相比较普通混凝土, 轻骨料混凝土由于具有自重轻、相对强度高、保温隔热、耐火、抗疲劳、抗冻、抗震等优良特点, 被广泛用于实际工程中^[1]。在轻骨料混凝土中加入纤维, 能够有效改善混凝土的工作性能, 使混凝土的破坏形式由脆性破坏变为塑性破坏^[2]。

　　 对于冻融和高温二因素分别作用下陶粒混凝土力学性能, 国内外已有较多的试验和理论研究。但针对冻融和高温二因素叠加作用下纤维陶粒混凝土的相关力学性能分析研究还较为贫乏, 没有更为深入系统的分析和完整的结论。然而实际工程中的大多数混凝土结构处于更为复杂环境条件下。在我国北方寒冷地区, 建筑物长期遭受冻融作用, 一些冶金和化工企业以及排放高温烟气的烟囱等建筑还会受到高温作用, 其建筑内部温度可达200~300℃甚至到500~600℃, 在发生火灾事故的情况下, 建筑结构在短时间内温度可达1 000℃以上^[3], 受冻融循环作用混凝土的力学性能和耐久性已经发生劣变, 这些建筑物一旦遭受火灾, 在高温作用下安全性能将会受到很大冲击。此外, 由于火灾后混凝土构件和结构的剩余力学性能主要与构件内部各点经历的最高温度有关。因此, 对于受冻融循环作用纤维陶粒混凝土的基本力学性能随温度的变化规律, 以及如何有效防止冻融循环和高温作用下陶粒混凝土爆裂的研究, 对于纤维轻骨料混凝土结构的火灾反应分析及灾后损伤评估与修复有重要的意义。

　　 本文试验首先对试块进行冻融循环作用, 再进行不同水平的高温作用, 通过掺入塑钢纤维和聚丙烯腈纤维的陶粒混凝土与未掺入纤维的陶粒混凝土进行对比, 观测试块表面及内部破坏特征, 分析抗压强度和劈裂抗拉强度以及棱柱体残余抗压强度变化规律。研究受冻融循环影响纤维陶粒混凝土高温后力学性能。

　　 试验采用椭球形淤泥质高强陶粒作为粗骨料, 堆积密度为680kg/m³;细骨料采用普通中砂, 堆积密度为1 450kg/m³;水泥采用P·O 32.5级复合硅酸盐水泥;并掺入粉煤灰以及纤维。纤维选用塑钢纤维 (HPPF) 和聚丙烯腈纤维 (PANF) , 具体参数见表1。试块配合比见表2。试验所用冻融装置为CABR-HDK9型混凝土快速冻融机, 采用WAW-600C型60T液压伺服控制压力机进行试块力学性能测试。烘干装置为功率2 200k W的101-1型电热恒温鼓风干燥箱, 加热设备为GWM-1100型, 装机功率为60k W的电加热高温试验炉, 所用的热电耦为WRKK-103-Φ1.5×1 000+2m的铠装热电耦。

　　 按照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》 (GB/T 50082—2009) 的快冻法进行冻融试验, 冻融前将试块放在常温水中浸泡, 保证内部处于饱水状态。冻融循环次数为25次, 每次冻融与融化时间分别控制在3~4h和1h左右, 试件中心温度分别控制在-17.5℃和7.5℃。高温试验采用分阶段升温方式, 设置初始炉温为100℃, 当试块中心温度达到100℃时, 持续30min后将炉温升高50℃, 依次升温到设计温度 (200, 400, 600, 800℃) 。保持设计温度作用30min后自然冷却至室温。待高温作用结束后, 对试块进行相应力学性能试验。

　　 试验共制作立方体试块 (尺寸为100×100×100) 180件, 棱柱体试块 (尺寸为100×100×100) 90件。根据未掺入纤维和分别掺入塑钢纤维和聚丙烯腈纤维, 以及冻融与否将试块分为6组。

　　 冻融作用后试块表面及内部已经出现了较为明显的变化, 然后进行高温作用, 在高温加热条件下, 周围温度骤变形成的热压与较大的温度梯度, 以及混凝土中自由游离水蒸发形成的蒸汽压、水化产物分解、纤维的熔化都会对试块造成进一步的损伤, 通过试验过程中试块表面及内部变化进行观察分析, 以棱柱体试块表面和立方体试块内部变化为例说明。

