》[9]进行,试验机采用2 000 kN液压伺服式压力试验机,对试件进行抗压强度试验和劈拉强度试验,试验全程由计算机自动控制,均匀连续加荷.抗压试验及劈拉试验见图2.

(a)立方体素混凝土试件高温抗压破坏(a)Compression failure of plain concrete after high temperature

(b)立方体回收钢纤维混凝土高温后抗压破坏(b)Compression failure of recycled steel fiber concrete after high temperature

(c)立方体素混凝土试件高温后劈拉破坏(c)Splitting tensile failure of plain concrete after high temperature

(d)立方体回收钢纤维混凝土试件高温后劈拉破坏(d)Plitting tensile failureof recycled steel fiber concrete after high temperature

2 试验结果及分析

2.1 试验结构及计算

不同温度作用下不同钢纤维掺量混凝土试块的抗压强度和劈拉强度的计算值见表2.

表2 试块的抗压强度和劈拉强度Table 2 Block of the compressive strength and splitting tensile strength

2.2 试验分析

图3,图4分别表示不同回收钢纤维掺量的混凝土在不同温度梯度下其抗压强度、劈拉强度的变化规律.由图3～图4可见,经高温作用后,素混凝土和回收钢纤维混凝土的力学性能均下降,其中200 ℃～400 ℃降低较为平缓.主要原因是当试件加热到200 ℃时,混凝土内部大部分自由水蒸发,试件处于脱水状态;当温度达到400 ℃时,试件内部大量水分开始蒸发，混凝土内部C-S-H凝胶和钙矾石中结晶水开始脱水分解,而温度超过600 ℃后,氢氧化钙大量分解,生成游离的氧化钙,混凝土强度下降幅度较快.但是,随着回收钢纤维的增加,在相同温度作用下,其抗压强度及劈拉强度降低幅度明显低于素混凝土.这种现象表明,在混凝土中三维乱向分布的回收钢纤维,在高温作用下会减小温度梯度产生的内部应力,改善混凝土内部物理条件,在一定程度上可抑制混凝土微裂缝的发展,从而减轻混凝土内部的损伤,增加混凝土的残余抗压强度,而且随着回收钢纤维掺量的增加,效果越明显.因此,高温后回收钢纤维混凝土的强度高于素混凝土强度.

图3 抗压强度与温度的关系Fig.3 Relationship between compressive strength and temperature

图4 劈拉强度与温度的关系Fig.4 Relationship between splitting tensile strength and temperature

3 结论

通过对不同掺量工业回收钢纤维混凝土高温后立方体抗压强度和劈拉强度的抗火试验研究,对试件的破坏特征及强度与温度关系曲线进行了分析,得出了不同温度对不同工业回收钢纤维掺量下混凝土力学性能的影响规律.试验结论如下:

(1) 混凝土及回收钢纤维混凝土在高温后的抗压强度均随温度升高而降低.温度在400 ℃以内，其降低幅度不明显；当温度大于600 ℃以后，其降低幅度明.随着回收钢纤维掺量的提高,其高温后力学性能的降低均有所减小.

(2) 混凝土及回收钢纤维混凝土在高温后的劈拉强度均随温度升高而降低,但抗拉强度的降幅远低于抗压强度的降幅.当混凝土试件劈拉破坏时,回收钢纤维可起到阻裂作用.

(3) 回收钢纤维的掺入对混凝土高温后的力学性能有明显的改善作用,可提高混凝土的耐火性能.