周華新，陽知乾，崔 鞏，劉建忠

(江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008)

盾構(gòu)法隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土管片拼裝而成.大量的火災(zāi)實(shí)例表明，一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度將高達(dá)1 000℃，甚至更高.除了對隧道內(nèi)的人員造成巨大傷害外，還會導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能的劣化，甚至爆裂.將對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的破壞，大大降低結(jié)構(gòu)的承載力和安全性［1－2］.

筆者根據(jù)隧道盾構(gòu)管片混凝土的特點(diǎn)制備C50P10混凝土蒸養(yǎng)試件，在部分試件中分別摻入聚丙烯纖維、纖維素纖維及聚乙烯醇纖維.通過火災(zāi)高溫模擬試驗(yàn)，了解火災(zāi)發(fā)生時混凝土內(nèi)部溫度梯度的變化規(guī)律，揭示有機(jī)纖維高溫抗爆裂作用;并通過高溫后的力學(xué)性能測試，研究不同種類有機(jī)纖維混凝土高溫后力學(xué)性能的劣化規(guī)律.結(jié)合試驗(yàn)研究和抗爆裂機(jī)理分析，優(yōu)選出適合于提高隧道管片混凝土抗爆裂性能的有機(jī)纖維，旨在更好地指導(dǎo)有機(jī)纖維在隧道管片混凝土中的應(yīng)用.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料及試件準(zhǔn)備

隧道管片混凝土強(qiáng)度等級為C50P10，混凝土原材料及配合比見表1.試驗(yàn)用纖維分別為聚丙烯纖維(PP Fiber)(直徑 D=38 μm，長度 L=19 mm)、纖維素纖維(Cellulose Fiber)(D=20 μm，L=5 mm)和聚乙烯醇纖維(PVA Fiber)(D=28 μm，L=18 mm)，纖維體積摻量為0.15%.

表1 混凝土原材料及配合比

結(jié)合江蘇地區(qū)盾構(gòu)法隧道管片混凝土生產(chǎn)工藝，成型后試件帶模蒸養(yǎng)(預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫)，蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)制度為:25℃預(yù)養(yǎng)4.5 h，升溫時間1.5 h，45℃恒溫4.0 h，降溫時間2.0 h，溫度降至25 ℃，整個養(yǎng)護(hù)過程為12.0 h.抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，彎曲韌性試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，蒸養(yǎng)結(jié)束后置于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期(28 d)，其中3個100 mm×100 mm×400 mm的梁試件用切割機(jī)在其跨中位置進(jìn)行開口，開口寬度與深度分別為3 mm和10 mm.

1.2 火災(zāi)高溫模擬及溫度采集

采用高溫箱式電阻爐模擬火災(zāi)升溫情況，最大升溫速率為20℃/min;以溫度為變化參數(shù)，分別為0，400，800 ℃.當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，恒溫1 h，然后自然冷卻至常溫，再進(jìn)行試驗(yàn).根據(jù)高溫模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)研究的需要，進(jìn)行了高溫采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采集溫度范圍為0～1 500℃，精度為±1℃.高溫傳感器為K型熱電偶(0～1 900℃)，長度80 mm，高溫補(bǔ)償線5 m，自帶冷端補(bǔ)償線.

基于單片機(jī)控制的混凝土原位溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理［3－4］，建立了多通道高溫溫度自動采集系統(tǒng)，由ADC數(shù)據(jù)采集板和數(shù)據(jù)處理軟件等組成.ADC數(shù)據(jù)采集有8個通道，可同時采集8個樣品的電位數(shù)據(jù).系統(tǒng)主模塊功能是:設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、采集電阻數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)顯示(如溫度－時間關(guān)系等).多通路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)有簡單方便的操作界面，可實(shí)時將采集的數(shù)據(jù)用圖形表示，數(shù)據(jù)還可轉(zhuǎn)化成ORIGIN軟件的數(shù)據(jù)格式，利用ORIGIN軟件處理試驗(yàn)結(jié)果.

1.3 殘余力學(xué)性能測試

經(jīng)過高溫后的混凝土試件的殘余抗壓強(qiáng)度參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBJ81—85)進(jìn)行測試.經(jīng)過高溫后的混凝土試件的彎曲韌性及斷裂能根據(jù)國際材料與結(jié)構(gòu)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn) RILEM［5－7］進(jìn)行測試.彎曲試驗(yàn)在液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，利用兩個線性差分式位移傳感器對梁跨中撓度進(jìn)行測定.試驗(yàn)采用梁跨中位移控制，控制速率為0.2 mm/min，試驗(yàn)進(jìn)行至試件梁完全斷開為止.利用荷載－撓度曲線計(jì)算并評價纖維高性能混凝土的彎曲韌性和斷裂能.