　　 从图1看出, 随着温度的逐步升高, 试块表面的裂缝越来越密集, 相比较LC, HPPF和PANF的掺入, 在20~400℃内, 抑制了裂缝的扩展, 这是由于纤维的增强机理所导致的。对比三种试块经历冻融循环后高温作用下表面特征变化, 可以看到, 冻融后, 试块表面裂缝数量明显减少, 裂缝宽度明显缩小, 表面没有明显的爆裂和剥落现象。这可能是由于经过冻融循环试验之后, 基质内部形成的毛细孔道在高温时为残余水分的蒸发提供了疏散的通道, 降低了蒸汽压力和热压对机体的损害所致。

　　 由图2分析得出:随着温度的升高, 三种试块水泥基质部分颜色由20℃下的深灰色变为青灰色, 再变为浅白色, 试块基本可以保持其完整性, 只在边角部分有少许破损。加入纤维的陶粒混凝土中, 纤维达到熔点时即熔化消失, 随机在基质区域留下孔洞。冻融循环后, 基质部分酥裂明显。

　　 冻融和高温作用影响后, 陶粒混凝土立方体残余抗压强度试验结果如表3所示, 与未受冻融和高温作用的立方体残余抗压强度进行归一化处理后结果见表4和图3。由图3分析得出:

　　 (1) 在20~200℃范围内, 无论冻融与否, 三种陶粒混凝土的立方体残余抗压强度变化较接近, 均随温度升高逐渐降低。

　　 (2) 经冻融循环后, LC和LCA的残余抗压强度明显低于未经冻融循环作用残余抗压强度, 但经冻融循环后的LCH残余抗压强度要高于未经冻融循环残余抗压强度。这从侧面证明HPPF的掺入对于经冻融循环作用的陶粒混凝土残余抗压强度有较为明显的增强作用。

　　 (3) 经冻融循环后, 当温度在200~500℃之间时, LCH的残余抗压强度高于LCA;当温度在500~800℃之间时, 却出现相反的结果, 残余抗压强度下降缓慢, 但二者的残余抗压强度依旧均低于无纤维陶粒混凝土。达到800℃时, LCH, LCA和LC的立方体残余抗压强度分别为20℃下的39%, 38%和37%, 三者并无明显差异, 此时纤维的连接作用并未得到明显的发挥。但掺入纤维的混凝土试块受压破坏时缓慢压碎, 没有明显的碎裂响声, 未崩出混凝土碎屑。这是由于纤维的掺入使混凝土内部形成网状结构, 有效抑制了混凝土的脆性崩裂。

　　 采用最小二乘法对冻融循环和高温作用后的LC以及分别掺入纤维HPPF和PANF的陶粒混凝土立方体残余抗压强度试验数据进行拟合, 可以得出:

　　 LC陶粒混凝土:

　　 LCH陶粒混凝土:

　　 LCA陶粒混凝土:

　　 式中f_cu (T) , f_cu分别为冻融循环作用后高温和常温 (20℃) 状态下的立方体抗压强度。

　　 冻融和高温作用影响后, 陶粒混凝土立方体残余劈裂抗拉强度试验结果如表5所示, 与未受冻融和高温作用的立方体残余劈裂抗拉强度进行归一化处理后结果见表6和图4, 由图4分析得出:

　　 (1) 未经冻融循环作用, 掺入PANF, 在20~800℃范围内, 陶粒混凝土的劈裂抗拉强度均有所提高, 尤其在20~400℃范围内, PANF的掺入对劈裂抗拉强度的增强作用最为明显, 分别提高了21%, 14%和7%。这是因为混凝土基体内部存在不同尺寸的微裂纹, 纤维的掺入能够有效阻止这些微裂纹的开展, 从而抑制裂缝的引发和扩展^[4]。

　　 (2) 经过冻融循环作用后, 三种试块的劈裂抗拉强度变化趋势较为平缓, 这可能是因为在受冻结冰的过程中, 乱向分布的纤维抑制了水泥浆体中微小冰体的生成, 缓解了混凝土降温过程中的静水压力和渗透压力, 进而相对提高了混凝土的抗拉能力^[5]。高温作用下, 掺入纤维的陶粒混凝土残余劈裂抗拉强度下降较为明显, 原因是HPPF和PANF熔点较低, 当试块芯温超过600℃时, HPPF和PANF组织基本蒸发逸出, 混凝土内部出现较多空隙, 纤维的阻裂作用消失。

