实时高温下钢纤维混凝土的力学特性及其声发射响应

刘 鑫，侯新宇，林 军，景晶晶，刘为平,佘俊文，朱 浩

(1.江苏开放大学建筑工程学院，南京 210036；2.江苏城市职业学院建筑工程学院，南京 210019)

0 引 言

建筑物及构筑物遭遇火灾时，会导致混凝土的服役能力下降，建筑工程的倒塌将严重影响人类的正常生活。目前国内外对混凝土材料的耐高温性能和采用声发射技术监测建筑材料损伤等方面进行了一定的研究，并取得了一定的研究成果。

文献[1-4]对不同类型混凝土高温后的力学性能进行了研究，认为随着温度的升高，会对混凝土的强度造成一定的影响。Tanyildizi[5]通过实验和统计方法研究了聚丙烯(PP)纤维和硅粉对轻质混凝土高温下力学性能的影响。Lau等[6]研究表明，对于低于400 ℃的温度段，抗压强度的损失相对较小。Xiao等[7]认为，掺有PP纤维的高性能混凝土(HPC)进行燃烧测试时，未观察到爆炸性剥落，而没有PP纤维的HPC发生了一些剥落。Poon等[8]研究表明，混凝土暴露于高温后，刚度的损失比抗压强度的损失要快得多。Peng等[9]研究表明，通过掺加钢纤维、聚丙烯纤维可以增加混凝土的断裂能。秦李林[10]认为，钢纤维的掺加，可以增强混凝土常温和高温后的力学性能。声发射作为一种材料无损监测手段，可以对水泥混凝土受载全过程进行实时跟踪、在线监测，可实现材料力学性能变化规律与其声发射信号损伤强弱在时间上的对应统一。文献[11-14]对各类岩石高温下的力学性能以及声发射特性进行了研究，较为统一的结论为：岩石释放的能量越多，声发射活动越频繁。文献[15-17]对单轴压缩下岩石的耐高温性能进行了研究，均对岩石的应力-应变曲线和声发射曲线的对应关系进行了探讨。

从以上分析可以看出，目前国内外对混凝土的高温性能研究主要侧重于高温后水泥混凝土力学特性的变化情况，多数是将经历高温作用的混凝土试件冷却一段时间，然后进行力学性能测试，而对混凝土材料实时高温下的损伤劣化研究较少。但实际发生火灾时实时高温下混凝土的各项力学行为与其经历高温并冷却后的力学性能差异较大，因而高温后的试验研究不能反映实际受火过程中混凝土结构材料的劣化情况。

因此，研究实时高温下混凝土及纤维混凝土的力学性能变化规律，并且通过声发射探头实现全过程实时跟踪、在线监测并表征材料的能量释放，为遭遇火灾的实际工程材料及结构安全提供理论依据，具有较大的现实意义。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

图1 钢纤维

水泥选用扬州绿扬水泥有限责任公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用I级粉煤灰，砂选用中砂。石子采用连续级配为5～20 mm的碎石，水为自来水，减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸减水剂，含固量为20%。缓凝剂采用吴江市华誉化工有限公司生产的葡萄糖酸钠，占胶凝材料质量的0.5%。钢纤维由江苏苏博特新材料股份有限公司提供，型号为S2端勾型，长度为30 mm，体积掺量为1%。图1为试验用钢纤维照片，钢纤维的基本性能指标及试验所用混凝土配合比分别如表1、表2所示。

表1 钢纤维的基本性能指标

表2 试验所用混凝土配合比

图2 实时高温下混凝土力学性能及声发射响应监测设备图

1.2 试验设备

混凝土实时高温下力学性能试验设备采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的MTS810材料测试系统及其配套的高温炉。声发射检测仪采用沈阳计算机技术研究设计院生产的AE21C声发射检测仪，设备增益值采用38 dB,门槛值采用47 dB，声发射探头与传感器之间通过凡士林耦合。整个试验设备如图2所示。

1.3 试件准备

成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块，在标准养护室养护28 d后，通过切割、钻芯、打磨成直径为25 mm、长径比为2∶1的圆柱形试件。

