钢-PVA混杂纤维高性能混凝土高温后残余力学性能试验研究

许成祥, 赵晓悦, 许奇琦, 肖良丽

(1.武汉科技大学城市建设学院, 武汉 430065; 2.城市更新湖北省工程研究中心, 武汉 430065;3.武汉科技大学高性能工程结构研究院, 武汉 430065)

与普通混凝土相比,高性能混凝土(high performance concrete,HPC)具有更好的工作性能,如更适宜的强度、更好的耐久性和抗渗性等。随着科技与经济发展,越来越多的高层建筑、大跨度结构等实际工程的设计都要求采用高性能混凝土。由于HPC结构密实和孔隙率低,高温状态下HPC脆性更大,更容易出现剥落和爆裂现象[1-3]。火灾是常见的灾害之一,火灾一旦发生会对混凝土结构承载力造成严重破坏,甚至坍塌,因此,提高HPC的耐高温性能是一个值得重视的问题。

掺入各类纤维是抑制混凝土高温爆裂的主要手段,能够提高其高温后的抗折抗拉强度、断裂韧性、延性和抗冲击性能[4-6]。不同纤维在混凝土抗火中起到的作用不同。钢纤维与水泥基体之间的黏结作用良好,在混凝土中掺入适量的钢纤维能够提高整体韧性,有效抑制裂缝开展[7-10]。且随着钢纤维体积掺量增加,超高性能混凝土损伤发展变缓,能更好地发挥阻裂作用[11]。Wu等[12]发现,含钢纤维的混杂纤维混凝土具有更高的残余抗拉强度,可以通过在加热和冷却过程中的桥接作用来限制微裂纹的形成和发展。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维是一种高弹模高分子合成材料,熔点较低,掺入混凝土中受压破坏后会呈现“裂而不碎”的特征[13]。由于单掺纤维对混凝土性能提高具有局限性,使用两种或两种以上不同的纤维混合掺入混凝土中以实现“正混杂效应”来提高混凝土的高温力学性能逐渐成为国内外研究的热点[14-20]。

吴海林等[21]通过正交试验发现相较于素混凝土试件,混杂纤维混凝土试件的抗压破坏过程更长,试件完整性更好。虽然钢纤维能提高混凝土的韧性与强度,但价格昂贵,杨婷等[22]通过研究发现单掺2%的钢纤维不能抑制超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)高温爆裂行为。当掺有PVA纤维的混凝土加热到一定温度时,纤维熔化使混凝土中的孔隙增多,可以充分疏通试件内部水分,混凝土内部蒸汽压降低,使微观结构得到保护,从而增强混凝土耐火性能[23-24]。混掺钢纤维和PVA纤维不仅可以改善混凝土抗爆裂性能,还能提高其高温后残余强度[25]。此外,适量掺入矿粉,可以优化混凝土的孔隙结构,有效提高混凝土的劈裂抗拉强度与韧性[26-27]。现利用正交试验,考虑钢纤维掺量、PVA纤维掺量和矿粉掺量的影响,研究3种因素对钢-PVA混杂纤维高性能混凝土(hybrid fiber high performance concrete,HFHPC)高温后残余力学性能的影响规律,探寻显著性因素与最优强度掺量,并建立高温后HFHPC立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的预测模型。

1 试验概况

1.1 试验原材料和配合比

水泥:华新牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。粒化高炉矿渣粉:密度为2.8 g/cm3,烧失量为0.51%。粗骨料:粒径不大于20 mm的碎石。细骨料:普通中砂。减水剂:聚羧酸系高性能减水剂,减水率为25%,掺量为1.0%。水:普通自来水。钢纤维和PVA纤维的外观形状如图1所示,纤维的性能指标如表1所示。

