李海艷，王 英，鄭文忠

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱;2.石家莊鐵道大學(xué) 工程力學(xué)系，050043 石家莊)

混凝土橫向變形系數(shù)和體積應(yīng)變反應(yīng)了構(gòu)件受力時的橫向變形能力和內(nèi)部裂縫的發(fā)展過程.在材料彈性范圍內(nèi)，橫向變形系數(shù)為一定值，定義為泊松比，泊松比是進(jìn)行材料彈塑性分析的重要指標(biāo)［1］.我國現(xiàn)行 GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定混凝土泊松比取0.2.ACI高強混凝土委員會報道的強度55～80 MPa混凝土的泊松比試驗結(jié)果為0.20～0.28.對高溫后普通混凝土(NSC)和高強混凝土(HSC)橫向變形性能進(jìn)行研究［2－4］，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力不超過0.5倍峰值應(yīng)力時，泊松比隨經(jīng)歷溫度的升高逐漸降低，溫度達(dá)到500～600℃后，泊松比有所回升，高應(yīng)力水平點對應(yīng)的泊松比與溫度的關(guān)系不確定.

活性粉末混凝土(RPC)是近年來新興的一種超高強混凝土，目前，對RPC常溫力學(xué)性能的研究較多［5－6］，但對其高溫后力學(xué)性能的研究較少［7－8］.RPC 中摻入鋼纖維可以有效提高其力學(xué)性能［9］，而聚丙烯纖維(PPF)的摻入則對RPC高溫性能有較大影響，因為PPF熔點較低為165℃，當(dāng)溫度高于其熔點時，PPF熔化并在RPC內(nèi)留下相互連通的孔道，為蒸汽和熱量逸出提供通道，降低RPC爆裂發(fā)生的可能性并改善其力學(xué)性能［10］.為了明確不同高溫后RPC的橫向變形性能和裂縫發(fā)展過程，本文完成了180個活性粉末混凝土(RPC)棱柱體試件的高溫后單軸受壓試驗，得到了不同高溫后纖維種類和摻量不同的RPC橫向變形系數(shù)隨應(yīng)力比的變化曲線，進(jìn)而推得高溫后RPC體積應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律，建立了RPC泊松比隨溫度變化的計算公式，并將常溫下RPC泊松比與普通混凝土和高強混凝土進(jìn)行了對比分析.

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥;SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)94.5%，比表面積20 780 m2/kg的微硅粉;比表面積475 m2/kg的S95型礦渣粉;SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99.6%以上，40～70目和70～140目的石英砂;黃褐色粉末狀FDN濃縮型高效減水劑;長度13 mm，直徑0.22 mm的高強平直鋼纖維;長度18～20 mm，熔點165℃的聚丙烯纖維(PPF).試驗包括6種配合比，分別對應(yīng)單摻鋼纖維體積率為1%、2%和3%的SRPC1、SRPC2和SRPC3;鋼纖維和PPF體積摻量為2%、0.1%，2%、0.2%和1%、0.2%的 HRPC1、HRPC2 和 HRPC3.具體配合比見表1.

表1 試驗用RPC配合比

1.2 試件設(shè)計與制作

試驗采用70.7 mm×70.7 mm×228 mm的棱柱體試件，每種配比成型10組試件，分別對應(yīng)10 個目標(biāo)溫度(20、120、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃)，每3個試件為一組，總計180個試件，試驗數(shù)據(jù)取3個試件的平均值.

活性粉末混凝土的制備程序為:①將稱量好的石英砂、水泥、硅灰、礦渣和減水劑依次倒入混凝土攪拌機，干拌3 min;②在攪拌過程中緩慢加入稱量好的水，濕拌5 min;③均勻撒入鋼纖維和聚丙烯纖維，攪拌5 min出料.將拌合物注入鋼模，在混凝土振動臺上經(jīng)高頻振動成型，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h后拆模，而后將試件放入HJ84型混凝土加速養(yǎng)護箱中養(yǎng)護3 d，養(yǎng)護箱工作電壓380 V，功率3×3 kW，控溫范圍為常溫～100℃，具體養(yǎng)護溫度可自行設(shè)定，本試驗養(yǎng)護箱溫度設(shè)定為90℃.為了更貼近工程實際，將養(yǎng)護時間適當(dāng)延長，即經(jīng)高溫養(yǎng)護后的試件需移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護60 d拿出晾干，2個月后進(jìn)行高溫試驗.

1.3 試驗步驟

將養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件先進(jìn)行高溫試驗，目標(biāo)溫度為:120、200、300、400、500、600、700、800、900℃.高溫試驗采用電爐升溫，升溫速度為4℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫2 h.冷卻方式為爐內(nèi)自然冷卻至200℃后打開爐門冷卻至100℃，然后取出試件置于室內(nèi)令其自然冷卻至室溫.