1.4 试验方法

试验目标温度为20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃的四个温度段，升温速率为15 ℃/min，加载速率为0.003 mm/s，恒温时间为15 min。试验时将试件在仪器夹头上加紧，然后关闭高温炉，等到加热到目标温度后恒温15 min，确保高温炉内温度的恒定。然后对试件施加单轴荷载,同时打开声发射监测系统，直至混凝土失稳破坏。

声发射信号参数选用振铃计数率，信号的强弱代表混凝土在受压过程中释放能量的多少，它可对混凝土的开裂损伤进行实时在线监测。

2 结果与讨论

2.1 高温下混凝土的抗压强度和残余强度

抗压强度是混凝土的一项基本力学性能，而残余强度代表试件应力-应变曲线上经过峰值应力后大致稳定的最终强度。测试普通混凝土、钢纤维混凝土各温度段的抗压强度、残余强度，结果如图3、图4所示。

图3 各温度段两类混凝土的抗压强度

图4 各温度段两类混凝土的残余强度

如图3和图4所示，钢纤维混凝土的抗压强度和残余强度均比对应温度段普通混凝土的高，20～600 ℃四个温度段钢纤维混凝土比普通混凝土抗压强度分别提高了12.07%、4.15%、11.25%、3.24%,残余强度分别提高了2.67 MPa、3.51 MPa、0.98 MPa、2.74 MPa。

分析主要原因，与普通混凝土相比，钢纤维的掺入在水泥混凝土中较好地发挥了其增强增韧的效果，因而钢纤维混凝土的抗压强度都比同温度段普通混凝土高。且由于钢纤维的熔点很高，超过1 000 ℃，因此在600 ℃范围内，钢纤维都能与混凝土一起协同承受荷载，钢纤维混凝土的强度损失较低，因而钢纤维混凝土的残余强度都比同温度段普通混凝土高。

2.2 高温下混凝土的时间-应力-振铃计数率曲线

温度场处于相对均匀状态时，试验仪器施加给混凝土的荷载除少部分被耗散掉以外，大部分会以能量的形式被混凝土吸收，而被混凝土吸收的能量又会因其内部微裂纹的张开、扩展等释放出来，即混凝土整个受压过程是能量的吸收、耗散和释放循环反复的过程。试件的时间-应力-振铃计数率曲线表示随着时间的推进，具体时间点试件的承载能力变化情况以及对应能量释放的强弱，可实现各温度段试件的力学行为变化及其声发射特性在时间上的统一，具体试验结果如图5所示。

图5 各温度段两类混凝土的时间-应力-振铃计数率曲线

由各温度段试验数据可以看出，普通混凝土和钢纤维混凝土的时间-应力-振铃计数率曲线大致可分为以下四个阶段：压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。

压密阶段：混凝土在初始受压状态下，由于其内部存在一定的原生裂纹和微细孔洞，因此这一阶段主要是这些原生裂纹和孔隙被压密，使得这一阶段混凝土的损伤劣化较小，反映在应力曲线上表现为应力的增长速度较缓慢，曲线形状呈凹型；体现在振铃计数率上表现为声发射信号的强度较小，并且总体而言声发射活动较为稀疏。

线弹性阶段：在经过第一阶段之后，随着荷载的继续施加，导致混凝土材料内部被压密的微细裂纹和微孔隙开始张开，试件的应力曲线上升速度与上一阶段相比有了一定程度的提升，应力与时间大致呈线性关系；与此同时，振铃计数率表现出的声发射信号的强度也高于压密阶段，这一阶段混凝土材料的损伤有了一定程度的加剧。

塑性阶段：当试件内部的裂纹发展到一定程度之后，各裂缝之间将汇集、贯通形成更大的宏观裂缝，混凝土的损伤劣化严重，此时试件时间和应力曲线之间的线性关系被打破，此阶段应力曲线呈凸型并一直持续到峰值应力点处；而振铃计数率曲线的密集程度和活度也明显加剧，与上一阶段相比，此阶段混凝土的损伤更甚。

破坏阶段：随着荷载持续施加，当混凝土的应力曲线越过峰值应力之后，试件内部损伤严重，混凝土的承载能力开始降低，试件有的发生脆断，应力曲线产生骤降；有些产生延性破坏，应力曲线缓慢下降，具有一定的残余应力；而振铃计数率曲线表现出的声发射信号的强度在经过前三个阶段的上升趋势之后也开始降低，这与应力曲线表现出的宏观力学性能一致。