表1 纤维的性能指标

图1 纤维外观形状

1.2 试验设计

正交试验是从全面试验中挑选出有代表性的点,与全面试验相比具有试验次数少和耗时短的优点。试验研究钢纤维、PVA纤维和矿粉3种因素对HFHPC高温后立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响规律,温度条件为常温、200、400、600、800 ℃。对3种因素各取3个水平,其中钢纤维体积分数VS为(1.0%、1.5%、2.0%),PVA纤维体积分数VP为(0.1%、0.2%、0.3%),矿粉掺量M取代等质量水泥(10%、20%、30%),采用L9(33)方案进行正交试验设计,共9组配合比,HFHPC配合比及材料用量如表2所示。表2中,NC组为素混凝土对照组,未加纤维;S1.0P0.1M10代表VS为1.0%,VP为0.1%,M为10%,以此类推。

表2 HFHPC配合比及材料用量

1.3 试件制备和试验方法

制备混凝土采用JZW250型强制式多功能搅拌机,其步骤如下。

步骤1将石子放入搅拌机,由于纤维易成团,开始搅拌后再撒入钢纤维,搅拌均匀后加入中砂和胶凝材料混合搅拌。

步骤2撒入PVA纤维充分搅拌。

步骤3加入水和减水剂,确保搅拌充分均匀。搅拌完成后,将混凝土倒入模具放在振动台上振捣。共10组试件,每组制作6个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块(3个用于立方体抗压强度测试,3个用于劈裂抗拉强度测试),3个100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块(用于抗折强度测试)。

将制备完成的混凝土在同条件下养护28 d后放入马弗炉升温,升温加热速率设定为10 ℃/min,设计恒温时长为2 h。加热试验过程中各目标温度的温度-时间曲线如图2所示,其中温度为电热偶测定的高温炉炉膛内温度。升温至目标温度后保持恒温,达恒温时长后关闭电源,采用的冷却方式为炉内自然冷却,冷却至常温后将混凝土取出静置3 d后再测试其力学性能。试验参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)进行,采用WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机测试HFHPC的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。

图2 温度-时间曲线

2 试验结果与分析

2.1 高温试验现象

HFHPC试件加温至200 ℃时,炉口有少量的白色烟雾逸出;试件加温至300 ℃时,炉口持续有白色烟雾逸出并伴随着刺激性气味;试件加温至400 ℃左右时,逸出的白色烟雾量较大,随后逐渐减少至基本消失。

HFHPC试件高温作用后的外观形态如图3所示。可以看出,在常温下,HFHPC试块颜色为灰色,无裂纹;目标温度200 ℃,HFHPC试件表面颜色变为灰青色,只有少量细微裂纹,外观完整,无掉皮、缺角等现象,敲击声音低沉;目标温度400 ℃,HFHPC试件的颜色由灰青色变为红棕色,表面微裂纹增多,外观较完整,敲击声音较低沉;目标温度600 ℃,HFHPC试件表面边缘略微发黑,整体呈灰棕色,表面伴有裂缝增多,缝宽增大,但外观仍较完整,敲击声音较为清脆;目标温度800 ℃,HFHPC试件表面呈青白色,敲击声音变得清脆。未掺纤维NC试件有轻微局部爆裂现象,表皮严重脱落、缺角,内部结构变得疏松。而HFHPC表面裂缝增多、加宽,出现不同程度的少量掉皮现象,但基本能保持较完整的形态。可见掺入钢-PVA混杂纤维可有效抑制高性能混凝土高温爆裂的发生。

图3 HFHPC试件高温作用后的外观形态

2.2 高温后试件质量损失率

各试件的质量损失率随温度变化的曲线如图4所示。随着温度逐渐升高,试件的质量损失率逐渐增加。当试件升温至200 ℃时,基体内的自由水、毛细水蒸发逸出导致混凝土质量下降;200～400 ℃时,基体内部C—S—H凝胶开始高温分解,PVA纤维熔解挥发,在混凝土内部形成孔洞使更多水分逸出,加速了质量损失;400～600 ℃时,此阶段质量损失主要来源于基体内结晶水蒸发,C—S—H凝胶持续脱水分解;600～800 ℃时,由于混凝土中水泥石的Ca(OH)2和CaCO3脱水生成CaO,水泥中未水化颗粒和骨料中石英成分高温分解,质量损失继续增加。

