機(jī)制砂C60 高強(qiáng)混凝土耐火性能及其改善措施的研究

摘要: 當(dāng)前國家倡導(dǎo)發(fā)展節(jié)能省地型建筑, 城市建筑越來越朝著高層與大跨度發(fā)展, 高強(qiáng)化是混凝土發(fā)展和應(yīng)用的主要方向之一。本文針對用機(jī)制砂配制的C60 高強(qiáng)混凝土的耐火性以及相關(guān)改善措施進(jìn)行了研究。通過對摻入摻合料、不同纖維配制的高強(qiáng)混凝土的在高溫下的殘余強(qiáng)度和質(zhì)量損失的研究, 為用地方性原材料配制高強(qiáng)混凝土提出了有效改善耐火性的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞: 高強(qiáng)混凝土; 耐火性能; 機(jī)制砂

0 概述

　　隨著工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高層與超高層及超大型方向發(fā)展, 對混凝土性能也提出了更高的要求。目前高強(qiáng)化和高性能化已成為混凝土技術(shù)發(fā)展的趨勢。然而, 人們對高強(qiáng)混凝土在火災(zāi)高溫下/ 后有關(guān)性能的變化卻知之甚少。在突發(fā)火災(zāi)時, 高強(qiáng)混凝土不同于一般的混凝土, 它水膠比小、強(qiáng)度高、脆性大、早期收縮大、高溫時易發(fā)生爆裂崩塌。如何改善高強(qiáng)混凝土的耐火性, 如何延緩混凝土的失效時間, 從而提高安全性就顯得尤為重要, 研究高強(qiáng)混凝土的耐火性具有重要意義[1~5 ]。鑒于以上原因,云南建工混凝土有限公司與中國建筑科學(xué)研究院建材所合作, 利用云南省地方性原材料機(jī)制砂與山砂混合作為細(xì)骨料, 配制強(qiáng)度等級為C60 的高強(qiáng)混凝土, 對其耐火性能及改善措施進(jìn)行初步研究。

1 研究內(nèi)容

　　研究采用的試驗(yàn)方法和技術(shù)路線是通過對普通河砂配制的混凝土與地方材料機(jī)制砂、山砂配制的C60 混凝土進(jìn)行對比試驗(yàn), 對受火前后混凝土的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失進(jìn)行測試, 揭示混凝土高溫受火的變化規(guī)律及改善程度。

2 試驗(yàn)依據(jù)

　　混凝土試件耐火試驗(yàn)按照GB/T 9978 - 1999《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

3 原材料

　　( 1) 水泥: 北京拉法基P.O42.5 水泥, 3d 抗壓強(qiáng)度23.5 MPa, 28d 抗壓強(qiáng)度49.5 MPa。

　　( 2) 粗骨料: 北京門頭溝石灰石碎石, 5～31.5連續(xù)級配, 表觀密度2 750kg/m3, 含泥量0.5%。

　　( 3) 細(xì)骨料: 北京產(chǎn)河砂, 細(xì)度模數(shù)2.2, 二區(qū)級配; 昆明建工砂石料公司生產(chǎn)機(jī)制砂, 細(xì)度模數(shù)3.5, 生產(chǎn)過程中經(jīng)水洗, 0.08 mm 顆粒含量<3.0%; 昆明龍?zhí)渡缴? 細(xì)度模數(shù)1.1, 小于0.08 mm 粉末含量為6.7%。

　　( 4) 外加劑: 四川科帥KS- JS 聚羧酸減水劑,含固量20%, PH 值7.0, 減水率>25%。

　　( 5) 摻合料: 昆明電廠三級粉煤灰與昆鋼高爐礦渣按50%比例復(fù)合粉磨生產(chǎn)的FS50 復(fù)合摻合料, 28d 活性84%, 細(xì)度2.5%。

　　( 6)鋼纖維( SF) : 天津薊縣華旭工貿(mào)有限公司生產(chǎn), 長徑比60, 鋼纖維斷面面積為0.196 mm2, 等效直徑為0.5 mm, 最小抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa。

　　( 7) 有機(jī)纖維: 聚丙烯纖維( PP) : 北京同創(chuàng)拓展科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的建特堅牌聚丙烯纖維( PP) 和聚丙烯腈纖維( PAN B) , 基本物理性能見表1。

4 混凝土耐火試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)配合比

　　為了較全面的研究C60 混凝土高溫受火后的殘余強(qiáng)度, 試驗(yàn)配合比中分別針對普通河砂和機(jī)制砂、山砂混凝土設(shè)計了配合比, 配合比中膠凝材料總量、復(fù)合摻合料、水膠比相同, 分別對無摻合料、添加復(fù)合摻合料、無纖維、單摻纖維( 包括鋼纖維、聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維) 、混雜纖維( 鋼纖維與聚丙烯纖維混雜、鋼纖維與聚丙烯腈混雜、聚丙烯纖維與聚丙烯腈纖維混雜) 等配合比進(jìn)行試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)研究共設(shè)計了16 個配比, 通過調(diào)整外加劑摻量使其工作性基本在相同的范圍內(nèi)。配合比設(shè)計方案詳見表2、表3。

