纤维增强超高强混凝土防高温爆裂研究

杜 咏，严奥宇，戚洪辉

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816)

超高强混凝土(UHSC)具有抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的特点，在建筑、桥梁、公路和军事设施等工程领域应用前景广泛[1].火灾在结构服役周期内是遭遇最为频发的灾害，超高强混凝土在火灾高温下也会出现爆裂现象.

已有研究表明，高温爆裂主要遵循蒸汽压力机理和热应力机理[2-4].混凝土强度[5-11]、水胶比[5-11]、孔隙率[5]、含水率[11]、骨料类型[6,12-14]、升温速率[14-15]、加载水平[13,15-16]和试件尺寸[17-19]等因素对混凝土高温爆裂的影响均有试验研究.

在UHSC中添加聚丙烯纤维是防止其高温爆裂较为有效的方法[14,20].聚丙烯纤维的熔点较低，通常为170℃.在高温下，聚丙烯纤维会熔化，因此蒸汽可以通过纤维熔化后留下的孔隙排出[12]，从而阻止UHSC的高温爆裂.欧洲规范EN 1992-1-2：2004《Eurocode 2：Design of concrete structures-Part 1-2：General rules structural fire design》建议，掺入体积分数不少于0.22%的聚丙烯纤维可防止强度等级105MPa及以下的混凝土高温爆裂；Xiong等[20]指出体积分数0.10%的聚丙烯纤维可有效防止150MPa混凝土高温爆裂.另外，由于超高强混凝土在常温下表现出显著的脆性，通常掺入一定量的钢纤维来提高其常温下的延性[21].而已有研究表明，钢纤维可延缓高强混凝土爆裂[7].

在广州东塔工程中实现高层泵送120MPa混凝土技术的工程实践表明，超高强混凝土在建筑结构中的应用是大势所趋.由于影响混凝土高温爆裂的因素较为复杂，至此，已有研究并未得出统一的防止超高强混凝土高温爆裂的措施，以指导工程应用.本文在已有研究基础上，首先开展了15组立方体抗压强度为116～143MPa的纤维增强超高强混凝土(FRUHSC)试件在ISO834火灾标准升温曲线下的高温爆裂试验，考虑混凝土的水胶比、孔隙率和试件尺寸，提出能防止UHSC高温爆裂的混杂纤维掺量.然后，通过14根大尺寸混杂纤维增强120MPa混凝土型钢组合柱的高温加载试验，进一步考察优化混杂纤维掺量对120MPa混凝土结构构件防高温爆裂的有效性，为正确评价超高强混凝土型钢组合柱的高温承载能力，推进120MPa混凝土在建筑结构中的应用提供参考.

1 试验方案

1.1 纤维增强超高强混凝土原料及配合比

胶凝材料选用P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥，920 U型硅灰；细骨料为二区中砂；粗骨料由5～10mm与10～20mm 这2种粒径的玄武岩碎石按质量比4∶6混合；外加剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量(1)文中涉及的固含量、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比.为20.3%；纤维采用熔抽超细型钢纤维(SF)和聚丙烯纤维(PPF)，其性能指标见表1.超高强混凝土水胶比mW/mB分别为0.18和0.15(编号为Ⅰ、Ⅱ)，其余配合比见表2.

表1 纤维性能指标

表2 超高强混凝土配合比

1.2 试件制备

以超高强混凝土在ISO834火灾标准升温曲线(最严重建筑火灾升温条件)下历经2h，试件中心温度不超过200℃为原则，设计混凝土试件尺寸.在升温过程中，既满足试件截面的温度非均匀(试件表面温度已超过1000℃)，又可使试件全截面温度超过100℃ 时逐步形成较大蒸汽压力；在试件全截面温度超过170℃时，PP纤维逐步融化，形成可缓解蒸汽压力的空隙.根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求，按照表2中的配合比，掺入PPF和SF(其体积分数分别用φPPF和φSF表示)，配制15组试件，如表3所列，同时每组制备3块边长为150mm的立方体试块用来测试其抗压强度fcu，结果也列于表3.

表3 纤维增强超高强混凝土试件方案汇总

1.3 试验装置

燃气试验炉工作升温历程遵循ISO834火灾标准升温曲线，最高可达1250℃.为防止试件高温爆裂损坏炉内结构，试验过程中使用高温防爆保护网.在试件的几何中心预埋热电偶，并使用多功能数据采集器测量超高强混凝土试件中心的升温历程.