图4 各试件的质量损失率随温度变化的曲线

2.3 立方体抗压强度

不同高温后试块立方体抗压强度如表3所示。考察VS、VP和M三种因素对试块立方体抗压强度的影响程度,找出显著性因素与最优掺量,采用统计分析软件SPSS进行极差分析和方差分析,其结果列于表4。

表3 不同高温后试块立方体抗压强度

表4 HFHPC立方体抗压强度极差分析与方差分析

由表3可知,NC、S1.0P0.1M10、S1.5P0.2M10和S1.0P0.2M30四组试块,随着目标温度的升高,其立方体抗压强度持续降低,其余各组试块随着目标温度的升高其立方体抗压强度先升高后降低,临界温度为200～400 ℃。

立方体抗压强度先升高后降低是由于高性能混凝土内部结构较为致密,高温加热时毛细水蒸发但不易逸出,使得基体内活性掺和料能够继续水化,提高了水泥基强度。超过临界温度后,水化作用减弱,高温作用对基体的损伤逐渐加大,使混凝土抗压强度持续降低。至800 ℃时,由于混凝土基体内化产水泥水物持续分解,较高的蒸汽压力使浆体开裂,各组试件强度均急剧下降,此时NC和HFHPC的抗压强度残余率分别为29.96%和50%～60%。由于高温时矿粉与Ca(OH)2反应,生成的凝胶可使钢纤维与基体的黏结更为紧密,能够延缓混凝土裂缝的扩展。此外,PVA纤维熔化产生的孔洞可释放基体内部的蒸汽压力,因此HFHPC抗压强度残余率明显高于未掺纤维的HPC。

由表4抗压强度各因素的极差值可知,在常温至200 ℃时,影响HFHPC立方体抗压强度的因素依次为M>VP>VS;在400～800 ℃时,影响HFHPC立方体抗压强度的因素依次为VS>M>VP。

由方差分析可知:在常温至200 ℃时,矿粉为HFHPC立方体抗压强度的极显著性影响因素;在400～800 ℃时,钢纤维为极显著性影响因素。考虑高温后抗压强度的提高效果确定最佳掺量:VS为2.0%,VP为0.3%,M为30%。

图5为3个因素在不同温度后与立方体抗压强度的关系。由图5可知,在常温至200 ℃时,增加钢纤维与矿粉的掺量可明显提高HFHPC抗压强度,且增加矿粉掺量对抗压强度提高效果更显著,PVA纤维对抗压强度的提升效果不明显。200 ℃时,当VS从1.0%增加到1.5%,抗压强度提高15.4%;当M从10%增加到30%,抗压强度提高至25.5%。在400～800 ℃时,增加钢纤维掺量对HFHPC抗压强度的提高效果大于矿粉因素,PVA纤维对抗压强度的提高效果仍不明显。800 ℃时,当VS从1.0%增加到2.0%,抗压强度提高28.1%;当M从10%增加到30%时,抗压强度提高18.3%。

图5 3个因素在不同温度后与立方体抗压强度的关系

2.4 劈裂抗拉强度

不同高温后试块劈裂抗拉强度如表5所示。对强度值进行极差分析和方差分析,其结果如表6所示。

表5 不同高温后试块劈裂抗拉强度

表6 HFHPC劈裂抗拉强度极差分析和方差分析

由表5可知,各组试块随着目标温度的升高,其劈裂抗拉强度先升高后降低,临界温度为200～400 ℃。在400 ℃后,混凝土的劈拉强度均随目标温度升高而持续降低。这是由于超过临界温度后,基体内活性掺和料的水化作用带来的正面效应,已无法弥补水蒸气逸出导致的细微裂纹对劈拉强度带来的负面效应,使混凝土的劈拉强度持续降低。至800 ℃时,HFHPC劈拉强度下降至最低,这是由于钢纤维发生氧化脱碳,与界面基体的黏结效果变差,界面处的裂纹逐渐变宽,加上PVA纤维全部熔化造成孔洞变多,增加了混凝土的内部缺陷,此时NC与HFHPC的劈拉强度残余率分别为39.02%和50%～70%。由此可见,掺入混杂纤维对HFHPC的劈拉残余强度具有提高作用。

