聚丙烯-钢纤维混凝土蠕变特性的温度-荷载耦合效应

Temperature-load Coupling Effect on Creep Characteristics of Polypropylene Steel Fiber Reinforced Concrete

摘要

为研究温度-荷载耦合下混杂纤维混凝土蠕变行为，开展钢纤维和聚丙烯纤维混凝土在20～800℃的压缩蠕变试验。测试变量包括温度、荷载水平、加热速率、混凝土强度和混凝土中是否掺入纤维。结果表明：瞬态蠕变应变(ε_trc)在总应变中的占比较大。温度范围和应力水平对ε_trc有显著影响，特别是在温度高于500℃和应力水平高于40%时；目标温度一定，ε_trc总量一定，加热速率与瞬态蠕变增长速率呈正相关关系；在普通强度混凝土中掺入钢纤维能够小幅降低混凝土的ε_trc，而在高强混凝土中加入聚丙烯纤维可显著提高混凝土ε_trc。

关键词

蠕变应变 / 热力耦合 / 耐火性 / 钢纤维 / 聚丙烯纤维

Key words

Creep strain / Thermal coupling / Fire resistance / Steel fibers / Polypropylene fibers

火灾可对在役基础设施构件构成严重威胁。因此，结构构件的设计必须符合消防安全的相关规定。在众多建筑材料中，混凝土因其优越的防火性能而备受青睐。然而，当混凝土处于高温环境中时，其强度和刚度仍会显著退化，导致承载能力下降并产生较大的温度变形^[1-2]。这种温度变形主要源于混凝土在首次加热时产生的瞬态蠕变应变(ε _trc)^[3]。混凝土结构在火灾中产生的蠕变是由水泥浆体和骨料的加速脱水以及高温导致的物理变化引起的^[4]。瞬态蠕变应变又称为蠕变应变，最早由JOHANSEN等^[5]提出，后来也被其他学者证实并继续研究^[6-9]。由于瞬态蠕变效应主要是由水泥浆体中水分损失和不可逆的物理化学变化引起的，因此仅在第一次加热时发生，而不会发生在随后的再加热过程。目前，已有大量研究人员定量研究高温下混凝土蠕变效应^[10-12]。然而，由于采用的测试技术和试验条件不同，测得的蠕变应变存在较大差异。截至目前，现有的规范和标准中尚无测量高温蠕变的标准化试验规程和方法，也缺乏测量瞬态蠕变的测试手段。此外，以往的蠕变试验大多是在恒载和瞬态加热条件下针对普通混凝土进行的^[13-14]。另一方面，新型混凝土在基础设施建设中的应用越来越广泛，有一类新型混凝土掺入钢纤维和聚丙烯纤维，前者可提高混凝土的力学性能，而后者则可缓解火灾环境下混凝土发生的剥落等热损伤^[15]。为预测和评估纤维混凝土制成的结构构件的防火性能，有必要将与温度相关的蠕变应变纳入耐火分析中。然而，目前高温下混杂纤维混凝土蠕变应变的试验研究尚鲜见报道。为了量化纤维混凝土在不同加热速率和应力水平下瞬态蠕变的演化，开展不同类型混凝土热力耦合蠕变试验，在20~800 ℃温度范围内研究不同加热速率和应力水平下普通混凝土(NSC)、钢纤维增强混凝土(NSC-SF)、高强混凝土(HSC)和聚丙烯纤维高强混凝土(HSC-PP)的瞬态蠕变行为及其影响因素。本文研究成果可为纤维混凝土及其结构的耐火性评价提供试验支撑。

1 试验部分

1.1 混凝土试件

本试验浇筑4种混凝土试件，代号分别为NSC、NSC-SF、HSC和HSC-PP，其中NSC和HSC分别表示添加粉煤灰和硅灰，后缀SF和PP分别表示掺入钢纤维和聚丙烯纤维。钢纤维长度38 mm，直径1.14 mm，抗拉强度966 MPa；聚丙烯纤维长度20 mm，比重0.91，熔点162 ℃。水泥为河南永安桥隧建材有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。粗骨料来自机械破碎的天然石材和石灰石，级配连续；细骨料来自天然砂，细度模量2.76。试验采用粉煤灰和硅灰作为水泥的部分替代品，以改善混凝土的性能^[16]。表1为混凝土的配合比。