1.4 纤维增强超高强混凝土试件的孔隙率

较低的孔隙率是超高强混凝土在高温下爆裂的主要因素之一[18].根据GB/T 21650.1—2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度 第一部分：压汞法》，为了取样具有代表性，用切割机分别从水胶比0.18和0.15的未掺纤维UHSC试件中取若干大小约为1cm3的样品，采用压汞法，测试样品的孔隙率，定量评价纤维增强超高强混凝土的密实性.

2 高温爆裂试验

2.1 试件升温历程

试件中心升温历程如图1所示，实测炉温与预设ISO834火灾标准升温曲线基本重合，试件试验温度条件良好.试件受火初期，其中心温度显著低于炉温.试件FRUHSC5在点火后约50min发出爆裂声响，其温度曲线在短时间内发生突变；其他部分爆裂试件的中心温度增长基本平稳.除试件FRUHSC5外，其他试件受火2h后，中心温度均为200℃左右.

图1 试件中心升温曲线Fig.1 Temperature history in core of specimens

2.2 试验高温爆裂现象

试件经历ISO834火灾标准升温后外观如图2所示.升温过程中发现，不同纤维体积分数的混凝土试块外观颜色随温度变化基本一致：经历20～200℃ 后，为青灰色；经历200～400℃后，由青灰色变为灰褐色；经历400～800℃后，由灰褐色变为灰白色.由图2可见：未掺加纤维的试件FRUHSC5在经历2h高温后，发生粉碎性爆裂，如图2(e)所示；φPPF=0.10%、mW/mB=0.18的试件FRUHSC1未出现剥落，仅上部出现环状裂纹，如图2(a)所示；φPPF=0.10%、mW/mB=0.15的试件FRUHSC10，仍然发生高温爆裂，如图2(j)所示；φSF=1.00%的试件FRUHSC9未发生粉碎性爆裂，高温爆裂现象有所缓解，如图2(i)所示；φPPF=0.13%的试件FRUHSC11、FRUHSC14及φPPF=0.10%的试件FRUHSC13在高温下仍有部分爆裂剥落现象，但爆裂现象不如FRUHSC10明显，如图2(k)、(m)、(n)所示，说明掺加PPF后试件高温爆裂有所缓解，但试件表面出现爆裂脱落，仍然未有效防止高温爆裂；对于其余φPPF≥0.15%的试件，无论是否掺加钢纤维，其高温爆裂均得到有效抑制.

各试件详细的高温爆裂试验现象如表4所列，其中，爆裂深度为爆裂面到爆裂前试件表面的最大距离，爆裂面积比为爆裂面积与试件受火表面积的百分比.

2.3 试件尺寸对爆裂的影响

根据表4所列爆裂程度指标，以及图2(l)和图2(o)所示的试件受火后外观，φPPF=0.15%的2种尺寸试件FRUHSC12(φ300×300mm)和FRUHSC15(φ100×200mm)在高温下均未发生爆裂；而比较φ300×300mm试件FRUHSC10、FRUHSC11和φ100×200mm试件FRUHSC13、FRUHSC14，发现当φPPF=0.10%、0.13%时，试件在高温下仍表现为部分爆裂.试验现象表明，当试件尺寸从φ100×200mm增大到φ300×300mm时，只要φPPF≥0.15%，试件就可防高温爆裂.

2.4 孔隙率对爆裂的影响

mW/mB=0.18的试件FRUHSC1孔隙率为4.25%，而mW/mB=0.15的试件FRUHSC10孔隙率为2.34%，两者的φPPF均为0.10%，试件FRUHSC10在高温下发生部分爆裂，爆裂深度为38mm；而孔隙率较高的试件FRUHSC1在高温下其表面仅出现裂纹.

将本文试验值与文献[18，22]中数据对比可得：孔隙率大于10%为普通混凝土；孔隙率在6%～10%为强度低于100MPa的高强混凝土；而当孔隙率小于6%时，混凝土强度达到100MPa以上.混凝土孔隙率越低，抗压强度越高.本文4.25%孔隙率试件(FRUHSC1)的强度为116MPa,而2.34%孔隙率试件(FRUHSC10)的强度为123MPa.因此，更高强度的超高强混凝土具有更小的孔隙率.