由表6中劈裂抗拉强度各因素的极差分析可知,在常温至200 ℃时,影响HFHPC劈裂抗拉强度的因素依次为VP>VS>M;在400～800 ℃时,影响HFHPC劈裂抗拉强度的因素依次为VS>M>VP。

由方差分析可知:在常温至200 ℃时,PVA纤维为HFHPC劈拉强度的极显著性影响因素;在400～800 ℃时,钢纤维为极显著性影响因素。考虑高温后劈拉强度的提高效果确定最佳掺量:VS为2.0%,VP为0.3%,M为10%。

图6为3个因素在不同温度后与劈裂抗拉强度的关系。由图6可知,在常温至200 ℃时,增加钢纤维与PVA纤维的掺量可使HFHPC劈拉强度明显提高,且增加PVA纤维掺量对劈拉强度的提高效果更显著。在200 ℃时,当VP从0.1%增加到0.3%,劈拉强度提高22.3%。在400～800 ℃时,增加钢纤维掺量对HFHPC劈拉强度的提高效果大于PVA纤维,在800 ℃时,当VS从1.0%增加到2.0%,劈拉强度提高66.7%;当VP从0.1%增加到0.3%时,劈拉强度提高31.5%。而增加矿粉掺量则使HFHPC的劈拉强度降低,800 ℃时,当M从10%增加到30%时,劈拉强度降低18.22%。

图6 3个因素在不同温度后与劈裂抗拉强度的关系

2.5 抗折强度

不同高温后试块抗折强度如表7所示。对强度值进行极差分析和方差分析,其结果列于表8。

表7 不同高温后试块抗折强度

表8 HFHPC抗折强度极差分析和方差分析

由表7可知,S1.0P0.1M10、S1.5P0.2M10、S2.0P0.3M10和S1.0P0.2M30四组试块,随着目标温度的升高其抗折强度先升高后降低,临界温度为400 ℃。其余各组试块随着目标温度的升高其抗折强度持续降低。

抗折强度先升高后降低是由于在达到临界温度条件前,高温加热引起的基体内凝胶材料完全水化,结构更加致密,抗折强度得以提高。而超过临界温度条件后,抗折强度随温度升高呈持续下降的趋势,这可能是由于200 ℃时混凝土内部自由水的蒸发过多导致基体内孔隙过多,形成的细微裂纹会对混凝土的抗折强度产生不利影响。至800 ℃时,NC与HFHPC的抗折强度残余率分别为60.08%和65%～80%,可见虽然高温使钢纤维对混凝土的阻裂作用有所降低,但在破坏过程中钢纤维仍具有增韧效果并能分散部分应力,HFHPC抗折强度残余率仍明显高于未掺纤维的HPC。

由表8中抗折强度各因素的极差值可知:在常温至200 ℃时,影响HFHPC抗折强度的因素依次为VS>M>VP;在400～800 ℃时,影响HFHPC抗折强度的因素依次为M>VS>VP,且前两者的影响程度比较接近。

由方差分析可知:在常温至200 ℃时,钢纤维为HFHPC立方体抗折强度的极显著性影响因素;在400～800 ℃时,钢纤维和矿粉都为极显著性影响因素。考虑高温后抗折强度的提高效果确定最佳掺量:VS为2.0%,VP为0.2%,M为10%。