　　備注:1、SF 為鋼纖維; PP 為聚丙烯纖維; PAN B 為聚丙烯腈纖維; 2、HZX1 為鋼纖維與聚丙烯纖維按相同體積百分比混雜; HZX2 為鋼纖維與聚丙烯腈纖維按相同體積百分比混雜;HZX3 為聚丙烯纖維與聚丙烯腈纖維按相同體積百分比混雜。

4.2 耐火試驗(yàn)情況

　　耐火試驗(yàn)在國家建筑工程質(zhì)量檢測中心耐火質(zhì)檢室進(jìn)行, 試驗(yàn)方法按照國標(biāo)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》GB/T 9978- 1999 進(jìn)行。試件尺寸為100 mm×100 mm, 共計75 塊, 試件在爐內(nèi)以品字形花格狀放置, 試件各面均可受火。試驗(yàn)初始爐溫為27℃本試驗(yàn)設(shè)計了兩種高溫受火方式, 第一種受火方式: 從室溫升溫至600℃恒溫1.0h 后, 自然冷卻至室溫, 測其殘余強(qiáng)度值和質(zhì)量損失。第二種受火方式: 按GB/T 9978- 1999 《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線( 見圖1) 升溫1.0h 爐內(nèi)平均溫度達(dá)到886.2℃后, 自然冷卻至室溫, 測其殘余強(qiáng)度值和質(zhì)量損失。試驗(yàn)照片見圖2、圖3。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

　　表4 和表5 分別是C60 普通河砂混凝土試件和C60 機(jī)制砂混凝土試件受火至600℃恒溫1h 的試驗(yàn)結(jié)果; 表6 和表7 分別是C60 普通河砂混凝

　　備注: 受火后的抗壓強(qiáng)度和受火后的質(zhì)量是指試件受火后自然冷卻至室溫后所測得的試件抗壓強(qiáng)度和試件質(zhì)量。

土試件和C60 機(jī)制砂混凝土試件按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫1h 爐內(nèi)平均溫/達(dá)到886.2℃的試驗(yàn)結(jié)果。

5 試驗(yàn)結(jié)果與討論分析

5.1 用河砂與機(jī)制砂配制的兩批混凝土在第一種受火方式( 至600℃恒溫1h 后) 下的強(qiáng)度試驗(yàn)研究根據(jù)圖4、圖5 以及表4、表5 中的數(shù)據(jù)可以看出, 對于兩批混凝土, 在經(jīng)受600℃高溫后, 其強(qiáng)度損失不十分明顯, 并且總體規(guī)律有一定不同的

地方, 具體分析如下:

　　( 1) 受火前后混凝土強(qiáng)度有所減低, 但其它總體差異很小, 平均強(qiáng)度損失只有5%, 可認(rèn)為在第一種受火方式下有較好的耐火性, 基本不會對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生明顯危害。

　　( 2) 說明第一種受火方式試驗(yàn)敏感性不夠, 不足以達(dá)到試驗(yàn)研究目的。

　　( 3) 從試驗(yàn)的試件上觀察, 個別摻加混雜纖維試件強(qiáng)度降低略明顯, 是由于高溫使纖維熔化產(chǎn)生混凝土細(xì)微缺陷所致。

　　( 4) 在這種受火方式下, 未摻纖維機(jī)制砂混凝土已初步表現(xiàn)出耐火性低于摻加纖維機(jī)制砂混凝土。其強(qiáng)度下降相對比較明顯達(dá)到了11%和13%以上。

5.2 用河砂與機(jī)制砂配制的兩批混凝土在第二種受火方式( 至886℃恒溫1h 后) 的試驗(yàn)研究

　　根據(jù)圖6、圖7 以及表4、表5 中的數(shù)據(jù)可以看出, 對于兩批混凝土, 在經(jīng)受800℃以上高溫

后, 其強(qiáng)度損失明顯, 平均強(qiáng)度損失達(dá)到了50%,并且摻合料及纖維對混凝土的影響總體規(guī)律相似,具體分析如下:

