隧道二衬结构纤维混凝土高温后基本性能.pdf

2 0 1 5年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 5 No ． 5 Ma v 隧道二衬结构纤维混凝土高温后基本性能 郭丽萍 一 ， 张文潇 ， 谌 正凯 ， 丁 聪 1 ． 东南大学材料科学与工程学院， 南京 2 1 1 1 8 9 ； 2 ． 江苏省土木工程材料重点实验室 ， 南京 2 1 1 1 8 9 摘 要 研究 了不 同种类纤维 、 不 同温度和不 同保 温时 间下， 混凝 土试件 高温作 用后的质 量损 失率 、 相对动 弹 性模量 ， 进行 了抗压强度和劈 裂抗拉 强度试验 ， 测试其 残余强度 ， 讨论 了温度 、 保温 时间和纤维种类 对其 高温后基 本物理力学性能的影响 ， 并分析 了有机 纤维改善 混凝土高温后性 能的机 理。研究表 明， 高温作 用后 ， 基准混凝 土性 能下降较 快 ， 且温度达到 7 0 0 8 0 0 C时 ， 发 生爆裂 ； 掺 入两种有机纤维都能有效降低混凝土 高温作用下的爆裂 。 掺入 有机纤维可以减少高温作 用下混凝 土的水分 蒸发量 ， 降低混凝土的质量损 失。高温作用下 ， 混凝 土试件 的劈裂抗拉 强度 比抗压强度下降更快 随着保 温时间的延长 ， 混凝 土的 强度损 失明显增 大。 不同纤维均可以降低 混凝 土高温作 用下的强度损 失 ， 缓解 高温作用下混凝土 内应 力可能 引起的破坏 ， 降低爆 裂的可能性。 关键词 隧道 二衬 结构 ； 有机纤维 ； 高温； 性能变化 ； 机理 Ab s t r a c t T h e ma s s l o s s r a t e a n d t h e r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e s p e c i me n s w e r e s t u d i e d u n d e r v a r y i n g fi b e r t y p e s ， t e mp e r a t u r e a n d h o l d i n g t i me i n t h i s w o r k ．S t u d i e d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f s e ri e s o f s a mp l e s w h i c h t r e a t e d u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ． I n f l u e n c e s o f h i g h t e mp e r a t u r e ， h o l d i n g t i me a n d fi b e r t y p e s f o r t h e p rima ry p h y s i c a l a n d me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e we r e d i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y ． T h e i mp r o v e me n t me c h a n i s m o f o r g a n i c fi b e r o n t h e p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e w a s a l s o i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s r e v e a l e d t h a t ，t h e me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e o f p l a i n c o n c r e t e w a s d e c l i n e d h e a v i l y a ft e r h i g h t e mp e r a t u r e ，e v e n b u r s t a f t e r t e mp e r a t u r e a r - r i v e d 7 0 0℃ t o 8 0 0℃． T wo t y p e s o f o r g a n i c fi b e r a d d i t i o n wo u l d s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e r i s k o f t h i s b u r s t b e h a v i o r ． Mi x ． i n g o r g a n i c fi b e r c a n r e d u c e t h e wa t e r