1.4 熱分析試驗(yàn)

采用SDT Q600儀器測試了不同纖維的熱分解行為，升溫區(qū)間30～600℃，升溫速率10℃/min，高純氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，氣體流量為100 mL/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火災(zāi)高溫過程中管片混凝土內(nèi)部溫升

高溫傳感器A放置于高溫爐爐口耐火磚中心孔中，高溫傳感器B放置在接近高溫爐內(nèi)部高溫?zé)犭娕嫉奈恢茫邷貭t內(nèi)部高溫?zé)犭娕脊潭ㄔ跔t膛后壁中心位置，能準(zhǔn)確監(jiān)測爐膛內(nèi)溫度的變化.高溫爐設(shè)定升溫速率為(20±3)℃/min，到達(dá)設(shè)定的800℃時即停止加熱并開始降溫.在高溫采集系統(tǒng)的溫度感應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，高溫爐膛內(nèi)不放置任何試件.高溫溫度自動采集系統(tǒng)的溫度敏感性測試結(jié)果如圖1所示.

圖1 高溫自動采集系統(tǒng)溫度敏感性測試

由圖1可知，高溫溫度自動采集系統(tǒng)能準(zhǔn)確感應(yīng)出爐膛內(nèi)溫度的變化，且溫差小于5℃.

為更好地了解試件在火災(zāi)高溫過程中混凝土構(gòu)件損壞情況，采集了升溫過程中混凝土試件的中心溫度和表面溫度.混凝土試件為100 mm×100 mm×400 mm，在混凝土成型過程中預(yù)先將高溫傳感器埋入混凝土中心位置，另外在試件表面中心位置放置一個高溫傳感器.采集結(jié)果如圖2所示.

圖2 升溫過程試件中心和表面溫度測試結(jié)果

由圖2可知，采用100 mm×100 mm×400 mm的試件，在0～300℃升溫段，試件表面溫度與中心溫度相差較大，最高相差近200℃;300～800℃升溫過程中，中心溫度和表面溫度相差基本穩(wěn)定在120℃左右，中心溫度達(dá)到800℃滯后20 min左右.由此可見，火災(zāi)升溫過程中，混凝土構(gòu)件從內(nèi)到外存在很明顯的溫度梯度.這是導(dǎo)致混凝土爆裂、表面剝落的原因之一.有機(jī)纖維均勻亂向分布具有抗裂效果，因此在混凝土中摻入有機(jī)合成纖維能明顯降低由溫度梯度引起的混凝土爆裂、剝落現(xiàn)象.

2.2 火災(zāi)高溫后殘余抗壓強(qiáng)度

混凝土高溫后殘余抗壓強(qiáng)度是評估結(jié)構(gòu)災(zāi)后損傷程度的主要依據(jù)，對于判定結(jié)構(gòu)的安全性和制定加固方案有重大影響.筆者主要研究了不同種類纖維經(jīng)過400℃和800℃高溫后對混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3—4所示.

由圖3和圖4可知，經(jīng)過400℃高溫后聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出較高的殘余抗壓強(qiáng)度，纖維素纖維和聚乙烯醇纖維對殘余強(qiáng)度貢獻(xiàn)不明顯;經(jīng)過800℃以后有機(jī)合成纖維對殘余強(qiáng)度基本沒有貢獻(xiàn)，甚至由于大量有機(jī)纖維熔融后留下了連通孔，導(dǎo)致殘余強(qiáng)度有所降低;在0～800℃升溫過程中發(fā)現(xiàn)不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土表面有明顯爆裂現(xiàn)象，而摻有機(jī)合成纖維的混凝土均未發(fā)現(xiàn)爆裂現(xiàn)象.

2.3 火災(zāi)高溫后殘余彎拉性能及斷裂韌性

利用高溫后混凝土試件的彎曲韌性和斷裂能可評價有機(jī)纖維對混凝土經(jīng)高溫后性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5—6所示.根據(jù)圖5—6的荷載－撓度曲線可得出高溫后纖維混凝土殘余彎拉強(qiáng)度及彎曲韌性，見表2和表3.

