李 兵, 林煜期, 王 宏, 董毓利

(1.海南大学土木建筑工程学院, 海口 570228； 2.华侨大学土木工程学院, 厦门 362021)

掺量在0.2%以内的聚丙烯纤维(polypropylene fiber, PPF)混凝土具有施工工艺简单、成本低廉、抗火性能较好的特点,被广泛应用于工业与民用建筑工程中[1]。近年来的研究表明,通过向混凝土中掺入纤维对其性能有明显改善,并对消除或减缓混凝土的高温爆裂作用显著。李兆林等[2]通过对聚丙烯纤维水泥混凝土的性能研究发现,聚丙烯纤维对混凝土强度、韧性均有不同程度的改善。孔祥清等[3]对掺入聚丙烯-玄武岩混杂纤维的再生混凝土进行了高温性能研究,结果显示混凝土高温后的抗压强度和劈裂抗拉强度随温度的升高先增大后减小。Kodur等[4]进行了聚丙烯纤维混凝土的高温性能试验,发现掺入聚丙烯纤维能明显提高其高温后的残余强度。

已有PPF混凝土高温性能研究的文献中,研究对象主要为高性能混凝土(50～100 MPa)[5-7]、普通混凝土[8-9],针对低坍落度混凝土的研究文献基本没有涉及。低坍落度混凝土具有稳定性和整体性好,在水泥用量较少情况下可以获得较高强度,但缺点是工作性较差[10]。在保证施工质量和施工进度的前提下,低坍落度混凝土成为高等级混凝土路面施工的首选[11]。在工业与民用建筑中现浇普通混凝土拌合料的坍落度一般要求较大,以便于运输和泵送作业,低坍落度混凝土的工作性能不能满足混凝土现场浇筑的要求,但借助于大型振动台,适当延长混凝土振动时间,低坍落度PPF混凝土完全可以达到普通混凝土验收标准的要求,因此在装配式构件的工业化生产中具有良好的应用前景。为了探索聚丙烯纤维对低坍落度混凝土高温前后性能的强化效果,寻求其最佳纤维掺量与长度,现通过选取不同PPF长度和掺量的低坍落度混凝土进行常温下和高温后力学性能试验,以分析纤维对其物理和力学性能的影响,以期为后续工程应用提供理论参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用水泥为海南“天涯牌”P.C32.5水泥,技术指标如表1所示；细骨料选用中砂,细度模数为2.96,表观密度为2 705 kg/m3,级配试验结果如表2所示；粗骨料选用澄迈产级配人工碎石,最大粒径30 mm,表观密度为2 650 kg/m3,级配试验结果如表3所示；PPF采用长度为3、9、15、19 mm的“拧强牌”单丝PPF,电镜扫描显示PPF为中空截面,直径为80 μm,如图1所示,PPF的力学、物理性能如表4所示。

表1 水泥技术指标Table 1 Cement technical specifications

表2 砂级配试验结果Table 2 Progression results of sand

表3 石子级配试验结果Table 3 Progression results of stone

图1 PPF截面Fig.1 The section of PPF

表4 PPF的物理与力学性能Table 4 Physical and mechanical properties of PPF

1.2 混凝土配合比及试块制备

基准混凝土和PPF混凝土采用相同的配合比,如表5所示,单位体积PPF混凝土纤维掺量包括0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5 kg/m3共8种,PPF混凝土试块根据PPF长度分成4组,分别进行常温下和600、800、900 ℃高温后试验。为使PPF分布良好并避免结团,先加入石子、水泥和砂搅拌30 s,再加入PPF搅拌120 s,最后再加水搅拌120 s,卸料发现PPF在混凝土拌合料中分布基本均匀。相对于干硬性混凝土制作需要专门加压成型装置,低坍落度混凝土只需改变投料顺序和延长搅拌时间即可制作,很适于现场和工厂化构件预制。混凝土出料后首先测定坍落度,坍落度值均在20～40 mm。坍落度测定结束,混凝土迅速装入试模,并用振捣棒密实成型,然后刮去多余拌合物,并用抹刀抹平,试件即成型。将成型试件在温度20±3 ℃、湿度≥90%的环境中静置24 h后拆模,拆模过程中应注意保护试件的棱角部分,拆模完成后,对试件进行编号标记,并记录试验情况,然后水中养护28 d。

