李 兵,张 刚,林煜期,谢卓衡,秦培成

(1.海南大学 土木建筑工程学院,海南 海口 570228；2.海南省消防救援总队,海南 海口 570228)

1 前 言

聚丙烯纤维(PPF)混凝土是在混凝土中掺入一定量PPF制成的一种新型混凝土,PPF掺入能有效改善混凝土的脆性、韧性以及耐火性能,并在交通、房建、机场、水利等土木工程领域得到了广泛应用[1-2]。期间国内外学者对PPF 混凝土的常温下和高温后力学性能及其微观结构开展了一系列研究[3-5]。姚武等[6]对PPF混凝土的抗拉强度进行了研究,提出掺入PPF可以提高混凝土的抗裂性能并改善其界面特性。刘沐宇等[7]开展了PPF高强混凝土的高温性能研究,发现高温后PPF掺入可在一定程度上提高其抗压强度、劈裂强度并可以改善其抗爆性能。元成方等[8]发现高温后PPF混凝土的质量损失率更小且其动弹性模量显著高于素混凝土。上述研究多集中在高温后PPF 混凝土的基本力学性能和微观损伤机理方面。部分学者对常温下PPF 混凝土的应力-应变关系进行了一些探讨。徐礼华等[9]通过单轴循环加载对PPF 混凝土进行了受压应力-应变关系研究,结果表明PPF 混凝土在循环加载下的应力-应变包络线与单调受压应力-应变曲线相近。张广泰等[10]通过单轴受压试验分析了PPF掺量对混凝土应力-应变关系的影响,并依据试验结果建立了不同掺量下PPF混凝土的本构关系。郜珊珊等[11]对水饱和状态下PPF混凝土的单轴受压应力-应变关系进行研究,建立了PPF混凝土在干燥与水饱和条件下的本构方程。相关研究均集中在常温下的单轴受压方面,而对高温后PPF混凝土单轴受压应力-应变曲线的研究甚少[12-15],同时试验数据离散性很大,试验结论同样存在较大差异,还需要深入探索。

随着PPF混凝土大量应用于工程实践,其火灾隐患日益凸显,关于PPF混凝土的过火后性能也亟需确定,从而实现过火后PPF混凝土结构的精确力学性能分析,继而为过火后PPF混凝土结构的检测和修缮提供理论依据。

本研究拟对高温后PPF 混凝土的单轴受压应力-应变全曲线开展试验研究,考察PPF掺量和长度对其质量损失率、峰值应力和应变、弹性模量、泊松比的影响,并建立高温后PPF 混凝土的应力-应变关系本构方程。

2 实 验

2.1 原材料

PPF混凝土的配合比如表1所示,其中水泥采用海南“天涯牌”P.C32.5级；细骨料选用中砂,细度模数为2.96,表观密度为2705 kg/m3；粗骨料选用海南澄迈产级配人工碎石,表观密度为2650 kg/m3,最大粒径为30 mm；纤维采用“拧强牌”单丝PPF,直径80μm,PPF外观见图1。

图1 PPF截面照片Fig.1 Section of PPF

表1 混凝土的配合比Table 1 Concrete mix ratio

2.2 试块制作和养护

试验设计了60组尺寸均为100 mm×100 mm×300 mm 的PPF混凝土棱柱体试件,每组3个试块,共计180个。PPF长度分别选用3、9、15 mm,掺量分别选用0.5、1.0、1.5 kg/m3。PPF混凝土均采用强制式搅拌机搅拌120 s后在温度为(20±2)℃、湿度≥95%的环境中成型,静置24 h后拆模,水中养护28 d后取出待用。由于试块初始含水率极高,需在自然干燥通风的环境中静置14 d,待其含水率趋于稳定后再对其进行高温试验。每组试件分别在25、200、300、400、600及800 ℃下进行高温试验。