采用混凝土圆柱体试件(直径150 mm、长度300 mm)进行瞬态蠕变和其他力学性能测试。试件在模具中浇筑，24 h后脱模，前7 d存放于湿度90%、温度21 ℃的标准养护室内。之后，放置于实验室环境温度和湿度条件下养护，在龄期第7、21、28 d以及蠕变试验期间进行抗压强度测试，以确保试件达到目标设计强度。表2为混凝土基本力学指标，其中f _c表示抗压强度。浇筑前，每个混凝土试件中段均埋置2支k型铬铝热电偶，以监测试验过程中的温度变化。

1.2 试验装置

瞬态蠕变试验采用自行设计的一体化加热炉和加载设备，该设备由加热炉、液压加载系统、变形测量仪和数据采集系统组成。电加热炉由内径200 mm、高350 mm的圆柱形腔室构成。炉内温度变化通过编程操作，可自动产生设定的加热速率和保温时间，最高温度可达800 ℃。炉内安装了铬铝热电偶，以监测温度随时间的变化。采用两个液压千斤顶施加载荷，通过关闭阀，可使荷载水平在测试中长时间保持恒定。在每个液压千斤顶杆上安装两支测力元件，以测量施加在试件上的荷载。图1为试蠕变试验中轴向位移测量装置。采用线性可变差动传感器LVDT测量轴向位移，LVDT量程为±38 mm，灵敏度为0.025 4 mm。荷载传感器和LVDT与数据采集系统和计算机连接。采用两套数据采集系统，一个用于记录温度，另一个用于测量负载和变形，每间隔30 s记录一次温度、轴向位移和外加载荷。

1.3 测试步骤

在每次试验中，先加载至预先设定的加载水平。然后以设定的加热速率加热试样，直到整个试样达到最大目标温度T _max，同时保持恒定的预施加载荷。进行瞬态蠕变试验的加热包括两个阶段：瞬态和稳态阶段。图2为瞬态蠕变试验中试样内外温度变化曲线。从图2可以看出，第一个阶段是从开始加热时间t _i到混凝土圆柱体中心温度达到温度峰值的时间t _max。在这个短暂的加热阶段，在混凝土圆柱体的横截面内形成一个热梯度。这主要是由于混凝土的低导热性减缓了温度从表面向圆柱体中心的传递。当表面温度T _s接近T _max时，温度随时间的增长由线性模式转变为非线性模式，直到在t _max整个试件达到均匀温度。从线性转变为非线性的点对应的温度称为临界温度(T^* _s )^[17]。

在蠕变试验中，应力水平、加热速率和保温时间是不同的。应力水平波动范围设计为室温(20 ℃)下试件抗压强度的0~70%，以真实反映建筑物中混凝土构件经历火灾作用下的应力变化状态。瞬态蠕变试验选择的两种升温速率分别为4 ℃/min和6 ℃/min。瞬态蠕变试验的峰值目标温度选择800 ℃。为测量稳态蠕变应变，稳态阶段保持时间为2~4 h不等。

1.4 蠕变试验参数

在蠕变试验中测量的3个主要参数：轴向位移、施加载荷、混凝土试样(中心和表面)以及炉内的温度。在整个测试期间，采样频率为30 s。测得的荷载用于计算混凝土的应力水平，而轴向位移值用于计算ε _trc。

2 结果与讨论

共测试4种类型混凝土、56个圆柱体试件的瞬态蠕变。在瞬态加热条件下，混凝土的总应变由3个分量组成：热应变(ε _th)、荷载应变(ε _me)和ε _trc ^[3,18]。总应变(ε _tot)减去加热前由外荷载产生的应变(ε _me)和热应变，可以得到ε _trc。

{\epsilon }_{\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{c}} = {\epsilon }_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}} - {\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}} - {\epsilon }_{\mathrm{t}\mathrm{h}} (1)

