PP 纤维和钢筋对高温下C60HPC 板热应变的影响

杜红秀， 吴振戌， 杜 帆，2

（1.太原理工大学土木工程学院，山西太原 030024；2.中建科工集团有限公司，广东 深圳 518000）

随着经济的发展，高性能混凝土（HPC）由于耐久性高、工作性好、体积稳定性强等特点被广泛用于超高层、大跨建筑［1-2］.然而，发生火灾时高性能混凝土内部化学成分发生变化、内部结构被破坏，致使其力学性能、耐久性等降低［3-7］，甚至发生爆裂［8-9］.有研究表明，掺加聚丙烯（PP）纤维能够改善高温时高性能混凝土的内部结构，降低高温对高性能混凝土的损伤，有效抑制高性能混凝土的高温爆裂［10-13］.

目前国内外已经对高温后混凝土的热应变进行了一系列研究，发现混凝土应变随着受火温度的升高而逐渐增大［14-17］；掺加PP 纤维可增大混凝土延性，降低混凝土损伤时的变形［18-19］.当建筑物发生火灾时，混凝土构件在高温、荷载及相关约束等多重作用下，内部所产生的热应力、热变形是结构力学性能发生变化的重要影响因素.本文针对C60 高性能混凝土（C60HPC）板，采用振弦式应变计测量该板的热应变，分析温度、纤维、钢筋对C60HPC 板不同位置处热应变的影响，以期为分析计算结构热应力及承载力损伤提供试验依据.

1 试验设计

1.1 原材料及配合比

水泥为太原产P·O42.5 水泥；粗骨料选用粒径为5～25 mm 连续级配的石灰石碎石；细骨料选用细度模数为2.89的豆罗沙；粉煤灰为太原热电厂的Ⅱ级粉煤灰，矿粉为S95级矿粉；PP纤维长度为15 mm、直径为25 μm，熔点约170 ℃；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率25%～30%；水为自来水.

在制备C60 高性能混凝土板之前，本课题组已进行了C60 高性能混凝土配合比设计及力学性能试验.该混凝土设计坍落度为（180±20）mm，实测拌和物坍落度为170～200 mm，黏聚性、保水性良好；试块成型后标准养护28 d，测得其立方体抗压强度满足C60强度等级，氯离子迁移系数为1.711×10-12m2/s［20］，小于3.0×10-12m2/s，符合JGJ/T 385—2015《高性能混凝土评价标准》的要求.本试验C60HPC 配合比见表1.表1 中：SJHPC 表示布置钢筋网且PP 纤维体积分数为0%的C60 钢筋混凝土板；PWHPC 表示无钢筋网且PP 纤维体积分数为0.2%的C60 纤维增强混凝土板；PJHPC 表示布置钢筋网且PP 纤维体积分数为0.2%的C60 纤维增强钢筋混凝土板.

表1 C60HPC 配合比Table1 Mix proportions of C60HPC kg/m3

1.2 混凝土板的制备及测试

参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》以及实验室电阻炉尺寸，3 种混凝土板尺寸均为390 mm×390 mm×100 mm；钢筋混凝土板所用钢筋为HRB400、φ12 螺纹钢，两同向钢筋间距为200 mm，距侧面95 mm，钢筋网呈“井”字排布，距混凝土板底部受热面25 mm.为监测加热过程中混凝土板不同位置处的热应变变化情况，在距混凝土板底部受热面25、50、75 mm 处埋置测温范围为-55～125 ℃的振弦式应变计；同时，为监测整个加热过程中混凝土板不同位置处的温度变化情况，在应变计周围埋置K型热电偶，通过与温度巡检仪连接可测得加热过程中距混凝土板底部受热面25、50、75 mm 处的温度.钢筋在混凝土板中的排布、混凝土板内部热电偶和应变计的布置见图1.混凝土板成型24 h 后脱模，放入（20±2）℃的水中养护至28 d，养护完毕后捞出静置，使其达到当地平衡含水率.