圖1 應(yīng)變片粘貼布置

1.4 高溫后RPC棱柱體抗壓強度介紹

本文重點研究高溫后RPC的橫向變形性能，為了更好地理解RPC橫向變形性能隨溫度的變化情況，本節(jié)將簡要介紹高溫后RPC棱柱體抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律.對高溫后RPC力學(xué)性能進(jìn)行研究［11－12］，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷溫度不高于300℃時，鋼纖維RPC與混雜纖維RPC(混摻鋼纖維和PPF的RPC)相當(dāng)于經(jīng)歷了“高溫養(yǎng)護”過程，棱柱體抗壓強度較常溫時略有提高;400～700℃作用后，RPC內(nèi)部損傷逐漸加重，抗壓強度近似呈線性規(guī)律降低;800～900℃后，鋼纖維強度喪失，抗壓強度較700℃時有所回升.此外，鋼纖維和PPF的摻入有效改善了高溫后RPC的力學(xué)性能.式(1)與式(2)分別給出了鋼纖維RPC與混雜纖維RPC棱柱體抗壓強度隨溫度變化的計算式.

單摻鋼纖維體積率為1%～3%的RPC:

混摻鋼纖維與PPF體積率為(2%、0.1%)，(2%、0.2%)和(1%、0.2%)的 RPC:

式中:fct為溫度t作用后RPC棱柱體抗壓強度(MPa);fc為常溫下RPC棱柱體抗壓強度(MPa);t為經(jīng)歷溫度(℃);R2為表征擬合精度的相關(guān)系數(shù).

2 高溫后RPC橫向變形系數(shù)

圖2、3分別為高溫后單摻鋼纖維與混摻兩種纖維的RPC橫向變形系數(shù)(ν)隨應(yīng)力比(σ/fct，應(yīng)力σ與棱柱體抗壓強度fct之比)的變化曲線.由于SRPC1經(jīng)500℃恒溫結(jié)束后，試件產(chǎn)生較寬爆裂裂紋，已沒有相對平整的表面，無法進(jìn)行后續(xù)的抗壓試驗，因此，圖中只給出了SRPC1經(jīng)20～400℃后的橫向變形系數(shù)曲線.從圖2、3可看出，6種不同配比的RPC所對應(yīng)的ν－σ/fct曲線隨經(jīng)歷溫度的升高具有相似的變化規(guī)律:經(jīng)歷溫度不高于300℃時，RPC所受高溫?fù)p傷較小，隨應(yīng)力比(σ/fct)的增大，橫向變形系數(shù)的變化幅度較小;400～700℃作用后，RPC變得越來越疏松，橫向變形能力增強，隨應(yīng)力比的增大，橫向變形系數(shù)變化幅度明顯增大;800～900℃作用后，鋼纖維喪失作用，混凝土燒結(jié)，RPC變形能力減弱，隨應(yīng)力比增大，橫向變形系數(shù)變化幅度重又減小.

圖2 高溫后單摻鋼纖維RPC橫向變形系數(shù)

圖3 高溫后混雜纖維RPC橫向變形系數(shù)

橫向變形系數(shù)較好地反映了混凝土內(nèi)部裂縫的開展過程.當(dāng)RPC經(jīng)歷溫度不高于300℃時，纖維種類和摻量不同的RPC橫向變形系數(shù)隨應(yīng)力比的變化與常溫時相比基本相同:即當(dāng)σ/fct≤0.8時，縱向、橫向應(yīng)變近似按比例增長，橫向變形系數(shù)基本保持不變或略有增長，說明RPC的塑性變形和微裂紋發(fā)展緩慢;當(dāng)0.8＜σ/fct≤0.9時，橫向變形系數(shù)有明顯增長，表示RPC內(nèi)部微裂紋有較大開展，但試件表面尚無肉眼可見裂紋;當(dāng)σ/fct＞0.9時，橫向變形系數(shù)急劇增加，試件表面出現(xiàn)肉眼可見裂紋，此后，橫向應(yīng)變達(dá)到極限拉伸狀態(tài)，RPC受壓破壞.

3 高溫后RPC體積應(yīng)變

不同溫度作用后單摻鋼纖維和混摻兩種纖維的RPC體積應(yīng)變(θ)隨應(yīng)力比(σ/fct)的變化情況分別見圖4和圖5.可以看出，6種不同配比的RPC體積應(yīng)變隨經(jīng)歷溫度的升高具有相同的變化趨勢，體積應(yīng)變臨界點所對應(yīng)的應(yīng)力比(σ/fct)隨溫度的升高均呈先減小后增大的變化規(guī)律.當(dāng)經(jīng)歷溫度低于300℃時，體積應(yīng)變臨界點所對應(yīng)的σ/fct比較接近，其平均值處于0.906～0.977，說明該溫度范圍內(nèi)，應(yīng)力比超過90%時RPC進(jìn)入裂縫不穩(wěn)定擴展階段;經(jīng)400～700℃高溫后，體積應(yīng)變臨界點所對應(yīng)的σ/fct比較接近，其平均值位于0.517～0.582，表明經(jīng)400～700℃作用后，荷載達(dá)到峰值荷載的55%左右進(jìn)入裂縫不穩(wěn)定擴展階段，這一結(jié)論對火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷評估具有重要意義.800～900℃作用后，鋼纖維基本喪失作用，RPC燒結(jié)，體積應(yīng)變臨界點所對應(yīng)的應(yīng)力比有所提高，位于0.666～0.807.