2.3 高温试验

试验采用RX3箱式电阻炉进行升温,工作电压为380 V,输出功率为24 k W,平均升温速率约为25 ℃/min,最高工作温度为1300 ℃。炉膛内部工作尺寸为500 mm×400 mm×400 mm。具体升温过程:先将试件放入炉膛,然后开始升温,当炉温达到目标温度后保温2 h,使试块内外均达到目标温度,最后关闭电源,打开炉门,取出试块并自然冷却至室温后进行高温后单轴受压加载试验。

2.4 单轴受压试验

单轴受压试验在海南大学土木工程结构试验室进行。考虑到应力-应变全曲线的下降段对试验设备的加载速率要求较高,因此采用30 t微机控制电液伺服万能试验机进行全位移控制加载,调试后加载速率设定为0.12 mm/min。试验时在试件两侧布置YHD-10型位移计,以记录试件的竖向位移,同时在试件四个侧面正中粘贴纵向与横向应变片,以测量其纵向与横向应变。试验开始前对试件进行预加载,使试件上下表面与试验机装置贴合紧密。试验数据通过DH3816N 数据采集仪自动采集,采样频率为10 Hz。加载装置如图2所示。

图2 单轴受压加载装置示意图Fig.2 Schematic diagram of uniaxial compression loading device

2.5 高温试验现象及高温后表观特征

试验中不同PPF 掺量和长度的混凝土试件的高温试验现象如下:25～300 ℃时无明显现象；400 ℃时炉门处出现水蒸气；400～500 ℃时炉口处有水雾并附着在炉壁上,并有水珠从炉门处滴落；500 ℃时,炉门处水雾渐渐消失；600～800 ℃时能听到细微的混凝土破裂声,整个高温过程未出现爆裂现象。

400～800 ℃试验后,混凝土试件发生显著的物理和化学变化,各组试块的表观特征类似,如表2所示。其高温后外观颜色变化见图3。

表2 PPF混凝土经历不同温度的表观特征Table 2 Apparent characteristics of PPF concrete under different temperatures

图3 经历不同温度后的试块外观Fig.3 Appearance of test block after different temperatures

3 结果与分析

3.1 高温后试件的质量损失率

试验对试件高温前、后的质量进行测定,质量损失率η与温度T 的关系见图4。从图可见,25～200 ℃后η显著增大,主要是由于PPF混凝土内部的自由水蒸发,导致试件产生较大的质量损失。300 ℃后,η仍保持较大程度的增长,因为该温度下C-S-H 凝胶受热,混凝土内部的毛细水与凝胶水蒸发,同时PPF 的融化和挥发,使试件中水分溢出的通道增加。400 ℃后毛细水与凝胶水蒸发殆尽,同时混凝土中的氢氧化钙开始受热分解[16],η继续缓慢增加。600～800 ℃后,混凝土内部的结晶水接近完全蒸发,关系曲线趋于一致。

图4 质量损失率η 与温度T 的关系曲线图Fig.4 Relationship between mass loss rate and temperature

对比基准混凝土,高温后PPF 混凝土的η与其PPF长度和掺量密切相关。当PPF长度为3 mm 时,25～800 ℃后η的变化与基准混凝土近似。当PPF长度为9 mm,掺量分别选用0.5、1.0 kg/m3时,25～300 ℃后η的变化与基准混凝土近似,但300～800 ℃后η明显偏大；但当掺量增加到1.5 kg/m3时,其η又与基准混凝土近似。当PPF 长度为15mm 时,300～800 ℃后η明显偏小。上述现象主要取决于两个原因:一方面PPF高温熔融、气化,增加了混凝土内部水汽和热量溢出的通道,使PPF 混凝土的η偏大；另一方面,PPF 长度越长、掺量越高,PPF 分散性变差,反而不利于水分溢出,使得η偏小。