图1 混凝土板设计图Fig.1 Design drawing of concrete slab（size：mm）

1.3 试验方法

使用SRJX 箱式电阻炉（额定电压220 V，炉膛温度0～1 200 ℃）对混凝土板进行加热，最高升温速率为23～24 ℃/min，平均升温速率约15 ℃/min，低于标准升温速率.由于本次试验与课题组的蒸汽压试验同时进行，且蒸汽压试验的温度需要达到800 ℃，故本次试验目标温度设置为800 ℃.将混凝土板立置于炉膛门口，并将混凝土板与炉膛的缝隙用耐高温岩棉封堵，以防止炉膛内热气逸散.加热过程中每隔5 min 通过应变计读数仪、温度巡检仪记录1 次混凝土板不同位置处的应变和温度，直至应变计在高温下烧损；待加热完成的混凝土板自然冷却后取出，试验结束.

2 试验结果分析

2.1 混凝土板在高温下的现象

混凝土板在加热温度小于100 ℃时无明显变化；大于100 ℃时，混凝土板内部自由水变为水蒸气向外逸出，并伴随“呲呲”的声响；随着温度的升高，混凝土板背后出现渗水现象（见图2），且伴随刺鼻的味道，这可能是高温下外加剂蒸发引起的；当加热温度大于500 ℃时，混凝土板四周出现大量肉眼可见的水蒸气；当加热温度达到800 ℃时，混凝土板表面有残留水印.

图2 混凝土板高温渗水图Fig.2 Water seepage diagram of concrete slab at high temperature

2.2 混凝土板测点温度随加热时间的变化关系

本文用升温速率（温度变化差值与温度变化时间的比值）来表征高温作用下钢筋和PP 纤维对混凝土板内部温度变化的影响.

在高温作用下，有钢筋网、无钢筋网的纤维增强混凝土板PJHPC、PWHPC 在不同测点处的温度随加热时间的变化关系见图3.由图3 可见：加热前，这2种混凝土板在各测点处的温度基本相同，随着加热时间的增加，混凝土板在各测点处的温度逐渐增大；测点距底部受热面越近，其升温速率越快，温度越高［21］.距底部受热面25 mm 处，PJHPC、PWHPC 的升温速率分别为2.39、2.21 ℃/min；距底部受热面75 mm 处，PJHPC、PWHPC的升温速率分别为0.84、0.87 ℃/min.当加热时间大于75 min 时，距底部受热面25 mm 处，PJHPC 的温度较PWHPC 略大，这可能是由于此处热电偶靠近钢筋网，而钢筋网的升温速率远大于混凝土的升温速率所致.图4 为PJHPC、PWHPC 在加热时间达120 min 时，距底部受热面25、50、75 mm 处的温度. 由图4 可知：距底部受热面25 mm 处，PJHPC 的温度明显高于PWHPC 的温度，两者相差20.1 ℃；距底部受热面50、75 mm 处，由于距钢筋网较远，PJHPC 与PWHPC 的温度较接近，两者分别相差8.4、7.0 ℃，远小于25 mm 处两者的温差.

图3 PJHPC、PWHPC 的温度随加热时间变化关系Fig.3 Temperature changes of PJHPC and PWHPC with the heating time

图4 加热120 min 时PJHPC、PWHPC 在不同测点处的温度Fig.4 Temperature of PJHPC and PWHPC at different measuring points when heating for 120 min

高温作用下，未掺、掺有PP 纤维的钢筋混凝土板SJHPC、PJHPC 在不同测点处的温度随加热时间的变化关系见图5.由图5 可见，SJHPC 和PJHPC 在各测点处的温度均随着加热时间的增加而增大.SJHPC 在距底部受热面25、50、75 mm 处的升温速率分别为2.60、1.30、1.18 ℃/min；PJHPC 在距底部受热面25、50、75 mm 处的升温速率分别为2.39、1.15、0.84 ℃/min. 加 热 时 间 为60 min 时，SJHPC 和PJHPC 在距底部受热面25、50、75 mm 处的温度分别为118、64、53 ℃左右，两者较为接近；加热时间大于60 min 后，SJHPC 在各测点处的温度均大于PJHPC，且加热时间越长，两者的温差越大.图6 为SJHPC 和PJHPC 在 加 热 时 间 达120 min 时，距 底 部受热面25、50、75 mm 处的温度.由图6 可知，距底部受热面25、50、75 mm 处，SJHPC 和PJHPC 的温差分别为22.8、16.4、41.6 ℃.表明掺加PP 纤维可以降低混凝土受热时的温度.原因是PP 纤维导热系数较低，致使加热时间相同时PJHPC 的升温速率低于SJHPC［22］.