图7为3个因素在不同温度后与抗折强度的关系。由图7可知,在常温至200 ℃时,增加钢纤维掺量可明显提高HFHPC抗折强度,200 ℃时,当VS从1.0%增加到2.0%时,抗折强度提高19.5%。适当增加PVA纤维掺量可提高抗折强度,但当VP增加至0.3%时会导致抗折强度降低。矿粉对抗折强度的提高效果不显著。在400～800 ℃时,钢纤维掺量越大,HFHPC抗折强度越高。800 ℃时,VS从1.0%增加到2.0%,抗折强度提高15.5%。增加PVA纤维掺量对抗折强度的提高效果表现为先升高后降低。VP从0.1%增加到0.2%,抗折强度提高4.7%;VP从0.1%增加到0.3%,抗折强度仅提高3.3%。而矿粉掺量越大则导致抗折强度降低,当M从10%增加到30%时,抗折强度降低15%左右。

图7 3个因素在不同温度后与抗折强度的关系

2.6 3种因素对HFHPC力学性能的影响

2.6.1 钢纤维掺量

在HFHPC中掺入钢纤维能够显著提高HFHPC高温后的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的残余率。当温度升高时,虽然钢纤维与混凝土间的黏结力会有所降低,但由于钢纤维导热系数较高,其在混凝土内部乱向均匀且相互搭接的分布情况能够使混凝土内部温度更快达到均匀一致,有效降低了热应力损伤。且当微小裂缝形成时,钢纤维与混凝土基体中的桥接作用能够减缓混凝土内部裂缝的产生与发展。在受压破坏时,素混凝土的破坏形态为脆性破坏,而掺入了钢纤维的HFHPC能够保持裂而不碎,可见钢纤维能使混凝土保持完整,在高温中具有更好的阻裂效果。试验表明,掺加了钢纤维的HFHPC在高温后能保留与素混凝土相比更高的残余强度,其最佳掺量为2.0%。

2.6.2 PVA纤维掺量

虽然PVA纤维的弹性模量较低,对HFHPC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的提高作用不如钢纤维显著,但由于PVA纤维的延性大、韧性好,能够抑制混凝土较大裂缝的开口,有效改善HFHPC的劈拉性能。在常温至200 ℃时,PVA纤维掺量越大,对HFHPC的劈裂抗拉强度提升效果越明显。此外,由于PVA纤维的熔点较低,当温度升高致PVA纤维熔化后,混凝土内部形成众多孔道为内部蒸汽压力的释放提供了空间,使内部压力降低,起到了很好的防爆裂效果。但当PVA纤维掺量过多时,高温后过多的孔洞会使混凝土基体内部缺陷增多,反而不利于高温后HFHPC性能的改善。试验表明,掺入适量的钢纤维和PVA纤维能表现出正混杂效应,不仅能够抑制混凝土爆裂,还提高了HFHPC高温后的强度残余率。对抗压强度与劈裂抗拉强度其最佳掺量为0.3%,对抗折强度其最佳掺量为0.2%。

2.6.3 矿粉掺量

在HFHPC掺入适量的矿粉,可有效改善粉体集料的级配,使混凝土硬化后内部微裂缝数量减少,从而提高HFHPC的抗压强度。温度升高时,矿粉与Ca(OH)2反应可生成C—S—H凝胶,从而改善钢纤维与胶凝体间的界面性能,使HFHPC高温后的强度残余率有所提高。但过多掺入矿粉会使HFHPC的结构更加密实,升温时混凝土内部的水蒸气不易排出,钢纤维与混凝土基体黏结力下降,从而造成高温后HFHPC劈裂抗拉强度与抗折强度降低。试验表明,掺入适量的矿粉,才可有效提高HFHPC高温后的残余强度。对抗压强度其最佳掺量为30%,对劈裂抗拉强度与抗折强度其最佳掺量为10%。

3 HFHPC强度预测模型

根据材料力学理论,假设HFHPC抗压强度由基体抗压强度、钢纤维增强项、PVA纤维增强项、矿粉增强项和温度增强项共同组成。假定强度回归模型为

f=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+φ

(1)