图2 纤维增强超高强混凝土试件高温后外观Fig.2 Appearance of FRUHSC specimens subject to fire

表4 纤维增强超高强混凝土试件高温爆裂试验现象汇总

2.5 混杂纤维掺量对爆裂的影响

如图2(e)所示，未掺加纤维的超高强混凝土试件FRUHSC5在高温下发生粉碎性爆裂；而单掺钢纤维且φSF=1.00%的试件FRUHSC9高温爆裂现象得到缓解，表现为部分爆裂.这表明φSF=1.00%的钢纤维不能有效防止混凝土高温爆裂，仅可缓解其高温爆裂程度[19]，这主要得益于钢纤维所具有的优异导热性能，可以使热量在混凝土内部有效传递，从而减小由温度差所致的热应力；同时，钢纤维可提高混凝土的抗拉强度，因此，掺加钢纤维可延缓混凝土的爆裂.但是随着混凝土温度的升高，钢纤维对提高混凝土抗拉强度的贡献随着钢纤维变脆失效而衰退.由图2可见，当φPPF≥0.15%时，可有效防止超高强混凝土高温爆裂.

3 纤维增强超高强混凝土型钢组合柱防高温爆裂试验

3.1 组合柱试件制备

综合考虑混凝土的延性和工作性能，制备φSF=0.50%、mW/mB=0.15、φPPF=0.15%的超高强混凝土试件C120，按照JGJT 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》和CCES02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》中要求的测试方法，评估混凝土拌和物工作性能.测试指标包括坍落扩展度(expansion)、流动时间(t500)、J环通过指标(PA)、L型仪间隙通过指标(H2/H1)，测试结果见表5.

表5 C120混凝土工作性能指标

采用已配置的C120混凝土、H型钢、直径12mm 的纵向钢筋和直径8mm的箍筋制备纤维增强超高强混凝土型钢组合柱(SRHSC)，其设计详图见图3，受火构件汇总表见表6.分别浇筑了1.4m长和2.5m长的超高强混凝土型钢组合柱.

图3 纤维增强超高强混凝土型钢组合柱设计详图Fig.3 Fibre reinforced ultra-high strength concrete encased steel columns design details(size：mm)

表6 受火构件汇总表

3.2 高温加载试验装置

不同长度试件分别采用了2种加载受火试验装置，如图4所示.高温试验炉遵循ISO834火灾标准升温曲线，加载采用1000t电液伺服加载系统，柱子四面受火，为了防止超高强混凝土爆裂而致炉体损坏，在构件表面包裹不锈钢丝网.根据GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法》，当柱端轴向压缩变形速率达到3×L/1000mm/min时(L为柱高)，认为试件破坏，停止高温加载.

图4 试验装置图Fig.4 Test device diagram(size：mm)

3.3 高温加载试验现象

1.4m构件SRHSC1高温下柱端竖向变形速率达0.07mm/s 时则判定为发生破坏，其外观如图5所示.由图5可见，1.4m构件均表现为截面强度破坏，截面处混凝土由于达到其高温抗压强度而开裂剥落，构件其余部分混凝土未见强度破坏及高温爆裂现象.

2.5m构件SRHSC5高温下柱端竖向变形速率达0.125mm/s时则判定为发生破坏，其外观如图6所示.由图6可见，2.5m构件均表现为失稳破坏，构件表面出现典型的受拉侧横向裂缝及受压侧竖向裂缝，未观察到混凝土爆裂现象.

试验结果表明，mW/mB=0.15，φPPF=0.15%、φSF=0.50%的120MPa混凝土用于构件中时，在常温下表现出合格的工作性能，在高温下表现出良好的抗高温爆裂性能.

图5 1.4m构件SRHSC1高温后外观Fig.5 Surface of specimen SRHSC1 with 1.4m length subject to fire

图6 2.5m构件SRHSC5高温后外观Fig.6 Surface of specimen SRHSC5 with 2.5m length subject to fire

4 结论

(1)与水胶比为0.18的纤维增强超高强混凝土FRUHSC相比，水胶比为0.15的FRUHSC具有更低的孔隙率，当聚丙烯纤维体积分数小于0.15%时，孔隙率较大的试件高温爆裂程度明显低于孔隙率较小的试件；当聚丙烯纤维体积分数不小于0.15%时，2种水胶比试件均未发生高温爆裂现象.

(2)体积分数为0.15%的聚丙烯纤维可防止φ100×200mm试件发生高温爆裂，并适用于φ300×300mm试件.

(3)对于116～143MPa超高强混凝土，为改善常温下混凝土延性而掺入体积分数为1.00%的熔抽超细型钢纤维并不能防止其高温爆裂，掺入体积分数为0.15%及以上的聚丙烯纤维，则可防止其高温爆裂，因此，混掺纤维能防止其高温爆裂.

(4)超高强混凝土型钢组合柱高温加载试验表明，混掺体积分数为0.15%的聚丙烯纤维及0.50%的熔抽超细型钢纤维可有效防止构件的高温爆裂.