表2 經(jīng)400℃高溫后纖維混凝土殘余彎拉強(qiáng)度及彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果

表3 經(jīng)800℃高溫后纖維混凝土殘余彎拉強(qiáng)度及彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過400℃高溫后纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度都比基準(zhǔn)混凝土的高，說明在高溫條件下有機(jī)纖維同樣能提高混凝土彎拉性能，其中聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維效果要優(yōu)于纖維素纖維;在斷裂能和斷裂韌性方面，不同纖維提升規(guī)律與常溫條件一致，即聚乙烯醇纖維優(yōu)于纖維素纖維，聚丙烯纖維相對較差.由表3可知:經(jīng)過800℃高溫后纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度都比基準(zhǔn)混凝土的高，其中聚丙烯纖維混凝土提高了102.3%，纖維素纖維混凝土提高了26.2%，聚乙烯醇纖維混凝土提高了4.7%;斷裂能方面，經(jīng)過800℃高溫后聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出較好的阻裂效果，其中聚丙烯纖維混凝土提高了132.4%，纖維素纖維混凝土提高了22.8%，聚乙烯醇纖維混凝土提高了30.8%;斷裂韌性方面，經(jīng)過800℃高溫后有機(jī)纖維同樣能起到很好的增韌效果，其中摻入聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維效果相對較好;殘余強(qiáng)度方面，摻入纖維后殘余強(qiáng)度都有不同程度的提高，其中摻入聚丙烯纖維的效果最好，強(qiáng)度提高了100%，摻入纖維素纖維強(qiáng)度提高了33.3%，摻入聚乙烯醇纖維強(qiáng)度僅提高了16.7%.

3 機(jī)理分析

在實(shí)際服役環(huán)境中，高溫爆裂是一種災(zāi)難性破壞，其特征是伴隨著劇烈的爆炸聲，混凝土材料瞬間裂成大小不一的碎塊，但爆裂前卻沒有明顯的先兆.這主要是由于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，孔隙率較低，導(dǎo)熱性能變差，蒸發(fā)通道不暢，水蒸汽較難逸出，蒸汽壓力較大，當(dāng)超過混凝土抗拉強(qiáng)度時，孔隙壓力和熱應(yīng)力共同作用使裂縫貫通，就產(chǎn)生了突發(fā)性爆裂現(xiàn)象，從而發(fā)生爆炸性破壞［8－9］.以上試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入有機(jī)纖維對改善混凝土在高溫條件下的抗剝落、抗爆炸、抗開裂性能效果顯著.有機(jī)纖維抗爆裂原理:有機(jī)纖維熔化后，其液態(tài)體積小于固態(tài)所占空間，于是形成眾多小孔隙;有機(jī)纖維分散的均勻性及纖維細(xì)小且數(shù)量眾多，使混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，孔隙的連通性加強(qiáng)，為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了通道，緩解了因水分膨脹形成的壓力，從而降低了爆裂的可能性.

研究結(jié)果顯示，與纖維素纖維和聚乙烯醇纖維相比，聚丙烯纖維可使混凝土在400℃階段表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，能提高混凝土殘余抗壓和彎拉強(qiáng)度.其主要原因可歸結(jié)為:聚丙烯纖維分解溫度(409℃)高于纖維素纖維(316℃)和聚乙烯醇纖維(337℃).有機(jī)纖維熱分析試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.溫度達(dá)到400℃時，纖維素纖維和聚乙烯醇纖維已經(jīng)基本熔融分解，而聚丙烯纖維才接近分解溫度點(diǎn)，故仍可保持較好的抗裂增韌效果，表現(xiàn)出較好的殘余力學(xué)性能.由于聚丙烯纖維分解溫度要高于纖維素纖維和聚乙烯醇纖維，在經(jīng)過800℃高溫后，聚丙烯纖維混凝土殘余力學(xué)性能同樣優(yōu)于纖維素纖維混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土，因此聚丙烯纖維更適合用于提高隧道管片混凝土的抗爆裂性能.

圖7 有機(jī)纖維熱分析結(jié)果

4 結(jié)語

1)火災(zāi)升溫過程中，混凝土構(gòu)件從內(nèi)到外存在很明顯的溫度梯度，這是導(dǎo)致混凝土爆裂、表面剝落的原因之一，有機(jī)纖維均勻亂向分布的抗裂效果，在混凝土中摻入有機(jī)合成纖維能明顯降低溫度梯度引起的混凝土爆裂、剝落現(xiàn)象.

2)經(jīng)過400℃高溫后聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出較高的殘余抗壓強(qiáng)度，纖維素纖維和聚乙烯醇纖維對殘余強(qiáng)度貢獻(xiàn)不明顯;經(jīng)800℃后有機(jī)合成纖維對殘余強(qiáng)度基本沒有貢獻(xiàn).

3)火災(zāi)高溫條件下，聚丙烯纖維混凝土無論是在彎拉強(qiáng)度、斷裂能、斷裂韌性及殘余強(qiáng)度方面，還是在抗爆裂方面均優(yōu)于聚乙烯醇纖維混凝土和纖維素纖維混凝土.

4)聚丙烯纖維分解溫度高于纖維素纖維和聚乙烯醇纖維，這是聚丙烯纖維混凝土在火災(zāi)高溫條件下殘余力學(xué)性能優(yōu)于纖維素纖維混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土的關(guān)鍵因素，因此聚丙烯纖維更適合用于提高隧道管片混凝土的抗爆裂性能.

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