图3为根据RILEM建议计算的ε _trc。

2.1 自由热应变

混凝土在高温下发生膨胀，热膨胀特性取决于骨料类型、含水率、脱水收缩以及由荷载应力和温度应力引起的微裂缝^[2,10]。在不施加任何轴向载荷(即应力水平α=0)的情况下，测定不同混凝土类型的热膨胀率，以ε _th进行表征。图4为4种混凝土试件的ε _th随温度的变化规律。从图4可以看出，ε _th从室温(20 ℃)下的0增加至700 ℃下的0.8%。在20~320 ℃范围内，ε _th最小；在320~700 ℃，ε _th显著增加。将4种混凝土试件的ε _th实测结果进行比较，结果表明：HSC-PP在700 ℃时ε _th最高，达到1.0%。在160~250 ℃范围内，HSC-PP中的PP纤维熔化，残留的孔道加速了混凝土中水分的蒸发逸出，试样的失水收缩抵消了热膨胀变形，NSC和NSC-SF在700 ℃时的最大ε _th分别为0.6%和0.4%，远小于HSC-PP。可见，混凝土类型和纤维的掺入均影响混凝土ε _th水平^[4-5]。

2.2 瞬态蠕变应变

图5为4种混凝土试件ε _trc随温度的变化曲线。文中定义膨胀变形为正，压缩变形为负。ε _trc为压缩应变，因此为负值。为了避免歧义，本文提到的ε _trc的比较均为图片所示数值的绝对值之间的比较。从图5a可以看出，NSC试件的ε _trc随温度和应力水平的升高而增大。当应力水平α＜20%时，在20~500 ℃温度下，ε _trc以缓慢的速率增加，温度大于500 ℃后，ε _trc增长速度变快；当应力水平α≥30%时，在20~500 ℃温度下，ε _trc以较快的速率增长，温度大于500 ℃后ε _trc迅速增加。

从图5b可以看出，NSC-SF试件的ε _trc的发展趋势与NSC相似，即随温度和应力水平的升高而增大。在NSC-SF中掺入钢纤维降低了400 ℃下ε _trc。当大于450 ℃，钢纤维发生软化，桥联作用丧失。因此，大于450 ℃后，NSC-SF的ε _trc与不含钢纤维的NSC接近。此外，NSC-SF的ε _trc变化曲线也不如NSC光滑。这同样是因为钢纤维的影响，在混凝土受压时，钢纤维会发挥约束和裂缝桥接的双重效应，直到450 ℃以上钢纤维刚度显著下降。

从图5c可以看出，对于HSC试件，在低于500 ℃即发生爆裂剥落，因此其破坏是由剥落引起的，而其他混凝土试件则是由蠕变变形引起的^[19-20]。因此，对于HSC试样，只能测得在20~400 ℃范围内的ε _trc。HSC的ε _trc变化趋势与NSC相似，但在同一应力水平下ε _trc略高。

从图5d可以看出，对于HSC-PP试件，ε _trc的变化规律与NSC相似，但在同一温度下ε _trc更高。在低应力水平下(α≤20%)，HSC-PP试样产生ε _trc最小。然而，在超过30%的应力水平下，在200~300℃范围内，PP纤维熔化导致混凝土微结构变化，ε _trc略有增加。300 ℃之后，在应力水平为30%~50%的情况下，与NSC相比ε _trc有所降低。最后，在高于500 ℃时，ε _trc显著增加，远高于NSC，这主要是由于高强混凝土水灰比低，其微观结构更加致密的原因。

3 影响瞬态蠕变的因素

3.1 温度和应力水平的影响

温度和应力水平是影响混凝土瞬态蠕变的主要因素。瞬态蠕变随温度和应力水平的升高而增大。在给定应力水平下，当温度升至某一水平后混凝土蠕变效应变得显著时，该温度被称为蠕变临界温度。蠕变临界温度可以定义为ε _trc在应变-温度域中超过0.005的点。对于钢筋，临界温度是由三级蠕变开始时确定的^[21]。然而，由于混凝土的脆性，三级蠕变的起始点很难在应变-温度图上体现^[22]。根据绘制的蠕变-温度数据，表3为NSC、NSC-SF和HSC-PP 3种混凝土的蠕变临界温度。不含PP的HSC试样在低于400 ℃下发生剥落，这是由于HSC试样的破坏是由剥落而不是瞬态蠕变控制的。从表3可以看出，对于其他类型的混凝土，在较高的应力水平下蠕变临界温度较低，蠕变临界温度随应力水平的升高而降低。当应力水平一定时，NSC-SF的临界温度高于NSC和HSC-PP。总的来说，当应力水平为40%或更高时，所有混凝土试件的蠕变临界温度均低于600 ℃。