图5 SJHPC、PJHPC 的温度随加热时间变化关系Fig.5 Temperature changes of SJHPC and PJHPC with the heating time

图6 加热120 min 时SJHPC、PJHPC 在不同测点处的温度Fig.6 Temperature of SJHPC and PJHPC at different measuring points when heating for 120 min

2.3 钢筋对混凝土板热应变的影响

有无钢筋网的纤维增强混凝土板PJHPC、PWHPC 在各测点处的热应变随其温度的变化关系如图7 所示.由图7 可见，PJHPC、PWHPC 这2 种纤维增强混凝土板在各测点处的热应变均随其温度的升高而增大.距混凝土板底部受热面25 mm 处，当其温度小于60 ℃时，PWHPC 和PJHPC 的热应变变化趋势基本相同、应变值接近，60 ℃时两者应变值约为61 μm/m；当其温度大于60 ℃后，PWHPC 和PJHPC的热应变变化速率分别为1.10、0.82 μm/（m·℃），前者大于后者；至140 ℃时，与PJHPC 的应变值相比，PWHPC 的应变值高出32 μm/m 左右，表明钢筋网对相同温度下的混凝土变形有约束作用.距混凝土板底部受热面50 mm 处，PWHPC和PJHPC的热应变变化趋势大致相同，两者的热应变变化速率分别为2.23、2.25 μm/（m·℃）；当温度大于70 ℃后，PWHPC 和PJHPC 的应变值接近，两者相差7 μm/m 左右.距混凝土板底部受热面75 mm 处，当其温度小于60 ℃时，PWHPC 和PJHPC 的热应变变化趋势基本相同、应变值接近，60 ℃时两者应变值约为125 μm/m；当其温度大于60 ℃后，PWHPC 的应变值略大于PJHPC，但远小于25 mm 处两者的差值.通过测试距混凝土板底部受热面25、50、75 mm 处的热应变可知，在高温作用下，钢筋网对自身周围的混凝土有明显的约束作用，而对距钢筋网较远的混凝土约束作用效果不明显［19］.

图7 高温作用下钢筋对混凝土板不同测点处热应变的影响Fig.7 Effect of steel bars on thermal strain of concrete slab at different positions under high temperature

2.4 纤维对钢筋混凝土板热应变的影响

掺与未掺纤维的钢筋混凝土板PJHPC、SJHPC在各测点处的热应变随其温度的变化关系如图8 所示.由图8 可见，PJHPC、SJHPC 这2 种钢筋混凝土板在各测点处的热应变均随其温度的升高而增大.距混凝土板底部受热面25 mm 处，当温度小于40 ℃时，相同温度下SJHPC 和PJHPC 的热应变基本相同，40 ℃时两者应变值约为48 μm/m；当温度大于40 ℃后，SJHPC 和PJHPC 的热应变变化速率分别为1.34、0.83 μm/（m·℃），前者大于后者；至122 ℃时，SJHPC的应变值明显高于PJHPC，两者相差约54 μm/m.距混凝土板底部受热面50 mm 处，当温度小于55 ℃时，相同温度下SJHPC 和PJHPC 的热应变接近，55 ℃时两者应变值约为120 μm/m；当温度大于55 ℃后，SJHPC 和PJHPC 的热应变变化速率分别为1.69、1.42 μm/（m·℃），前者大于后者；至98 ℃时，SJHPC的应变值明显高于PJHPC，两者相差约50 μm/m.距混凝土板底部受热面75 mm 处，当温度小于60 ℃时，相同温度下SJHPC 和PJHPC 的热应变接近，60 ℃时两者应变值约为123 μm/m；当温度大于60 ℃后，SJHPC 和PJHPC 的热应变变化速率分别为1.94、1.24 μm/（m·℃），前者大于后者；至113 ℃时，SJHPC的应变值明显高于PJHPC，两者相差约36 μm/m.通过测试SJHPC 和PJHPC 在距底部受热面25、50、75 mm 处的应变值，发现相同温度、相同测点处PJHPC 的应变值均小于SJHPC，表明掺加PP 纤维能够约束混凝土的变形，降低混凝土的高温损伤［23］.

