自密實(shí)混凝土高溫材料的宏觀性能研究

自密實(shí)混凝土高溫材料的宏觀性能研究

隨著高性能混凝土的廣泛應(yīng)用，其性能研究越來越受到重視。目前，國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一是高性能混凝土的高溫性能。在高溫下，高性能混凝土比普通混凝土更容易開裂。爆炸的本質(zhì)上是一種脆弱的破壞。大量的能量釋放使混凝土大面積坍塌，并使鋼筋在高溫下盡快暴露在原油環(huán)境中，失去結(jié)構(gòu)功能。結(jié)構(gòu)本身也面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，它們給人類的生活和財(cái)產(chǎn)損失。對高性能混凝土爆裂現(xiàn)象的研究,國內(nèi)外開展得較為廣泛.目前主要集中于各品種高性能混凝土的結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的高溫試驗(yàn),方法上仍基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的思路,以期總結(jié)影響爆裂現(xiàn)象的各種因素并加以量化,最后推廣至工程應(yīng)用.當(dāng)前,國內(nèi)外公認(rèn)的預(yù)防爆裂現(xiàn)象的有效手段即在混凝土材料中添加定量的聚丙烯纖維.對添加聚丙烯纖維后混凝土材料的力學(xué)和熱學(xué)性能,由于測量方法的不同,其結(jié)果有所區(qū)別.Kalifa通過量測聚丙烯纖維混凝土材料中的孔隙壓力,發(fā)現(xiàn)添加纖維后材料內(nèi)部的孔隙壓力大幅度降低.在對大量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后,BertilPersson得出了在室內(nèi)自密實(shí)混凝土中采用0.7kg·m-3,在室外自密實(shí)混凝土中采用1.4kg·m-3的聚丙烯纖維就足以抑止爆裂的發(fā)生的結(jié)論.至于升溫過程中聚丙烯纖維的作用機(jī)理,大多研究者認(rèn)為纖維熔解后,能提供附加的孔隙和通道,從而材料內(nèi)部的水氣能得以有效散失,隨即材料內(nèi)部的孔隙壓力得以降低.然而目前對高溫下聚丙烯纖維作用機(jī)理仍停留在感性認(rèn)識和假定上,缺乏其作用的明證,從而給進(jìn)一步工程運(yùn)用設(shè)置了難題.筆者通過研究不同纖維摻量自密實(shí)混凝土高溫情況下的宏微觀性能,探討高溫時(shí)材料內(nèi)部的物理化學(xué)變化,以及不同溫度狀況下由微觀結(jié)構(gòu)變化所帶來的宏觀性能變化.試驗(yàn)中,待試樣進(jìn)行不同的高溫處理過后,采用汞壓力測孔法和掃描電鏡對材料進(jìn)行微觀性能研究,并量測了高溫后材料的氣滲性能.同時(shí),聚丙烯纖維的作用機(jī)理也得到了探討.試驗(yàn)結(jié)果表明,纖維熔解能改善材料內(nèi)部孔隙的連通性能,從而提高材料的氣滲性能,降低了材料內(nèi)部由升溫集聚的孔隙壓力.氣滲性能的測量能作為評價(jià)纖維添加效果的有效手段.同時(shí),研究中還首次發(fā)現(xiàn)了熔解過程中聚丙烯纖維的工作機(jī)制,將有助于進(jìn)一步的相關(guān)研究.1試驗(yàn)過程1.1試驗(yàn)材料及試件制備試驗(yàn)過程中采用自密實(shí)混凝土高性能混凝土,所采用的水泥為波特蘭水泥.對自密實(shí)混凝土,采用石灰石作為填充料.表1列出了水泥和石灰石的化學(xué)組成.試驗(yàn)中采用聚丙烯纖維性質(zhì)如表2所示.試驗(yàn)中采用了三種不同纖維含量的自密實(shí)混凝土,即分別為0,0.5,1.0kg·m-3,或0%,0.75%和1.50%的體積分?jǐn)?shù).為達(dá)到同樣的工作性能,不同纖維含量的自密實(shí)混凝土中采用了不同含量的添加劑.為避免考慮骨料對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響,采用與混凝土同配比的水泥漿體作為試驗(yàn)對象.材料配比詳見表3.試件澆搗時(shí),先將水泥和石灰石加水低速攪拌2min,隨后加入添加劑高速攪拌3min.澆搗完畢后,將水泥漿置于塑料模具中4h,隨后用鋁紙將試件密封以防試件內(nèi)的水分散失,并將試件置于溫度20℃,濕度60%中養(yǎng)護(hù)28d.1.2水化水護(hù)理待試件養(yǎng)護(hù)28d后,用升溫速率為每分鐘10℃的電爐將試件加熱至指定溫度.