e v a p o r a t i o n a n d t h e ma s s l o s s o f c o n c r e t e aft e r h i g h t e mp e r a t u r e ． Aft e r h i g h t e mp e r - a t u r e t r e a t me n t ， s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e s p e c i me n s d e c r e a s e d q u i c k e r t h a n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ．T h e d e c r e a s e o f s t r e n g t h wa s o b v i o u s l y e n l a r g e d wi t h t h e i n c r e a s i n g o f h e a t h o l d i n g t i me ． Th e s t r e n g t h l o s s a f t e r h e a t i n g w o u l d e a s e d b y o r g a n i c fi b e r ； for t h e i n s i t u p o r e s t r u c t u r e f o r me d aft e r fi b e r me l t e d wo u l d r e l e a s e a p a r t o f s t r e s s c a u s e d b y h e a t i n g ， a n d p r e v e n t t h e mi c r o s t r u c t u r e d e s t ruc t i o n a n d e x p l o s i o n o f c o n c r e t e ． Ke y wo r d s S e c o n d a r y l i n i n g o f t u n n e l ； Or g a n i c fi b e r ； Hi g h t e mp e r a t u r e ； P e r f o rm a n c e c h a n g e ； Me c h a n i s m 中图分类号 T U 5 2 0 ． 5 7 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 6 3 7 2 0 1 5 0 5 4 2 0 4 0前 言 近 年来 ， 随着 高 铁 行 业 的快 速 发 展 ， 高 铁 隧 道 结 构混凝 土 成为众 多 学者研 究 的重点 及 热点【 】 - 3 ] 。火 灾 是常见灾 害之一 ， 一旦发生在隧道 中． 由于隧道与 外部 相连通 的通道少 ， 而且高度宽度都较小 ， 就会 造成疏散 困难 、 救援 困难 、 排烟 困难和从外部灭火 困难 ， 使隧道火灾相 比地 面火灾更具有 破坏性【4 _ 5 1 。 如果隧道发生火灾 ，不仅会造成人员 的巨大伤害 ， 还会导致混凝土的力学性能的劣化 ，甚至爆裂 ， 将 对衬砌结构产生不 同程度 的破坏 ， 大大降低结构的 承载 力 和安 全性 。为 了混 凝 土 的 阻裂 、 增 韧 和 增 强等 ． 纤维混凝土越来越多地应用于隧道二衬结构 中 ． 因此 ， 研 究 纤 维混 凝 土 用 于 隧 道 二衬 结 构 中的 高温性能尤为重要。 基金项 目 水利部水科学与水工程重点 实验室开放研究基金 Y k 9 1 4 0 0 9 ； 国家 自然科 学基金 项 目 5 1 3 7 8 1 1 3 ； 中央高校 基本 科研 业务 费专项 资金资助项 目 3 2 1 2 0 0 2 2 0 6 。 一 4 2 1 原 材料 及试 验方 法 1 ． 1 原材 料 水 泥 P Ⅱ 4 2 ． 5水 泥 。 粉煤灰 I 级 ， 烧失量≤5 ． O ％， S O 含量≤3 ％。 水 自来 水 。 细 骨料 普 通河砂 ，细度模 数 2 ． 7 ，粒 径 ≤ 2 ． 3 6 mm， 表观 密度 2 6 5 0 k g ／ m 。 粗骨料 石灰岩碎石 ， 粒径范围 5 1 6 m m和 1 6 ～ 2 0 mm二种 ， 按 2 3比例混合使用 ， 表观密度 2 7 2 0 k g ／ m 3 。 减 水剂 聚羧 酸 系 高性 能减 水 剂 ． 固含 量 2 0 ％ ． 减水率 2 0 ％ 2 5 ％， 坍落度 1 h经时损失 ≤8 0 mm。 纤维 采用聚乙烯醇纤维 P V A F 和聚丙烯纤维 P P F 种纤维 ， 物理性能见表 1 ， 掺量为 0 ． 9 k g ／ m 。 1 ． 2 试验配合比及试件准备 试验用配合比见表 2 。 