楊單單 ，張 明 ，宋帥奇，張慶偉(.安陽市規(guī)劃設(shè)計院，河南 安陽 455000；.安陽師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 安陽 455000； .河南城建學(xué)院，河南 平頂山 46706)

冷卻方式對高溫后鋼纖維高強混凝土力學(xué)性能影響研究

楊單單1，張 明2，宋帥奇3，張慶偉2
(1.安陽市規(guī)劃設(shè)計院，河南 安陽 455000；2.安陽師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 安陽 455000； 3.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467036)

為研究冷卻方式對高溫后鋼纖維高強混凝土的影響，通過高溫后鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗，分析自然冷卻和水冷卻方式對鋼纖維高強混凝土高溫后抗壓強度、劈拉強度、抗折強度等基本力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折強度隨溫度的升高有不同程度地降低；高溫后采用水冷卻方式時各種力學(xué)強度均明顯低于采用自然冷卻后的強度；同時，鋼纖維能有效降低混凝土在高溫下和水冷時產(chǎn)生爆裂的可能性，能較好保持混凝土的完整性，使混凝土高溫后仍具有一定的承載能力。

鋼纖維；高強混凝土；力學(xué)性能；高溫；冷卻方式

國內(nèi)外研究表明[1-4]，在高強混凝土中加入鋼纖維能夠有效地彌補混凝土性能的不足，改善混凝土的延性及抗拉、抗裂性能。正是由于鋼纖維高強混凝土優(yōu)良的性能，使鋼纖維高強混凝土越來越受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界及工程界的重視。由于鋼纖維混凝土廣泛的應(yīng)用，使得其工程結(jié)構(gòu)對混凝土耐火性能的要求不斷提高。因此，有必要對鋼纖維混凝土高溫后的相關(guān)力學(xué)性能進行相關(guān)研究，從而為工程結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化和建筑結(jié)構(gòu)防火抗火的設(shè)計提供相應(yīng)的試驗依據(jù)。本文對受高溫作用后的鋼纖維高強混凝土性能退化進行一系列的研究，主要研究了鋼纖維高強混凝土經(jīng)歷高溫加熱后，采用不同的冷卻方式對其力學(xué)性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比設(shè)計

試驗材料如下：細(xì)骨料為經(jīng)過篩選的中砂；粗骨料最大粒徑為20 mm，5～20 mm間連續(xù)級配，級配良好；水泥為42.5 MPa普通硅酸鹽水泥；減水劑采用FDN 高效減水劑；鋼纖維采用長度為32.43 mm，等效直徑為0.56 mm，長徑比為58的冷拉端鉤型鋼纖維；混凝土試塊的設(shè)計強度等級為C60，鋼纖維體積率為1%，配合比見表1。

表1 鋼纖維高強混凝土配合比 kg/m3

備注：減水劑用量1.5%。

1.2 試驗方案

根據(jù)纖維混凝土及普通混凝土力學(xué)性能相關(guān)試驗規(guī)程的要求[5-7]，抗壓試驗和劈拉試驗采用邊長為100 mm的立方體試塊，抗折試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試塊。試驗升溫設(shè)備采用箱式電阻爐，試驗前將試塊放到電爐中進行加熱處理，加熱速度為10℃/min，達到設(shè)定溫度(依次為 400℃、600℃、800℃)后，恒溫1.5 h。對于自然冷卻的試塊，取出后在空氣中自然冷卻至室溫后再進行試驗；對于用水冷卻的試塊，取出后澆水冷卻，直至試塊內(nèi)外完全冷透后再進行試驗。