所設(shè)定的溫度及其原則如下:(1)130℃,100～130℃對應(yīng)著吸附水的揮發(fā);(2)200℃,大部分水化水散失;(3)300℃和400℃,屬爆裂易發(fā)溫度區(qū)間及對應(yīng)凝膠水的散失;(4)500℃,氫氧化鈣開始分解.升溫時(shí),當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到指定溫度后,繼續(xù)保持爐內(nèi)溫度8h以確認(rèn)試件內(nèi)部溫度達(dá)到均勻分布.之后,試件自然降溫至105℃并置于密封罐內(nèi)以避免試件再次水化.待溫度降至20℃后將試件取出進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).2試驗(yàn)設(shè)備2.1試樣圖像和加速電壓.采用相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)和成像系統(tǒng),使電子束在物體上逐點(diǎn)掃描,并通過監(jiān)測和處理所激發(fā)出來的信息,得到相關(guān)的圖像.試樣采用背射電子模式來獲取圖像.為獲取高對比度的圖像,采用20kV的加速電壓.在放大500倍的情況下,圖像尺寸長263μm,寬186μm;大小為1728像素×1027像素,故而其分辨率為每像素0.152μm.2.2壓力p與孔隙半徑r的關(guān)系汞壓力測孔法是目前常用的測量材料孔隙分布的方法.該方法假定材料內(nèi)部的孔隙為圓柱體,當(dāng)水銀被壓入多孔材料內(nèi)時(shí),水銀的半徑即為孔隙半徑,侵入壓力p和孔隙半徑r的關(guān)系如下所示:p=?2σcos(θ)/r(1)p=-2σcos(θ)/r(1)其中:σ為表面張力;θ為接觸角.水銀的表面張力為480mN·m-1,接觸角為140°.試驗(yàn)中采用PMI公司的自動測孔儀.該儀器所能達(dá)到的最大壓力為420MPa.為避免高壓對微觀結(jié)構(gòu)的損害,試驗(yàn)中的壓力上限為211MPa.據(jù)式(1),此壓力下所能達(dá)到的最小半徑為0.0069μm.2.3氣滲系數(shù)的計(jì)算氣滲性能測量時(shí),將氧氣以固定的壓力壓入受圍壓的試件底部,通過量測試件頂部的氣流來反映氣滲性能.試驗(yàn)所采用的圍壓為0.7MPa.圖1給出了專用試驗(yàn)儀器的相片.待通過試樣的氣流穩(wěn)定后,采用修正的達(dá)西定律來計(jì)算有效氣滲系數(shù)keffggeff(m2),如下所示:keffg=2μgLp2Q/(A(p21?p22))(2)kgeff=2μgLp2Q/(A(p12-p22))(2)其中:μg為氣體的動態(tài)粘質(zhì)系數(shù),kg·m-1·s-1;L為試件的高,m;A為試件的截面積,m2;Q為壓力p2下的氣流速度,m3·s-1;p1為底端壓力,Pa;p2為頂部壓力,Pa.3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1混凝土的爆性當(dāng)SCCPPPF0試樣升溫至500℃時(shí),爆裂現(xiàn)象發(fā)生.重復(fù)試驗(yàn)時(shí),在500℃左右爆裂重復(fù)出現(xiàn).圖2給出了相關(guān)試驗(yàn)狀況.在同樣的升溫條件下,添加聚丙烯纖維的試樣沒有爆裂現(xiàn)象發(fā)生,取而代之的是貫穿性的裂縫.從試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),同其他高性能混凝土一樣,自密實(shí)混凝土也容易產(chǎn)生爆裂,有必要加強(qiáng)相關(guān)性能的研究.3.2孔隙半徑的變化隨著溫度的上升,材料內(nèi)部將發(fā)生脫水和分解反應(yīng),并進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化.圖3～5給出了汞壓力測孔法得到的不同溫度下材料孔隙變化結(jié)果.從圖3可看出隨著溫度的升高,試樣的總孔隙體積也隨之增加.圖4給出了試樣孔隙分布狀況.可以看出,在130～400℃區(qū)間內(nèi),各溫度處代表半徑(定義為孔隙體積最大時(shí)的孔隙半徑)仍處于同樣的量級,并未發(fā)生顯著變化;但各半徑處的孔隙體積隨溫度的增加而增加.文獻(xiàn)表明在該溫度區(qū)間,材料中的物理化學(xué)變化主要是毛細(xì)水、凝膠水和化學(xué)結(jié)合水的脫水,從而構(gòu)成材料微觀結(jié)構(gòu)的固相并未改變,也即是代表半徑大小仍處于同一量級而其孔隙體積不斷增加.