3.2 峰值应力

PPF混凝土试件的受压峰值应力fc,T 随温度T的变化曲线如图5所示。常温下基准混凝土试件P0-0的峰值应力最小,为30.1 MPa。当PPF 长度为3 mm、掺量为1.0 kg/m3时fc,T最大,达到35.9 MPa,增强率达到19.7%。其他各组试件的fc,T介于两者之间。随PPF 长度的增加,fc,T呈现出减小的趋势,这是由于随PPF 长度的增长,分散性逐渐降低,其增强作用难以发挥。300℃,fc,T显著高于基准混凝土,这是因为PPF高温融化,导致试块内部的孔隙显著增加,有效释放了蒸汽压力,从而延缓了裂缝的开展[17],使fc,T降幅减缓。400 ℃,PPF对混凝土的影响开始减弱,仅P3-10、P3-15和P9-05组仍有增强作用,其他工况则发生减强作用,使得fc,T低于基准混凝土。600～800 ℃,fc,T基本一致,PPF 的影响可忽略。数据对比表明当PPF 长度为9 mm,掺量为0.5 kg/m3时,高温后性能最优。

图5 峰值应力f c,T和温度T 的关系曲线图Fig.5 Relationship between peak stress and temperature

3.3 峰值应变

PPF混凝土的峰值应变εc,T与温度T的关系曲线见图6。从图可见,εc,T随温度升高呈增大趋势,且温度越高εc,T增幅越明显。常温下,除P9-15和P15-15两组的εc,T低于P0-0 组外,其余各组εc,T均高于P0-0组,因此当PPF掺量与长度适宜时,PPF 的掺入对混凝土起到一定的增韧作用。200～400 ℃,εc,T变化较为平缓,有小幅下降,除P3-10组外均低于基准混凝土,各组试件的关系曲线相近；600～800 ℃,PPF的掺入使εc,T增长显著,其中P15-05组最为明显；800 ℃后εc,T高出基准混凝土36.89%。整体来看,当PPF长度分别为3、9 mm 时,随PPF掺量的增加,εc,T均呈先增后减；当PPF 长度为15 mm,掺量为0.5 kg/m3时,εc,T最大。PPF 掺量的继续增加,εc,T发生下降并趋于稳定,这是由于PPF长度越长,掺量越大,分散性越差,对εc,T影响越小。PPF 掺量相同时,当PPF 长度为3 mm 时,εc,T偏低；PPF 长度分别 为9、15 mm时,εc,T数值接近。

图6 峰值应变εc,T和温度T 的关系曲线图Fig.6 Relationship between peak strain and temperature

3.4 弹性模量

在PPF混凝土应力-应变曲线的上升段取原点到40%峰值应力点的割线作为弹性模量Ec,T。Ec,T与目标温度T 的关系如图7所示。常温下PPF 混凝土的Ec,T高于基准混凝土,其对弹性模量的提升尤为显著,因此PPF的掺入可有效改善混凝土的拉结性能并有效抑制混凝土的开裂,并且PPF 长度越长,掺量越大,拉结增强作用越明显。25～400 ℃,PPF混凝土的Ec,T呈线性下降趋势,且与基准混凝土接近；400～600 ℃,PPF混凝土的Ec,T下降幅度趋缓,但仍明显高于基准混凝土,其中PPF 掺量为1.0 kg/m3时残余Ec,T最大；600～800 ℃,各组PPF 混凝土试块的Ec,T仅为常温下的1%～3%,PPF掺量和长度对的影响基本可忽略不计。

图7 弹性模量E c,T和温度T 的关系曲线图Fig.7 Relation between elastic modulus and temperature

3.5 泊松比

PPF混凝土的泊松比υc,T取应力-应变全曲线上升段40%峰值应力点处横向应变和纵向应变的比值。υc,T变化趋势如图8所示。常温下,υc,T均位于0.20～0.23之间。25～200℃,υc,T相较于常温情况略偏低,这是由于PFF混凝土水化反应加快,填补了内部微裂缝,使其完整性增强,进而使得横向变形缩小；200～400℃,υc,T随温度升高逐渐增大,其中当PPF长度为9 mm 时,υc,T显著高于其他工况,与基准混凝土基本相同；400～800 ℃,υc,T变化更加复杂,这主要取决于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,其中P9-05和P15-10两种工况时υc,T稳定提高,整体高于基准混凝土。