1.3 試驗現(xiàn)象

試驗中可觀察到高溫后鋼纖維高強混凝土試塊的宏觀變化，見表2。從試驗現(xiàn)象可以看出，當(dāng)加熱溫度在400℃時，試塊基本上沒有裂縫出現(xiàn)，這和以往研究中混凝土加熱到400℃后會出現(xiàn)少量裂縫的試驗結(jié)果不同，主要是由于橫跨裂縫的鋼纖維對混凝土裂縫的發(fā)展起限制作用。加熱到630℃以上時，發(fā)生了鋼纖維高強混凝土試塊在高溫爐中爆裂的情況。同時，高溫600℃及800℃的試塊在水冷過程中也出現(xiàn)了爆裂的情況，說明溫度較低時，鋼纖維雖然能在一定程度上限制溫度裂縫的發(fā)展，抑制混凝土爆裂，但溫度超過600℃后對抑制混凝土高溫爆裂的效果并不顯著。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 高溫后抗壓強度變化分析

鋼纖維混凝土高溫后的混凝土立方體抗壓強度值見表3。以往研究表明[3-4]，鋼纖維對混凝土的抗壓強度影響不大，但會顯著提高其抗裂能力。混凝土的破壞沿著預(yù)熱和冷卻時形成的細(xì)小裂紋發(fā)展，破壞后試塊也未完全酥裂，裂縫寬度較小且整體性完好。在鋼纖維含量特征參數(shù)適當(dāng)、體積率合適、混合料均勻攪拌成型的情況下，鋼纖維混凝土抗壓強度的大小主要取決于混凝土基體的性能，鋼纖維并不顯著提高混凝土的抗壓強度。有時還會因纖維的存在，使混凝土和易性變差，內(nèi)部界面微裂縫增多，高溫預(yù)熱和水冷后裂縫進一步擴展，抗壓強度反而有所降低。但鋼纖維混凝土受壓破壞后碎而不散，抗壓韌性有明顯提高。其根本原因是鋼纖維的增強作用只有在試件受力達到抗壓強度之后，裂縫擴展到水泥石之中才得以發(fā)揮。

表2 試驗現(xiàn)象

備注：表中“—”表示無預(yù)留此試塊。

文中數(shù)據(jù)及文獻[8]中普通混凝土試驗數(shù)據(jù)見圖1，可以看出，無論是普通混凝土還是鋼纖維高強混凝土，其抗壓強度均隨著受熱溫度的提高而逐漸降低，但鋼纖維高強混凝土高溫后抗壓強度的降低明顯低于普通混凝土，說明鋼纖維能顯著的抑制混凝土高溫后抗壓強度的劣化。從圖1中還可以看出，對于鋼纖維高強混凝土，不同冷卻方式對抗壓強度的影響是顯著的，水冷卻顯著降低了鋼纖維高強混凝土高溫后的抗壓強度，較自然冷卻方式在400℃、600℃、800℃時分別降低了24%、30%、39%，這說明隨著加熱溫度的提高，冷卻方式對抗壓強度的影響程度也逐漸提高。這與文獻[7]中普通混凝土抗壓強度在溫度450℃后冷卻方式對其影響不大的研究結(jié)果不同。

表3 立方體抗壓強度測試數(shù)據(jù)

圖1 高溫后抗壓強度相對變化曲線

2.2 高溫后劈拉強度變化分析

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般只考慮壓應(yīng)力而忽略拉應(yīng)力，但是拉應(yīng)力卻是混凝土開裂的關(guān)鍵因素。高溫作用后，混凝土構(gòu)件裂縫增多，因此混凝土抗拉強度在構(gòu)件受力中的重要性增大，也是確定混凝土抗裂度的重要指標(biāo)。鋼纖維對鋼纖維混凝土的抗拉性能起著明顯的增強作用，資料顯示鋼纖維混凝土的抗拉強度一般比素混凝土高20%～27%。如果改善試驗石子的最大粒徑及級配，則鋼纖維混凝土的抗拉增強程度將更大。根據(jù)試驗規(guī)程的要求進行了鋼纖維高強混凝土的劈裂抗拉試驗，抗拉強度值見表4。從表4中可以看出，溫度、時間、不同的冷卻方式對鋼纖維混凝土的抗拉強度均有不同程度的影響。