表5 单位体积混凝土质量配合比Table 5 Concrete mix ratio

1.3 高温试验方法

高温试验采用RX3箱式电阻炉进行升温,其电压为380 V,输出功率为24 kW,最高工作温度为1 300 ℃,平均升温速率约25 ℃/min。炉膛工作尺寸长×宽×高为50 cm×40 cm×40 cm。

PPF混凝土试块经过28 d水中养护后含水率太高,极易发生高温爆裂,需在通风干燥环境中静置10～15 d,使得试块接近环境湿度后进行高温试验。具体升温过程:升温开始前直接将试块放入炉膛,然后全功率输出进行加温,待炉膛内温度升至目标温度后系统自动恒温120 min,然后关闭电源、打开炉门,冷却到500 ℃以下时取出试件,然后继续自然冷却后再进行加载试验。

1.4 测定与分析方法

1.4.1 强度测定

依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)[12]和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[13]规定的试验方法进行抗压强度试验和劈裂抗拉试验。

抗压强度和劈裂抗拉强度通过WAW-2000微机控制电液伺服万能试验机进行测定。

1.4.2 电镜扫描分析方法

利用EM-30PLUS扫描电镜显微镜进行常温下和高温后PPF混凝土的微观结构观察。

2 试验结果及分析

2.1 PPF对混凝土坍落度的影响

相对基准混凝土,随着PPF掺量增加,混凝土的坍落度值均呈现出先减小后趋于稳定的趋势,这是因为PPF与水泥胶体形成三维无序网络结构,增强了混凝土拌合料中各组分之间的拉接作用,阻碍了骨料的沉降和滑动,提高了混凝土的黏结性能,如图2所示。同时PPF受到混凝土包裹会消耗掉部分水泥浆,导致PPF混凝土的坍落度值进一步降低。PPF掺量增加到2.0 kg/m3及以上时,拉结增强作用不再显著增加,掺入不同PPF长度的混凝土坍落度值均趋于稳定。

图2 PPF(9 mm)混凝土拌合料Fig.2 PPF (9 mm) concrete mix

图3 常温下不同长度PPF混凝土抗压强度Fig.3 Compressive strength of PPF concrete of different lengths at ambient temperature

2.2 常温下PPF对混凝土抗压强度的影响

常温试验包括1组基准混凝土试件和32组PPF混凝土试件,每组包括3个150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块。

如图3所示,常温下PPF长度和掺量对混凝土28 d抗压强度具有显著影响,随所掺PPF长度和掺量的增加混凝土抗压强度均呈现出减小的趋势。同掺量时掺入3、9 mm长PPF的混凝土抗压强度明显大于掺入15、19 mm长PPF时的情况。掺量在3.0 kg/m3以内时混凝土抗压强度均显著高于基准混凝土(41.4 MPa)。其中掺入3 mm长PPF、掺量为1.0 kg/m3时抗压强度达到峰值强度(48.5 MPa),此时增强率达到17.1%,随着PPF掺量增加强度开始下降,这是因为PPF混凝土的抗压强度主要取决于PPF作为拉结约束产生的增强作用和PPF对截面削弱产生的减强作用,同时还与破裂面上PPF被拉断比例密切相关。当PPF长度(3 mm)较短时,锚固长度也较短,PPF被拉断比例较小,没有充分发挥自身的拉结增强作用,但PPF数量多,分布也比较均匀,克服PPF断裂以及PPF与混凝土基体的摩擦力仍需要较多能量,当PPF掺量超过1.0 kg/m3时,PPF对混凝土截面削弱的不利影响开始超出PPF的增强作用,混凝土强度开始下降,但下降幅度较小。

图4 常温下PPF混凝土破裂面Fig.4 Fracture surface of PPF concrete at ambient temperature

随着PPF长度(9 mm)增加,锚固长度增大,与破裂面混凝土的摩擦力增强,PPF被拉断比例增加,但PPF数量减少,增强作用继续下降。如图4所示,掺入9 mm长、掺量为1.0 kg/m3的PPF混凝土抗压试块破裂面,可见PPF多为乱向分布,这可以抑制了裂缝早期的发展,延长了裂缝开裂路径,同时PPF拉结作用可以产生阻裂效应,减少裂缝的数量和几何尺度。