圖5給出了各試樣在200℃處的孔隙體積.從圖中發(fā)現(xiàn),盡管有著不同的纖維含量,在纖維熔解后(171℃),其孔隙體積并未有顯著變化.從圖5可以看出,熔解后的纖維并沒提供附加的孔隙.本文中試樣纖維體積含量分別為0.75%和1.50%,而在200℃時(shí),SCCPPPF0試樣的總孔隙率為14.1%,熔解的纖維并不能提供過多的絕對孔隙.表4匯總了各試樣在各溫度處的總孔隙率和代表孔徑.可以看出400℃下,纖維的添加并不能明顯改變總孔隙率和代表孔徑.3.3聚丙烯纖維的熔解盡管聚丙烯纖維是防止爆裂的有效手段,至今為止,仍缺乏纖維工作機(jī)理的直接證據(jù).本文中通過掃描電鏡對經(jīng)不同溫度處理后的試樣進(jìn)行相關(guān)處理,以探明纖維的工作狀態(tài).圖6是經(jīng)130℃處理后的圖片,此時(shí)聚丙烯纖維并未熔解.從圖中可以看出纖維和水化產(chǎn)物粘結(jié)緊密,其間并不存在明顯的界面.圖7是經(jīng)200℃處理后的圖片,此時(shí)剛過纖維的熔點(diǎn).可以發(fā)現(xiàn).纖維熔解后將通過周邊的孔隙被漿體吸收;待完全熔解后,纖維所留下的空間將和漿體中原有孔洞組成連通的孔隙結(jié)構(gòu).圖8是經(jīng)300℃處理后的圖片.纖維熔解后,纖維附近比其他位置顯得更為稀松,纖維孔洞邊沒有大顆粒的水化產(chǎn)物,從而材料內(nèi)部原有封閉的孔隙將被纖維孔洞連接起來.該假定在三維X射線試驗(yàn)得到了證明.3.4聚丙烯纖維氣滲性能對機(jī)理的影響為比較纖維和溫度對氣滲性能的影響,文中據(jù)公式(2)計(jì)算所測量的有效氣滲系數(shù).各試樣在130℃時(shí)的氣滲性能接近,隨著溫度的升高,氣滲性能也得到改善.最為明顯的是200℃處,隨著纖維的熔解,依纖維摻量的不同,氣滲性能改善程度也有所不同.纖維摻量越大,氣滲性能提高越明顯,如圖9所示.圖10給出了相對130℃的氣滲性能.從圖中可以看出,200℃時(shí),對沒添加纖維的試樣來說,其相對滲透系數(shù)基本沒有變化;對添加纖維的試樣,可以發(fā)現(xiàn)有顯著的突變.如果以200℃的值作為相對基準(zhǔn)值,纖維的增強(qiáng)作用更能得到體現(xiàn),如圖11所示.很明顯,對有無添加聚丙烯纖維的試樣,決定其氣滲性能的機(jī)理也不盡相同.對不含纖維的試樣,300℃后,氣滲性能急劇增加;對含纖維的試樣,盡管200℃后氣滲性能有所增加,但增長緩慢,300℃后兩試樣的氣滲性能基本一致.由此可見,有兩種不同的機(jī)理可以解釋試件受熱后的氣滲性能.對不含纖維的試樣,其氣滲性能在300℃后得到提高.材料中的裂縫是氣滲提高的原因.對添加纖維的試樣,纖維的熔解無疑有助于氣滲性能的改善.添加聚丙烯纖維后,材料在200℃左右即有較高的氣滲性能.圖12給出了相對不含纖維試樣的試驗(yàn)結(jié)果.圖12更突出了纖維的作用.在200℃時(shí),添加纖維試樣的氣滲性能急劇提升.纖維含量越高,提升幅度越大.400℃后,由于大量裂縫的出現(xiàn),各試樣相對氣滲性能又處于同一等級.3.5氣滲性能的影響文獻(xiàn)中回歸出材料的氣滲性能和孔隙參數(shù)的關(guān)系,并認(rèn)為氣滲性能和壓汞法所得出的參數(shù)有很好的相關(guān)性.然而,添加纖維后,材料的孔隙體積和代表孔徑?jīng)]發(fā)生明顯的變化,上述文獻(xiàn)的方法將不再適用,需采用其他手段來衡量纖維的作用.另外一方面,氣滲性能又反映了材料孔隙的連通性能.添加纖維后材料的氣滲性能得到明顯提高,也即材料的連通性受纖維的熔解而增強(qiáng).電鏡掃描結(jié)果也證明了該結(jié)論.圖10表明不含纖維試樣在300℃后氣滲系數(shù)大幅提高,而含纖維試樣氣滲系數(shù)的增加卻不明顯.前面已提及,300℃后材料內(nèi)部微裂縫出現(xiàn)頻率增加,這也解釋了不含纖維試樣氣滲系數(shù)增長的原因.文獻(xiàn)中也給出了同樣的結(jié)論.綜上所述,材料內(nèi)部孔隙連通性是決定氣滲性能的重要因素.當(dāng)添加纖維時(shí),纖維的熔解能連通原本封閉的孔隙;對不含纖維的試樣,300℃后出現(xiàn)的微裂縫也將大幅改變材料內(nèi)部的連通性能.然而,至今為止,只能定性描述上述現(xiàn)象.為更明確纖維作用機(jī)理,需建立相關(guān)數(shù)值模型以建立孔隙連通性和氣滲性能間的關(guān)系.4聚丙烯材