对比相同温度段普通混凝土和钢纤维混凝土的时间-应力-振铃计数率曲线可以得出钢纤维掺入的影响，声发射损伤信号方面，除峰值应力点附近个别声发射数据以外，整体上钢纤维混凝土的振铃计数率曲线的密集程度都明显高于普通混凝土。分析原因是钢纤维在水泥混凝土中较好地发挥了阻裂效果，可有效阻碍微裂缝的扩展，增强了混凝土的强度和延性。混凝土在高温下的受压经过实质上是试件能量的吸收、耗散和释放循环反复的过程，混凝土强度的提高将使得其在受压过程中吸收更多的能量，而吸收的能量将伴随着试件内部微裂纹的张开等释放出来，反映在声发射上表现为钢纤维混凝土的振铃计数率曲线整体上更为密集，声发射信号强度更大、活度更高，并且密集持续波段更长。

2.3 高温下混凝土的时间-应力-振铃累计计数曲线

混凝土在高温下的整个受压过程伴随着与外界进行能量交换，热能以及外力所做的功转化的能量被混凝土吸收后，混凝土又会在而后的受载过程中将这些能量逐渐释放出来。试件的时间-应力-振铃累计计数曲线表示随着时间的推进，混凝土材料的力学特性变化规律及其声发射能量累计释放的对应关系，具体试验结果如图6所示。

通过各温度段试验数据可以看出，混凝土的振铃累计计数曲线大致呈“S”型，整体上可分为以下三个阶段：

第一阶段：主要在应力曲线的压密和线弹性阶段，由2.2节分析得知此时混凝土内部以原生裂纹的压密和微细裂纹的张开为主，即混凝土内部能量释放较为稀疏，从而声发射信号接收的数据较少，且信号的强度不大，此时混凝土振铃累计计数曲线的上升速度较为缓慢。

第二阶段：从某一时间点开始，主要对应于应力曲线的塑性阶段和破坏阶段，相较于应力曲线的前两个阶段，由于此阶段试件内部裂纹的萌生、发育以及扩展的速度明显提高，因而声发射信号的强度和频度也随之上升，声发射振铃计数率曲线更为密集，数值更大，导致振铃累计计数曲线的上升速度加快。

第三阶段：在破坏阶段的某一对应时间点上，即一般当超过振铃计数率最大值对应的时间点之后，由于试件内部已形成使其承载力逐渐下降的大孔径宏观裂缝，而后裂纹的扩展速度放缓，从2.2节分析可知振铃计数率数值变小，声发射信号的强度降低，从而致使振铃累计计数曲线的上升速度放缓。

图6 各温度段混凝土的时间-应力-振铃累计计数曲线

从以上三个阶段可以看出，两类混凝土在实时高温下的振铃累计计数曲线的变化规律为“缓-急-缓”的趋势。

各相同温度段普通混凝土和钢纤维混凝土的振铃累计计数最大值分别为：20 ℃,普通混凝土402.48，钢纤维混凝土702.22；200 ℃,普通混凝土204.46，钢纤维混凝土617.12；400 ℃,普通混凝土376.29，钢纤维混凝土425.48；600 ℃,普通混凝土850.34，钢纤维混凝土1 087.66，即钢纤维混凝土的振铃累计计数最大值都比相同温度段普通混凝土高。主要是因为钢纤维在水泥混凝土中较好地发挥了其增强增韧的作用，在高温下吸收了更多的能量，同时释放出了更多的能量，从而促使钢纤维混凝土振铃累计计数最大值比对应温度段普通混凝土高。

3 结 论

(1)高温下钢纤维混凝土的抗压强度、残余强度均比对应温度段普通混凝土高，钢纤维起到了较好的增强增韧效果。

(2)高温下钢纤维混凝土声发射信号的强度和频度均高于普通混凝土，试件的宏观力学性能与其声发射响应具有较好的对应性。

(3)高温下混凝土的振铃累计计数曲线大致分为三个阶段，高温下强度更高的钢纤维混凝土在受压过程中释放出了更多的能量，因而其振铃累计计数最大值均比相同温度段普通混凝土的数值高。

(4)钢纤维的掺入可以延缓混凝土在实时高温下的损伤。