3.2 混凝土类型的影响

图6为混凝土类型对混凝土ε _trc的影响。

从图6可以看出，在一定的温度和应力水平下，HSC-PP的ε _trc高于NSC和NSC-SF。在中等应力水平(α为30%和40%)下，HSC-PP的ε _trc高于NSC和NSC-SF。而在50%和60%的高应力水平下，HSC-PP的ε _trc幅度显著高于NSC和NSC-SF。在20~450 ℃的温度范围内，钢纤维在中等应力水平下可以有效地减少瞬态蠕变效应^[23]。相比之下，PP纤维在200~400 ℃温度范围内促进混凝土瞬态蠕变的发展。总体而言，高强度混凝土在恒定载荷下暴露于高温时，会经历更大幅度的瞬态蠕变^[5,24]。NSC与HSC ε _trc的差异可归因于水灰比的不同。高强混凝土(HSC)的水泥含量高于正常强度混凝土(NSC)(如表2所示)，NSC具有较高的密度和较低的含水率。瞬态蠕变主要是由于在高达400 ℃温度下毛细水分蒸发逸出，水化产物C—S—H物理化学变化，并伴随着进一步分解蒸发C—S—H中的化学结合水^[3]，从而增大ε _trc。因此，由于C—S—H分解及混凝土中剩余水分的蒸发(超过400 ℃)产生的瞬态蠕变，HSC比NSC更高。在温度超过400 ℃下，HSC-PP的瞬态蠕变明显高于NSC和NSC-SF。

3.3 加热速率的影响

图7为在60%应力水平下不同升温速率(4 ℃/min和6 ℃/min)下NSC的ε _trc随时间和温度变化曲线。

从图7a可以看出，在低加热速率(4 ℃/min)下，NSC试样需要175 min才能达到700 ℃的最高目标温度，而在6 ℃/min加热速率下则需要115 min。在缓慢加热速率(4 ℃/min)下，ε _trc的增长速度较慢。在给定应力水平下，加热速率4 ℃/min下的瞬态蠕变略高于加热速率6 ℃/min。从图7b可以看出，在60%应力水平下，4 ℃/min加热的NSC试样的瞬态蠕变略高于在给定温度下6 ℃/min加热的试样。因此，加热速率主要影响混凝土瞬态蠕变的速率。此外，当加热速率较高时，会产生较大的热梯度(即中心和表面温度之间的差异)^[25]，导致较高的热应力和应变。当升温速率大于6 ℃/min时，产生较大热梯度，从而加快混凝土瞬态蠕变的发展。当升温速率低于6 ℃/min时，由于热梯度较低，升温速率的变化对混凝土瞬态蠕变的发展影响不显著。因此，在给定温度和应力水平下，瞬态蠕变总量一定，但较慢的升温速率，瞬态蠕变发展速率也相应更慢^[8]。

4 结论

在20~800 ℃的温度范围内，进行一系列蠕变试验，测得不同类型混凝土的ε _trc。从高温下混凝土蠕变应变的演化可得出以下结论：(1)温度和应力水平是混凝土瞬态蠕变的主要影响因素。在400 ℃左右，温度诱发的蠕变应变是最小的，然后在400~800 ℃时，在较低的温度范围内，较高的应力水平导致较高的蠕变应变。(2)混凝土的类型，特别是掺入纤维对高温下产生的蠕变应变有影响。在相同条件下，钢纤维混凝土的蠕变应变低于普通混凝土，而PP纤维混凝土的蠕变应变则要大得多。(3)加热速率影响瞬态蠕变的发展速率，快速升温加速诱发瞬态蠕变，在给定温度和应力水平下，瞬态蠕变总量一定，但较慢的升温速率下，瞬态蠕变发展耗时更长。

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基金资助

四川省轨道交通线路智慧运维工程研究中心课题(2024GD-Y13)