随着PPF长度(15、19 mm)继续增加,破裂面上PPF被拉断比例增加不再明显,同时PPF过长造成分散性显著降低,强度难以充分利用,因此当掺量超过0.5 kg/m3时,强度开始下降。

2.3 高温下PPF对混凝土抗压强度的影响

600、800、900 ℃高温试验后,基准混凝土表面均出现裂纹,重量明显减轻,且部分试件发生缺角现象。PPF混凝土试件表面裂纹相对较少,整体性保持完好,这是由于PPF融化、气化以后,部分挥发逸出,留下有利于水蒸气和热量排出的孔道,使混凝土内部孔压力降低,同时削弱了混凝土内部的密实性,减少了混凝土的热膨胀,从而缓解了高温对混凝土微观结构的损伤。高温后基准混凝土和PPF混凝土抗压强度变化情况如图5所示。

图5 高温后不同长度PPF混凝土抗压强度Fig.5 Compressive strength of PPF concrete of different lengths after elevated temperatures

600、800、900 ℃后基准混凝土均发生明显劣化,强度大幅降低,分别只有常温时的67.6%(28 MPa)、34.5%(14.3 MPa)和22%(9.1 MPa)；而高温后PPF混凝土的部分强度数据虽然明显波动,但整体下降趋势显著。试验数据表明掺入3、9 mm长PPF时,600 ℃后混凝土残余强度明显更高,特别是掺入15 mm长PPF、掺量为0.5 kg/m3时残余强度达到最大(29.8 MPa),明显高于600 ℃后基准混凝土残余强度。随着掺量增加,残余强度显著下降。这是因为PPF在高温下熔融、气化,留下的孔道使混凝土空隙总体积增加,增加了混凝土内部水汽和热量溢出的通道,使孔内压力降低,从而减轻了混凝土的内部损伤；另一方面PPF蒸发留下的孔道减少了破裂面的有效面积,随着掺量增加,对截面的削弱逐渐占据了主导。掺入15、19 mm长PPF时,高温后强度变化趋势类似,但强度较低,这是因为PPF长度越长,分散性越差,高温气化、挥发后对劈裂抗拉强度的副作用越大。800、900 ℃后PPF混凝土残余强度离散性显著,但变化趋势基本一致,掺入任何长度PPF,均在掺量为0.5 kg/m3时残余强度达到最大值。这与文献[14]中普通PPF混凝土的高温(≥600 ℃)后残余强度均低于基准混凝土,同时PPF长度和掺量对混凝土残余抗压强度的影响并不突出的结论有显著区别,与文献[15-16]中掺量在0.15%(3.6 kg/m3)以内时PPF混凝土残余抗压强度相对于普通混凝土略有提高,掺量在0.15%以上时强度开始下降的结论有明显区别,因此普通PPF混凝土高温后性能的研究结论并不适用于低坍落度PPF混凝土。在低坍落度PPF混凝土中,当掺量超过0.5 kg/m3,掺入任何长度PPF时,残余强度均显著下降,并且PPF长度越长,影响越严重。当掺量为0.5 kg/m3以内时,掺入任何长度PPF时混凝土残余强度均高于基准混凝,并且PPF长度为9 mm时,残余强度最大,这与常温时低坍落度PPF混凝土的强度变化规律也有显著区别。

2.4 常温下PPF对混凝土劈裂抗拉强度的影响

基于PPF混凝土抗压强度的试验结果,劈裂抗拉强度试验选取的PPF掺量分为0、0.5、1、1.5 kg/m34种,进行常温下和600、800 ℃高温后试验。常温下基准混凝土和PPF混凝土的劈裂抗拉强度结果如图6所示。

常温下PPF混凝土劈裂抗拉强度变化的规律与常温抗压强度类似。当掺入3、9 mm 长PPF时,强度增加明显,相对于基准混凝土强度(3.11 MPa)均有所增加,特别是PPF掺量为1.0 kg/m3时达到峰值,增幅分别达到25.4%(3.9 MPa)和18.6%(3.69 MPa)。而掺入PPF长度为15 mm和19 mm时的劈裂抗拉强度在掺量大于0.5 kg/m3后则出现下降,随着PPF掺量增加,下降更加显著。常温下基准混凝土劈裂抗拉强度约为抗压强度1/13,掺入3、9 mm长PPF时,比值约为1/14～1/12,掺量越大,比值越小；掺入15、19 mm长PPF时,比值减小到1/17～1/14,掺量越大,比值也越小。显然常温下掺入PPF长度越长,掺量越大,对混凝土劈裂抗拉强度的影响越显著。