图8 高温作用下PP 纤维掺量对混凝土板不同测点处热应变的影响Fig.8 Effect of PP fiber content on thermal strain of concrete slab at different positions under high temperature

SJHPC、PJHPC 这2 种钢筋混凝土板在各测点处的热应变随其温度的变化关系见图9. 由图9 可见，对于未掺PP 纤维的钢筋混凝土板SJHPC 而言，当距其底部受热面50、75 mm 处的温度小于60 ℃时，两者应变值相近，25 mm 处的热应变由于钢筋网的约束作用而偏小；当温度大于60 ℃后，50 mm 处（混凝土板中心）的应变值较另2 处测点大，至98 ℃时，50 mm 处的应变值约为225 μm/m，要比75、25 mm处的应变值分别高出19.5%、40.7%. 对于掺有PP纤维的钢筋混凝土板PJHPC 而言，其在各测点处的热应变变化关系与SJHPC 相似，但数值偏小；至98 ℃时，PJHPC 在50 mm 处的应变值较SJHPC 降低了21.6%，原因同样是掺加PP 纤维能够有效约束混凝土的变形.

图9 SJHPC、PJHPC 的热应变随温度变化情况Fig.9 Thermal strain of SJHPC and PJHPC varies with temperature

2.5 加热时间、温度与热应变的关系

SJHPC、PWHPC、PJHPC 的加热时间和温度对其热应变的影响见图10.由图10 可见，随着加热时间和温度的增加，3 种混凝土板的热应变均逐渐增大.相同加热时间和温度下：（1）3 种混凝土板在距底部受热面50 mm 处的热应变均大于25、75 mm 测 点 处 的 热 应 变；（2）与 未 掺PP 纤 维的钢筋混凝土板相比，掺加PP 纤维后的钢筋混凝土板热应变偏小；（3）在钢筋混凝土板中，钢筋周围混凝土的热应变明显小于无钢筋网混凝土板的热应变.

图10 在SJHPC、PWHPC、PJHPC 不同测点处加热时间、温度与热应变的关系Fig.10 Relationship between heating time，temperature and thermal strain at different positions of SJHPC，PWHPC，PJHPC

3 结论

（1）随着加热时间的增加，C60 高性能混凝土板的温度逐渐升高；相同加热时间下，C60 高性能混凝土板的温度随着与受热面距离的增加而降低；钢筋网能增加自身周围混凝土的升温速率；与高温下未掺聚丙烯纤维的钢筋混凝土板相比，掺加聚丙烯纤维能够减缓钢筋混凝土板的升温速率.

（2）随着温度的升高，无钢筋网和有钢筋网的纤维增强混凝土板PWHPC 和PJHPC 的热应变逐渐增大；距混凝土板底部受热面25 mm 处，当其温度小于60 ℃时，PWHPC 和PJHPC 的热应变变化趋势基本相同，当其温度大于60 ℃时，PWHPC 和PJHPC 的热应变变化速率分别为1.10、0.82 μm/（m·℃），至140 ℃时，PWHPC 的热应变值要比PJHPC 高32 μm/m 左右，表明钢筋网对混凝土的变形有约束作用.

（3）随着温度的升高，掺与未掺PP 纤维的钢筋混凝土板PJHPC 和SJHPC 的热应变逐渐增大，且距钢筋混凝土板底部受热面50 mm 处的热应变较25、75 mm 处略大；当温度相同时，SJHPC 在不同测点处的热应变均大于PJHPC，两者在距钢筋混凝土板底部受热面25、50、75 mm 处测得的最大差值分别为54、50、36 μm/m 左右，表明掺加聚丙烯纤维能够降低高温时混凝土的应变，改善混凝土的变形能力.