图8 泊松比υc,T 和温度T 的关系曲线图Fig.8 Relation between Poisson’s ratio and temperature

4 高温后PPF混凝土应力-应变全曲线

4.1 高温后单轴受压应力-应变全曲线

高温后PPF 混凝土试件的应力-应变曲线如图9所示。从图可见,各组PPF 混凝土的应力-应变全曲线相似,均随着温度的升高,峰值应力逐渐减小,峰值应变逐渐增大,最后趋于一致。25～300 ℃,压力未达到峰值点前,混凝土内部微裂缝扩展不明显,横向变形较小,上升段形状基本一致。由于PPF的掺入一定程度上提升了混凝土的整体性,PPF混凝土峰值应变出现略微回缩,之后随着温度升高又持续增大。400 ℃后,曲线上升段和下降段均较为平缓。600 ℃后,峰值应力大幅降低,曲线整体趋于扁平。800 ℃后,峰值点已经不再明显,PPF混凝土与基准混凝土的曲线特征基本一致。

图9 不同高温后PPF混凝土试件的应力-应变全曲线(a)P0-0组；(b)P3-05组；(c)P3-10组；(d)P3-15组；(e)P9-05组；(f)P9-10组；(g)P9-15组；(h)P15-05组；(i)P15-10组；(j)P15-15组Fig.9 Full stress-strain curve of PPF concrete specimens at different temperatures (a)P0-0；(b)P3-05；(c)P3-10；(d)P3-15；(e)P9-05；(f)P9-10；(g)P9-15；(h)P15-05；(i)P15-10；(j)P15-15

整体来看,高温后基准混凝土和PPF 混凝土均发生劣化,残余峰值应力大幅降低。600 和800 ℃后,基准混凝土残余峰值应力分别只有常温下的39.5%(11.9 MPa)和15.0%(4.5 MPa),而P9-05组高温后残余峰值应力最大,分别为12.7和4.8 MPa,略高于基准混凝土。其他长度和掺量的PPF混凝土残余峰值应力明显偏低。同时P9-05组的曲线包络面积更大,能量吸收能力最强,混凝土强度和抗裂性能均有改善,因此混凝土耐火性能设计时推荐采用P9-05组。

4.2 单轴受压应力-应变全曲线本构方程

结合PPF混凝土高温后应力-应变曲线的相关特征,基于过镇海、时旭东[18]提出的混凝土单轴受压应力-应变全曲线分段式方程进行拟合,具体见式(1):

式中:y=σ/σc,x=ε/εc,α表示曲线初始切线模量与峰值点割线模量的比值,β与下降段曲线和应变轴包络面积相关。

拟合得到高温后不同PPF 掺量和长度时的参数值α和β,具体表达式见式(2)。随着温度的升高,α值逐渐减小,而β值呈先增大后减小的趋势,说明吸收能量的能力先减弱后略微增强。模型同时考虑了高温后上升段和下降段的变化规律,可用于高温后PPF混凝土结构的全过程有限元模拟中。

将表3的相关系数代入式(1)和式(2),即可得到PPF混凝土的单轴受压应力-应变全曲线分段式方程。

表3 参数α,β 值与温度T的相关系数Table 3 Coefficient between parameter valuesα,βand temperature T

上述公式的温度T取值范围为25～800 ℃之间,参数α,β值拟合后的相关系数R2均大于0.96。

5 结 论

1.常温下,PPF混凝土的峰值应力、弹性模量均高于基准混凝土；而峰值应变和泊松比则与PPF掺量和长度相关。其中PPF长度为3 mm、掺量为1.0 kg/m3时峰值应力最大。

2.高温后,PPF 混凝土的应力-应变全曲线相似,其质量损失率、峰值应力、峰值应变、弹性模量和泊松比的变化主要取决于PPF 对混凝土截面的削弱和PPF的高温气化。随经历温度的升高,峰值应力和弹性模量逐渐减小,峰值应变和泊松比先降低后增加,数据对比表明PPF长度为9 mm,掺量为0.5 kg/m3时,高温后性能最优。

3.建立了高温后PPF 混凝土应力-应变全曲线本构方程,模型考虑了上升段和下降段的曲线变化规律,可用于高温后PPF混凝土的全过程有限元模拟。