表4 抗拉強度測試數(shù)據(jù)

圖2 高溫后抗拉強度相對變化曲線

圖2為高溫后抗拉強度相對變化曲線。由圖2及表4可以看出，自然冷卻條件下，400～600℃段抗拉強度的降低速率較緩；與600～800℃段抗拉強度的降低速率較快。這可能是由于溫度不相容性在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了微裂縫及大裂縫，鋼纖維對其有一定的抑制作用，但隨著溫度的升高(大于400℃時)，混凝土基體強度及對鋼纖維的黏結(jié)強度明顯變?nèi)?，從而抗拉強度下降；同時400℃開始鋼纖維混凝土骨料開始出現(xiàn)裂紋，也是造成抗拉強度快速降低的原因。與溫度對鋼纖維混凝土的抗壓強度的影響比較，溫度對鋼纖維混凝土的抗拉強度的影響規(guī)律更明顯。水冷條件下，如圖2所示，鋼纖維混凝土的抗拉強度隨溫度的升高穩(wěn)步減小。600℃時其抗拉強度是400℃時的82%，800℃時抗拉強度已降為400℃時的42%。溫度對高溫后再水冷的鋼纖維混凝土抗拉強度與抗壓強度有相似的影響，即強度都隨溫度的升高不斷減小。以上分析表明，溫度同樣是影響鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度的重要因素，總的來說鋼纖維高強混凝土抗拉強度隨溫度的升高而顯著降低，且水冷方式對抗拉強度的降低影響更為顯著。

2.3 高溫后抗折強度變化分析

表5 抗折強度強度測試數(shù)據(jù)

注：經(jīng)800℃后，抗折試塊均出現(xiàn)炸裂

圖3 高溫后抗折強度相對變化曲線

采用WE-30型抗折試驗機進行鋼纖維混凝土抗折強度的測試，試驗時采用三分點加荷。以往研究表明[2]，鋼纖維混凝土比素混凝土具有更好的抗折性能。鋼纖維混凝土受到一定荷載時首先出現(xiàn)細(xì)裂隙，隨著荷載的不斷增加，裂隙不斷擴展，當(dāng)達到破壞荷載后，試件通過鋼纖維連接在一起，保留有一定的殘余強度[9]。鋼纖維混凝土高溫后的抗折強度值見表5。由表5可以看出，溫度、不同冷卻方式對鋼纖維混凝土的抗折強度的影響。試驗過程中，經(jīng)過800℃高溫后，抗折試塊均發(fā)生了爆裂情況，說明高溫后混凝土爆裂與溫度及試塊體積有關(guān)，體積越大的試塊，經(jīng)歷溫度越高，高溫后爆裂的風(fēng)險明顯增大。圖3為高溫后抗折強度相對變化曲線。從圖3及表5中可以看出，鋼纖維高強混凝土的抗折強度隨溫度的升高不斷下降。水冷狀態(tài)下，由于800℃時鋼纖維混凝土試塊炸裂，抗折強度的變化無法比較，不過直觀地可以看出400℃未炸試塊的抗折強度高于600℃試塊的抗折強度。

抗折強度因溫度的升高及水冷作用基本呈快速下降趨勢，主要原因在于：構(gòu)件界面承受彎矩作用時，截面上部受壓應(yīng)力作用，下部受拉應(yīng)力作用，高溫和水冷作用后的混凝土內(nèi)產(chǎn)生大量微細(xì)裂紋，受拉區(qū)在拉應(yīng)力作用下，裂縫橫向切于應(yīng)力方向，試件每一裂縫的存在和產(chǎn)生都降低了截面有效面積，而且此應(yīng)力狀態(tài)下比壓應(yīng)力狀態(tài)下抑制裂縫的效應(yīng)更弱，故使截面中和軸不斷上移造成試塊破壞?？拐墼囼炛懈邷睾退渥饔檬羌觿≡噳K破壞的催化劑。另外，在試塊受力直至破壞過程中，鋼纖維是逐漸被拔出而明顯不同于劈裂抗拉試驗中整個截面上鋼纖維被整體拔出的情況，因而鋼纖維在高溫后對抗折強度的改善作用沒有對劈拉強度的改善作用明顯[10]。