图6 常温下不同长度PPF混凝土劈裂抗拉强度Fig.6 Split tensile strength of PPF concrete of different lengths at ambient temperature

图7 高温后不同长度PPF混凝土劈裂抗拉强度Fig.7 Split tensile strength of PPF concrete of different lengths after elevated temperatures

2.5 高温下PPF对混凝土劈裂抗拉强度的影响

高温后PPF混凝土劈裂抗拉强度试验选取600、800 ℃两种工况,如图7所示。600 ℃后基准混凝土的劈裂抗拉强度(0.41 MPa)约为其残余抗压强度(28 MPa)的1/68,相对常温情况,高温明显对PPF混凝土劈裂抗拉强度影响更大。600 ℃后PPF混凝土掺入3、9 mm长PPF时,上述比值约为1/66～1/60；掺入15、19 mm长PPF时,比值减小到1/70～1/90,均为掺量越大,比值越小,影响越严重。混凝土掺入PPF长度为3、9 mm时的混凝土劈裂抗拉强度随掺量增加先增大后减小,掺量为0.5 kg/m3时达到最大值,分别为0.48、0.54 MPa,增强率为同温度后基准混凝土的17%和32%。从600 ℃到800 ℃,劈裂抗拉强度损失约为20%,这是由于C-S-H胶体的黏结性能进一步劣化导致。

图8 电镜扫描下的PPF混凝土微观结构Fig.8 Microstructures of PPF concrete through SEM

2.6 电镜扫描结果分析

为考察常温下和高温后PPF对混凝土微观作用的影响,对常温下和600、800、900 ℃后PPF混凝土破裂面进行了电镜扫描,扫描结果如图8所示。图8(a)中表示掺入PPF长度9 mm、掺量为1.0 kg/m3时的混凝土受压破裂面情况,C-S-H胶体整体比较致密,试验时PPF被拔出或拉断,长度越短,被拔出PPF比例越大。图8(b)～图8(d)分别给出了600、800、900 ℃后掺入PPF长度9 mm、掺量为0.5 kg/m3时的混凝土受压破裂面情况,600 ℃后混凝土C-S-H胶体的网状结构仍然保持较好,PPF融化留下了空洞,显然试块受压破坏时空洞发生了明显压缩,提高了残余抗压强度。试验数据也表明相对于抗压强度,高温对PPF混凝土劈裂抗拉强度影响更显著。800 ℃后PPF混凝土的网状结构连接点显著减少,内部空隙明显增多,PPF气化残留的空洞基本观察不到,整体结构支离破碎。900 ℃后C-S-H胶体发生严重的收缩变形,网状结构发生显著破坏,裂缝贯通量增大,但未发生爆裂破坏。因此800 ℃后PPF对混凝土的强度影响不再显著,试验数据也验证了这一点。

3 结论

(1)常温下低坍落度PPF混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度变化规律相似,随着PPF掺量增加,抗压强度和劈裂抗拉强度均为先增大后减小,当PPF长度为3 mm、掺量为1.0 kg/m3时,抗压强度和劈裂抗拉强度均达到峰值,显著高于基准混凝土强度。相对于抗压强度,PPF长度和掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响更显著。

(2)高温后低坍落度PPF混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度变化规律同样相似,随着PPF掺量增加,残余抗压强度和残余劈裂抗拉强度均为先增大后减小,当PPF长度为9 mm、掺量为0.5 kg/m3时,高温后残余抗压强度和劈裂抗拉强度均为最大。结合电镜扫描结果,高温对PPF混凝土劈裂抗拉强度影响更显著。

(3)依据试验结果对低坍落度PPF混凝土的微观作用机理进行了分析。常温时PPF对低坍落度混凝土的影响主要取决于PPF拉结作用产生的增强作用和PPF对混凝土截面削弱产生的减强作用两个方面。高温后PPF对低坍落度混凝土的影响主要取决于PPF对混凝土截面的削弱和PPF高温气化带来的温度应力释放两个方面。