納米SiO2纖維增強(qiáng)混凝土高溫后性能

李 晗，高丹盈，邵 洛

（1.鄭州大學(xué) 新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南 鄭州 450002；2.濱州恒達(dá)黃河水利工程維修養(yǎng)護(hù)有限公司，山東 濱州 256618）

當(dāng)混凝土建筑結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)高溫時(shí)，其穩(wěn)定性和安全性受到影響，對人員生命財(cái)產(chǎn)造成損害.已有研究表明[1-8]，混凝土中摻入鋼纖維和聚丙烯纖維能有效改善混凝土高溫性能.納米材料具有小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)等方面具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的特征，應(yīng)用在混凝土中起到納米填充和納米增強(qiáng)的作用，改善混凝土中界面過渡區(qū)性能，優(yōu)化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，增加抗?jié)B透性，控制混凝土中鈣的溶出，有效防止混凝土的各種劣化，提高傳統(tǒng)混凝土材料性能[9-15].

已有的對于摻加納米材料和纖維混凝土的研究大多為常溫時(shí)的基本力學(xué)性能方面，對其高溫性能的研究較少.為此，本文研究了鋼纖維和納米SiO2對混凝土在不同高溫后的抗壓、劈拉和抗折強(qiáng)度及其高溫后變形性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)以鋼纖維體積率和納米SiO2摻量（納米材料取代水泥量）為主要參數(shù)，設(shè)計(jì)了7種配合比，見表1.試塊制作時(shí)，采用P O42.5硅酸鹽水泥，級(jí)配良好的中砂，粒徑5～20 mm級(jí)配連續(xù)的石灰?guī)r碎石，JKH-1型粉狀高效減水劑.鋼纖維為鋼錠銑削型AM i04-32-600，長徑比34.32，抗拉強(qiáng)度 700MPa.為緩解混凝土高溫爆裂，摻入適量束狀單絲的聚丙烯纖維（PPF），長約19mm，直徑48 m，比重0.91，熔點(diǎn)160℃，抗拉強(qiáng)度276MPa.采用的納米二氧化硅（Nano-SiO2，簡稱NS）為VK-SH30白色粉末狀，雜質(zhì)含量lt;0.5%，平均粒徑30 nm，比表面積 (200±10)m2/g，表觀密度40～60 g/L，燒失量 1%（m/m），pH值5.0～7.0.拌合用水為自來水.

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

測定立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度采用邊長150mm的立方體試塊，測定抗折強(qiáng)度用100mm×100mm×400mm的梁式試塊.試塊澆筑時(shí)，為使納米材料和纖維均勻分散于拌合物中，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合并規(guī)范投料和攪拌順序.拌合前，先將水泥、納米材料和減水劑充分混勻.攪拌機(jī)潤濕后，加入粗細(xì)骨料，干拌1min，接著加入水泥、納米材料和減水劑的混合物，再攪拌1m in.然后沿?cái)嚢铏C(jī)作業(yè)面均勻撒入鋼纖維和聚丙烯纖維，攪拌30 s.隨后加水濕拌1min出料.試塊在振動(dòng)臺(tái)上密實(shí)成型，在（20±5）℃的室內(nèi)靜置24 h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出自然干燥；然后將試塊放在爐內(nèi)溫度可自動(dòng)控制的箱式電阻爐中加熱，升溫速率3.3℃/min，達(dá)目標(biāo)溫度200℃、400℃、600℃、800℃后恒溫180m in，自動(dòng)關(guān)機(jī)停止加熱，試塊隨爐冷卻至室溫.對于高溫后的試塊，參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和 CECS 13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，在WHY-3000全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn).劈拉荷載-橫向變形試驗(yàn)裝置及方法參照文獻(xiàn) [16-17]進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓性能

由圖1可知，隨溫度升高，各組抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且與溫度關(guān)系呈現(xiàn)出基本一致的特征：200℃后抗壓強(qiáng)度略有降低，殘余強(qiáng)度相對值（高溫后強(qiáng)度,與常溫時(shí)強(qiáng)度 之比,/ 稱為殘余強(qiáng)度相對值， 為混凝土經(jīng)歷最高溫度）均大于90%；400℃后仍具有較好的抗壓強(qiáng)度，600℃后抗壓強(qiáng)度持續(xù)降低，殘余強(qiáng)度相對值在60～80%；800℃后抗壓強(qiáng)度降低較快.