圖4 高溫后單摻鋼纖維RPC體積應(yīng)變

圖5 高溫后混雜纖維RPC體積應(yīng)變

4 溫度對RPC泊松比的影響

橫向變形系數(shù)在材料彈性范圍內(nèi)為一定值，該值被定義為泊松比.本文認(rèn)為0.5應(yīng)力比對應(yīng)的橫向變形系數(shù)為RPC泊松比(μ).單摻鋼纖維和混摻兩種纖維的RPC泊松比隨溫度變化曲線見圖6.由圖6可知，單摻鋼纖維和混摻纖維的RPC泊松比隨經(jīng)歷溫度的升高變化趨勢相同:20～400℃，泊松比隨經(jīng)歷溫度的升高近似呈拋物線規(guī)律降低;400～600℃，隨經(jīng)歷溫度的升高泊松比線性增大;600～900℃，泊松比重又減小.

由圖6還可看出，相同溫度作用后，單摻鋼纖維的RPC泊松比隨鋼纖維體積摻量的增大逐漸減小，600℃后，SRPC2對應(yīng)的泊松比較SRPC3提高了5.09%左右;混摻鋼纖維和聚丙烯纖維的RPC經(jīng)歷相同溫度作用后，HRPC2對應(yīng)的泊松比最小，HRPC1次之，HRPC3最大，600 ℃后，HRPC1、HRPC2和HRPC3對應(yīng)的泊松比分別為0.247、0.237和0.260.分析原因為，纖維約束了試件側(cè)向膨脹，減小了RPC的橫向應(yīng)變，因此，對于單摻鋼纖維的RPC來說，鋼纖維摻量3%的SRPC3對應(yīng)的泊松比最小，對于混雜纖維RPC來說，鋼纖維摻量2%、PPF摻量0.2%的HRPC2對應(yīng)的泊松比最小.

圖6 不同纖維種類和摻量的RPC泊松比與溫度關(guān)系

5 泊松比與溫度關(guān)系擬合

鑒于單摻鋼纖維與混摻鋼纖維和聚丙烯纖維的RPC泊松比隨溫度的變化規(guī)律基本一致，二者可統(tǒng)一采用式(3)表達(dá)，擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)見圖7，二者吻合較好.

圖7 不同配比RPC泊松比與溫度關(guān)系擬合曲線

式中:μ為0.5應(yīng)力比所對應(yīng)的RPC泊松比;t為經(jīng)歷溫度;R2為相關(guān)系數(shù).

我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中要求混凝土泊松比取0.2;ACI高強混凝土委員會報道的強度55～80 MPa的混凝土的泊松比試驗結(jié)果為0.20～0.28;我國鐵道科學(xué)研究院測定兩組強度為63.9 MPa和102.0 MPa的混凝土泊松比分別為0.22和0.23.本試驗得到，常溫下單摻鋼纖維的RPC泊松比為0.201左右，混摻鋼纖維和聚丙烯纖維的RPC泊松比為0.212左右，可見，活性粉末混凝土泊松比與普通混凝土和高強混凝土相比差別不大.

6 結(jié)論

1)經(jīng)歷溫度低于300℃時，隨應(yīng)力比(σ/fct)的增大，RPC橫向變形系數(shù)的變化幅度較小，體積應(yīng)變臨界點對應(yīng)的 σ/fct平均值位于0.906～0.977;400～700℃作用后，隨應(yīng)力比的增大，橫向變形系數(shù)變化幅度明顯增大，體積應(yīng)變臨界點對應(yīng)的σ/fcT平均值位于0.517～0.582;800～900℃作用后，橫向變形系數(shù)變化幅度重又減小，體積應(yīng)變臨界點對應(yīng)的σ/fct平均值位于0.666～0.807.

2)由于纖維約束了試件側(cè)向膨脹，減小了試件的橫向變形，經(jīng)相同溫度作用后，單摻鋼纖維的RPC泊松比隨鋼纖維體積摻量的增大逐漸減小，混摻鋼纖維和聚丙烯纖維的RPC泊松比大小順序為:HRPC3＞HRPC1＞HRPC2.

3)建立了高溫后6種不同配比的RPC泊松比隨溫度變化的計算式，理論曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合較好.常溫下活性粉末混凝土泊松比為0.201～0.212，與普通混凝土和高強混凝土相比差別不大.

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