　　( 1) 在不摻纖維的混凝土中, 摻入復(fù)合摻合料, 起不到改善混凝土耐火性的目的。其強(qiáng)度損失和基準(zhǔn)混凝土一樣。

　　( 2) 加入纖維的混凝土, 耐火性能有明顯的改善, 普通河砂混凝土平均提高了29%, 機(jī)制砂混凝土平均提高了40%。

　　( 3) 摻混雜纖維的混凝土比單纖維的混凝土耐火效果好, 并且三種單獨(dú)的纖維效果基本一致, 無明顯區(qū)別, 相差5%以內(nèi)。普通河砂混凝土單摻一種纖維平均強(qiáng)度損失為51%, 摻入混和纖維平均強(qiáng)度損失為39%, 較單摻提高12%; 機(jī)制砂混凝土單摻一種纖維平均強(qiáng)度損失為47%, 摻入混和纖維平均強(qiáng)度損失為29%, 較單摻提高18%。

　　( 4) 摻加混雜纖維的混凝土, 受火后強(qiáng)度比未摻纖維的混凝土提高約20%以上。

　　( 5) 在800℃高溫下對機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度影響較大, 不摻纖維的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度損失比河砂混凝土大4%左右。但是摻入纖維以后, 對機(jī)制砂混凝土的改善作用明顯好于普通砂混凝土, 強(qiáng)度損失較河砂混凝土平均小7%。由此看來, 機(jī)制砂混凝土對高溫和相對應(yīng)的改善措施都比較敏感。

5.3 C60 混凝土試件高溫受火后的質(zhì)量損失研究分析

5.3.1 C60 普通砂混凝土在兩種受火方式下的質(zhì)量損失

　　從圖8、圖9 并結(jié)合表6、表7 中可以看出,對于兩批混凝土, 在經(jīng)受600℃與800℃以上高溫后, 其強(qiáng)度損失的規(guī)律與受火后強(qiáng)度變化規(guī)律類似, 具體分析如下:

　　( 1) 在第一種受火方式下, 其質(zhì)量損失總體上變化很小, 平均重量損失2.8%; 而在第二種受火

方式下, 其質(zhì)量損失總體上較大, 平均質(zhì)量損失達(dá)到了27.2%。

　　( 2) 在受火比較嚴(yán)厲的第二種受火方式下, 無纖維混凝土質(zhì)量損失較大, 有纖維混凝土質(zhì)量損失相對較小;

　　( 3) 在第二種受火方式下, 混雜纖維混凝土的質(zhì)量損失要小于單摻纖維混凝土。

　　( 4) 第一種受火方式中所有混凝土試件沒有發(fā)生爆裂現(xiàn)象; 第二種受火方式引發(fā)混凝土試件有不同程度的爆裂。

　　( 5) 與普通河砂混凝土相比, 機(jī)制砂混凝土受火后的質(zhì)量損失比河砂混凝土的大, 平均大于7%。如同對強(qiáng)度影響一樣。

6 主要結(jié)論

　　( 1) 按《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》( GB/T9978—1999) , 在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫1h、爐內(nèi)平均溫度為886.2℃的情況下, 摻加鋼纖維或和合成纖維可明顯減少C60 高強(qiáng)普通砂混凝土和機(jī)制砂混凝土受火后強(qiáng)度的損失, 從而改善耐火性能。

　　( 2) 單摻纖維的C60 高強(qiáng)混凝土受火后強(qiáng)度較未摻纖維混凝土有明顯提高, 機(jī)制砂混凝土提高31%, 而普通河砂混凝土提高23%。

　　( 3) 對于C60 高強(qiáng)機(jī)制砂和普通河砂混凝土而言, 摻加混和纖維, 對改善耐火性有明顯提高,比單摻平均可以提高12%~18%以上。

　　( 4) 摻加纖維機(jī)制砂混凝土受火后質(zhì)量變化規(guī)律與強(qiáng)度變化規(guī)律基本類同。

　　( 5) 在標(biāo)準(zhǔn)升溫1h 爐內(nèi)平均溫度886.2℃情況下, 混凝土有出現(xiàn)爆裂破壞的明顯現(xiàn)象。

　　( 6) 對于C60 普通河砂混凝土而言, 從室溫升溫到600 ℃并恒溫1h, 對混凝土強(qiáng)度沒有明顯的影響; 對于C60 機(jī)制砂混凝土而言, 如果不添加纖維, 其強(qiáng)度下降會達(dá)到10%以上, 如添加了纖維, 則強(qiáng)度損失不明顯。

　　( 7) 機(jī)制砂混凝土在采取了添加了纖維改善耐火性的措施以后, 在886.2℃高溫下, 雖然強(qiáng)度損失比河砂混凝土的大, 但是強(qiáng)度損失卻小于河砂混凝土。

　　從以上的分析和結(jié)論中得出, 用機(jī)制砂配制的C60 高強(qiáng)混凝土其高溫耐火性比河砂配制的高強(qiáng)混凝土敏感, 但是, 在加入了纖維以后, 其耐火性能比河砂混凝土得到明顯的提高, 通過本研究, 為云南昆明地區(qū)機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土找到了有效改善提高耐火性能的措施。

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