式(1)中:f为混凝土抗压强度,MPa;β0为混凝土基体抗压强度,MPa;β1、β2、β3、β4为回归系数;φ为试验参数;x1、x2、x3分别为VS、VP、M;x4为温度, ℃。

由于矿粉对高温中劈裂抗拉强度的影响较小,PVA纤维对高温中抗折强度的影响较小。为简化计算,在HFHPC高温劈裂抗拉强度预测模型只考虑钢纤维、PVA纤维和温度的影响,在HFHPC高温抗折强度预测模型只考虑钢纤维、矿粉和温度的影响。假定回归模型为

f=β0+β1x1+β2x2+β3x3+φ

(2)

式(2)中:f为混凝土劈裂抗拉强度或抗折强度,MPa;β0为混凝土基体强度,MPa;β1、β2、β3为回归系数;φ为试验参数;x1、x2分别为VS、VP、M;x3为温度, ℃。

将表3中数据代入回归模型[式(1)]中,将表5和表7中数据代入回归模型[式(2)]中,通过最小二乘法估计得出HFHPC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的回归方程为

fcu=34.997+727.33x1+1 763.33x2+39.10x3-0.033x4,R2=0.866

(3)

fts=2.879+87.07x1+280.33x2-0.002 75x3,R2=0.651

(4)

ff=7.745+119.07x1-3.21x2-0.003 25x3,R2=0.686

(5)

式中:fcu为HFHPC抗压强度,MPa;fts为HFHPC劈裂抗拉强度,MPa;ff为HFHPC抗折强度,MPa;R2为决定系数。

从式(4)、式(5)可看出,劈裂抗拉强度与抗折强度预测模型的决定系数为0.65左右,离散性较大,精度较低,这可能与纤维混杂效应有关。为了更精确地预测HFHPC的劈裂抗拉强度与抗折强度,重新假定新的强度预测模型为

(6)

式(6)中:β4、β5、β6、β7、β8、β9为回归系数。

(7)

(8)

式(7)、式(8)为新拟合的HFHPC强度预测模型,劈拉强度与抗折强度的决定系数分别为0.787和0.859。

4 结论

(1)随着温度不断升高,HFHPC试块颜色由灰色变为青白色,质量损失率逐渐增加。800 ℃时HPC试块已发生轻微爆裂,内部结构疏松,而HFHPC仍能保持较完整形态。可见,混杂纤维的掺入可有效抑制HFHPC高温爆裂现象。

(2)HFHPC立方体抗压强度在200 ℃前后的极显著性影响因素分别为矿粉和钢纤维。高温时矿粉与Ca(OH)2反应生成的凝胶有利于钢纤维与基体之间的黏结,延缓HPC裂缝扩展。建议钢纤维、PVA纤维和矿粉的最佳掺量分别为:2.0%、0.3%、30%。

(3)HFHPC劈裂抗拉强度在200 ℃前后的极显著性影响因素分别为PVA纤维和钢纤维。高温时PVA纤维熔化造成的孔洞有利于分散基体内的蒸汽压力。钢纤维与PVA纤维混杂体现了较好的“正混杂效应”。综合考虑,建议钢纤维、PVA纤维和矿粉的最佳掺量分别为:2.0%、0.3%、10%。

(4)HFHPC抗折强度在200 ℃以前的极显著性因素为钢纤维,200 ℃以后的极显著性因素为钢纤维和矿粉。钢纤维体积分数越大,HFHPC抗折强度提高越显著。而矿粉掺量越大,混凝土结构越密实,加热时不利于水蒸气排除导致高温损伤,从而降低HFHPC抗折强度残余率。因此建议钢纤维、PVA纤维和矿粉的最佳掺量分别为:2.0%、0.2%、10%。

(5)建立了HFHPC高温后立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与抗折强度的预测模型。