试验采用 尺寸为 l O O mmx l O O mmx l O O mm 的立 郭丽萍 ， 张文潇 ， 谌正凯， 等 隧道二衬结构纤维混凝土高温后基本性能 方体试件 。 试件成型后静置 2 4 h ， 拆模后至养护室养 护 ， 温度 2 0 2 ℃， 相对湿度大于 9 5 ％。所有试件均 养护 至 2 8 d进行试验 。试验前 7 d将试件移入温度 为 2 0 2 ℃、 相对湿度 6 0 5 ％的恒温恒湿室中， 使 其失去表面多余水分 ， 进行高温试验。 1 ． 3试 验方 法 试验采用 S X O 一 5 1 2 A型箱式 电阻炉模拟火灾 升温情况 ， 额定功率 5 k W， 电压 2 2 0 V， 最 高工作温 度为 1 2 0 0 C。最高升温速率 2 4 C ／ m i n ， 平均升温速 率 1 5 C ／ mi n 试 件在 室 温 2 0 ℃下放 人 炉 内 ， 以温 度 和恒 温 时 间为变化参数 ， 加热最高温度分别为 3 0 0 C、 6 0 0 2 、 8 0 0 ％、 1 0 5 0 C，加热到最高温度后 分别恒温 2 ． 5 h 、 5 ． 5 h ， 恒温结束后 ， 试件 随炉 自然冷却至室温 ， 取出 进行相关试验 。 2试 验结 果与讨 论 2 ． 1 物理性质变化 随 着温 度 的 升高 ， 混 凝 土试 块 的物 理化 学 状 态 逐渐发生变化 。2 5 0 C 左右， 炉 口开始有少量明显可 见的水蒸汽逸出 ，这主要是混凝 土 中自由水 的蒸 发。 温度持续升高 ， 混凝土内部的水化产物 ， 如 C S H 凝胶 和 钙钒 石 A f t 开始脱 水 ，水蒸 汽 白雾 逐 渐 变 浓 ， 而 后 逐渐 减 小 。6 0 0 C 左 右 ， 炉 口的 白雾 基 本 消 失 ， 此 时混 凝 土 的大 部分 水 分 已失 去 。受 高 温 火 作用 的混凝土试件会 由于水分损失导致质量损失 ， 因此 ， 可以根据混凝土试件受高温作用后的质量损 失率来表征其在某温度下的失水情况 。 未掺纤维的基准混凝土在受到 7 0 0 ～ 8 0 0 ％高温 作用过程中， 均出现爆炸声 ， 发生爆裂。而掺两种不 同有 机 纤维 的混凝 土 直 至 1 0 5 0 C，均 未发 生爆 裂 。 温度升高过程 中， 产生的孔隙水 汽 压力和热应力 等 ， 都会对混凝 土微结构产生较大的破坏。使用无 损检测超声检测法计算 相对动弹性模量是表 征混 凝土高温作用后损伤程度的有效手段。 高温作用后混凝 土试件 的质量损失率 和相对 动弹性模量试验结果见表 3 。 表 3 不 同高温作用后混凝土质量损失率和 相对动弹性模量试验结果 由表 3可 以得出 ， 当温度升高到 3 0 0 C 时 。 除保 温时间为 5 ． 5 h的基准混凝土外 。 其它混凝 土试件 的 质量损失率均 5 ％， 失水率较低 ； 而此时相对动弹性 模量均为 5 0 ％左右 ， 温度 3 0 0 C 时 ， 混凝土已经产生 较 多失 去 自由水 留下 的孔 隙缺 陷 。当温 度达 到 6 0 0 C 时 ， 在两种不同保温时 间下 。 基准混凝 土的质 4 3 2 0 1 5年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 9期 量损失率均为 1 2 ． 5 ％， 此时 ， 基准混凝土 已经失去了 全部 自由水及大量水化产物中的水分。而两种纤维 混凝 土 的质量 损失 率分 别 为 4 ． 2 ％和 8 ． 3 ％，均 7 0 ％。当温度升高到 1 0 5 0 ℃时， 强度 损失 已经 达到 了 8 0 ％以上 。 在劈裂抗拉 强度方面， 温度升高到 3 0 0 ℃时 ， 基 准混凝土 的劈裂抗拉强度 损失率为 1 2 ． 2 ％，大于 1 0 ％，而两种纤维混凝土的劈裂抗拉强度损失分别 为 O ． 3 ％和7 ． 4 ％， 均小 于 1 0 ％。 当温 度 升高 到 6 0 0 o C 时 ， 基准混凝土的劈裂抗拉强度损失率为 4 8 ． 2 ％， 两 种纤维混凝土的劈裂抗拉强度损失率分别为 4 0 ． 5 ％ 和4 3 ． 4 ％， 均 小 于基 准混 凝 土 。 当温度 升 高 至 8 0 0 o C 和 1 0 5 0 o C 时 纤维混凝 土的劈裂抗拉强度损失率分 别 为 7 6 ． 2 ％和 7 6 ． 4 ％ 、 9 2 ． 9 ％和 9 3 ． 8 ％。劈 裂抗 拉 强 度损失与抗压强度损失规律基本一致。保温时间为 5 ． 5 h时 ， 混 凝 土抗 压 强度 与 劈 裂 抗拉 强 度 的损失 规 律与保温时间为 2 ． 5 h后 的基本一致。 但保温时间对 强度的损失影响显著 。如温度达到 6 0 0 ％， 保温 2 ． 5 h 和保温 5 ． 5 h后 ， 基准混凝土的抗压强度损失分别为 6 4 ． 7 ％和 7 O ． 2 ％ ， P V A纤 维混 凝 土 和 P P纤 维 混凝 土 的抗 压 强 度 损 失 分 别 为 4 6 ． 9 ％和 5 7 ． 8 ％ 、 5 2 ． 7 ％ 和