3 結(jié)論

(1) 鋼纖維混凝土抗壓強度與其所經(jīng)歷的溫度有關(guān)，加熱溫度越高，冷卻(自然冷卻和用水冷卻)后試塊的抗壓強度越低。

(2) 冷卻方式也對鋼纖維混凝土的抗壓強度有顯著的影響，一般情況下，水冷后鋼纖維混凝土的抗壓強度顯著低于自然冷卻后的抗壓強度。

(3) 鋼纖維混凝土的抗拉強度及抗折強度隨溫度的升高呈衰減趨勢，鋼纖維對混凝土高溫后抗拉強度的改善作用強于抗折強度，經(jīng)歷水冷卻方式的鋼纖維混凝土的抗拉強度及抗折強度也明顯低于自然冷卻后的混凝土強度。

(4) 鋼纖維能有效抑制混凝土在600℃下產(chǎn)生爆裂的可能性，并能較好保持混凝土的完整性，高溫后仍能承受一定的荷載。但溫度超過600℃后，鋼纖維對抑制混凝土爆裂作用并不顯著。

[1] 黃承逵. 纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 高丹盈，趙軍，朱海堂. 鋼纖維混凝土設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] 趙國藩，彭少民，黃承逵. 鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4] 衛(wèi)明山，李利莎. 混雜鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗研究[J]. 四川建筑科學(xué)研究，2006(6):170-172.

[5] 中華人民共和國工程建設(shè)協(xié)會. 纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS38：2004 [S]. 北京：中國計劃出版社，2004.

[6] 中華人民共和國工程建設(shè)協(xié)會. 纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：CECS13：2009 [S]. 北京：中國計劃出版社，2009.

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[9] 姚直書. 鋼纖維混凝土主要力學(xué)性能試驗及其應(yīng)用[J]. 煤礦現(xiàn)代化，1995(1):25-27.

[10] 張廣泰，陳浩，郭銳，等. 纖維混凝土高溫性能及作用機理研究綜述[J]. 混凝土與水泥制品，2016(1):62-68.

Effect of cooling method on mechanical property of steel fiber reinforced high-strength concrete after high temperature

YANG Dan-dan1, ZHANG Ming2, SONG Shuai-qi3, ZHANG Qing-wei2
(1.AnyangInstituteofUrbanPlanning&Design,Anyang455000,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnyangNormalUniversity,Anyang455000,China; 2.HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

In order to determine the effects of cooling method on steel fiber reinforced high- strength concrete after the high temperature, by mechanical properties test of steel fiber reinforced high-strength concrete after high temperature, the effects of the use of natural cooling and water cooling on the basic mechanical properties such as compressive strength, tensile strength, flexural strength after high temperatures was studied. The results showed that compressive strength, tensile strength, flexural strength of steel fiber reinforced high-strength concrete with increasing temperature has reduced to different extents. Mechanical properties by using water cooling method were significantly lower than by using natural after cooling intensity. At the same time, steel fiber could effectively reduce the possibility of concrete burst at high temperatures and water cooling. Steel fiber could maintain the integrity of the concrete better and withstand a certain load after high temperature.

steel fiber; high-strength concrete; mechanical property; high temperature; cooling method

2016-11-03

國家青年自然科學(xué)基金項目(51308504)；河南省高等學(xué)校重點科研項目(17A560001，16A560027)

楊單單(1982—)，女，河南安陽人，工程師。

1674-7046(2017)02-0015-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.003

TU528.31

A