　　 采用最小二乘法对冻融循环和高温作用后的LC以及分别掺入纤维HPPF和PANF的陶粒混凝土的残余劈裂抗拉强度试验数据进行拟合, 可以得出:

　　 LC陶粒混凝土:

　　 LCH陶粒混凝土:

　　 LCA陶粒混凝土:

　　 式中f_t (T) , f_t分别为冻融循环后作用后高温和常温 (20℃) 状态下的立方体残余劈裂抗拉强度。

　　 参照普通混凝土力学性能试验方法标准^[6], 对棱柱体抗压强度试验所得的荷载和变形试验数据进行统一筛选, 并归一化处理, 得LC, LCH与LCA棱柱体残余抗压强度。整理数据绘制成图5所示曲线, 由图5分析得出:

　　 (1) 经过冻融循环作用后, 三种陶粒混凝土的棱柱体残余抗压强度值明显减小, 但是相比未经冻融循环作用, 冻融循环后的残余抗压强度值随温度升高变化的曲线下降更为平缓。分析其原因, 虽然冻融循环作用对陶粒混凝土的弹性模量有不利影响, 但是另一方面, 因为在受冻结冰的过程中, 乱向分布的纤维能够阻止或抑制水泥浆体中微小冰体的生成, 缓解了混凝土降温过程中的静水压力和渗透压力, 从而使得陶粒混凝土抵抗变形的能力有所增强。

　　 (2) 未受冻融循环作用, 20~500℃范围内, LCA的棱柱体残余抗压强度值明显高于其他二者;500~800℃范围内, 三者变化趋势类似。冻融循环后, LCH和LCA棱柱体残余抗压强度值随温度升高的变化曲线较LC平缓。可见, 纤维的掺入对于经冻融循环作用后的陶粒混凝土的抗高温性能有一定的改善作用, 这可能是由于乱向分布的纤维填补了陶粒与水泥基质间的孔隙, 避免贯通微裂缝的产生和发展, 同时纤维自身的弹性模量较小, 在受压过程中起到一定的缓冲作用^[7]。

　　 (1) 冻融循环作用后陶粒混凝土表面出现了劣化, 在不同的温度水平作用下, 三种陶粒混凝土相应的力学性能变化趋势有较为明显的区别, 纤维的掺入在200~400℃温度范围内对裂缝的开展有较为明显的抑制作用, 超过400℃后, 纤维达到熔点熔化消失, 抑制作用随之丧失。相对于其他两组无纤维 (LC) 、掺入塑钢纤维 (HPPF) 混凝土, 聚丙烯腈纤维 (PANF) 的掺入对于陶粒混凝土的抗冻性能有较为明显的增强作用。

　　 (2) 冻融循环作用后, 随着温度的升高, 水泥基质部分的颜色由深灰色变为青灰色, 再变为浅白色。掺加纤维的混凝土基质区域由于纤维达到熔点后熔化而留下较为明显的孔洞, 孔隙增多增大。

　　 (3) 无论冻融与否, 三种陶粒混凝土的立方体残余抗压强度变化均相近, 随着温度升高而降低。LCH经冻融循环后的残余抗压强度要明显高于未经冻融循环作用的陶粒混凝土, 说明HPPF的掺入对于经冻融循环试验的陶粒混凝土的残余抗压强度有较为明显的增强作用。

　　 (4) 未经冻融循环作用, 20~800℃范围内, 纤维的渗入能够有效提高陶粒混凝土的残余劈裂抗拉强度。在20~400℃范围内, PANF的掺入对残余劈裂抗拉强度的增强作用最为明显。经过冻融循环作用后, 纤维对陶粒混凝土残余劈裂抗拉强度的增强作用减弱。

　　 (5) 经过冻融循环后, 在20~400℃范围内, 三组陶粒混凝土的棱柱体残余抗压强度较大, 且掺入纤维的陶粒混凝土的棱柱体残余抗压强度较无纤维掺入的陶粒混凝土大;超过400℃后, 三者的棱柱体残余抗压强度接近, 且随温度的升高, 棱柱体残余抗压强度值基本成直线。