高溫后復(fù)合摻加纖維和納米材料時(shí)的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于單摻纖維或納米材料的抗壓強(qiáng)度.復(fù)合摻加時(shí)抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的增大呈增大趨勢，摻入 NS高溫后抗壓強(qiáng)度有一定程度提高.400℃高溫后，摻0.5%（SF05），1%（SF1）和1.5%（SF15）鋼纖維抗壓強(qiáng)度較不摻鋼纖維時(shí)（NS）分別提高了14.4%，29.9%和19.3%，摻0.5%（NS05），1%（SF1）和2%NS（NS2）抗壓強(qiáng)度較不摻NS時(shí)（SF）分別提高了6.4%，11.5%和2.4%；600℃高溫后，鋼纖維體積率1.0%（SF1）抗壓強(qiáng)度較不摻纖維時(shí)（NS）提高了44.0%，殘余抗壓強(qiáng)度相對值提高了20.6%.依據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，鋼纖維最優(yōu)摻量為1%，NS摻量1%時(shí)對高溫后的抗壓強(qiáng)度增益效果顯著.

2.2 劈拉性能

由圖2、圖3可知，高溫后劈拉強(qiáng)度隨溫度升高明顯降低，400℃前強(qiáng)度損失較少，400℃后損失加劇.與其他摻加鋼纖維系列相比，高溫后單摻1%NS時(shí)（NS系列）的劈拉強(qiáng)度最低，可見在混凝土中摻入鋼纖維能有效提高混凝土高溫后的劈拉強(qiáng)度.復(fù)合摻加纖維和納米材料時(shí)，隨鋼纖維和納米材料摻量的增大呈增大趨勢，400℃高溫后摻0.5%（SF05），1%（SF1）和1.5%（SF15）鋼纖維劈拉強(qiáng)度較不摻鋼纖維時(shí)（NS）分別提高了10.8% ，38.1%和36.3% ；摻0.5%（NS05），1%（SF1）和2%NS（NS2）劈拉強(qiáng)度較不摻 NS（SF）時(shí)提高了12.0%，25.8%和5.9%；摻1%鋼纖維和1%NS時(shí)高溫后劈拉強(qiáng)度最優(yōu).單摻1%NS在常溫及400℃高溫后，試塊劈裂加載時(shí)一開即裂，劈拉荷載-橫向變形曲線無下降段.摻入鋼纖維改變了劈拉破壞形態(tài)，開裂后跨裂縫鋼纖維起到阻裂增強(qiáng)作用，劈拉荷載變形曲線較為完整，下降段平緩.相同目標(biāo)高溫后，復(fù)合摻加1%鋼纖維和1%NS（SF1系列）的劈拉強(qiáng)度和變形性能均明顯優(yōu)于單摻1%鋼纖維（SF系列）或1%NS（NS系列）時(shí).

2.3 抗折性能

由圖4、圖5可知，高溫后抗折強(qiáng)度隨溫度升高明顯降低.400℃高溫后殘余抗折強(qiáng)度約為常溫時(shí)的50%，800℃高溫后抗折強(qiáng)度損失率大于80%.摻入纖維和納米材料，常溫和高溫后抗折強(qiáng)度均得到一定程度的改善.600℃高溫后，摻0.5%（SF05），1%（SF1）和1.5%（SF15）鋼纖維抗折強(qiáng)度較不摻鋼纖維（NS）時(shí)分別提高了11.9%，84.8%和76.6%；摻0.5%（NS05），1%（SF1）和2%（NS2）NS抗折強(qiáng)度較不摻NS（SF）時(shí)提高了16.6%，78.7%和9.8%.常溫時(shí)單摻1%NS（NS系列），即未摻鋼纖維梁式抗折試塊破壞時(shí)一裂即斷，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，在受荷達(dá)峰值荷載前撓度較小，荷載-撓度曲線沒有下降段；摻入鋼纖維后，試塊表現(xiàn)出較好的韌性，峰值荷載提高，荷載-撓度曲線飽滿.由于高溫劣化作用，峰值荷載明顯降低，試塊脆性降低，峰值荷載對應(yīng)撓度較常溫時(shí)增大，隨撓度不斷增大，峰值后承載力逐漸減小，下降段逐漸平緩.

3 結(jié)論

1）抗壓強(qiáng)度在400℃前下降緩慢，400℃后下降較快，劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨溫度升高明顯下降.

2）復(fù)合摻加纖維和納米材料，抗壓、劈拉和抗折強(qiáng)度隨鋼纖維體積率增大呈增大趨勢，摻入納米 SiO2各強(qiáng)度指標(biāo)均有一定程度的提高.

3）摻入鋼纖維改善了劈拉和抗折破壞形態(tài)，跨裂縫鋼纖維起到阻裂增強(qiáng)作用，變形曲線完整飽滿，下降段平緩.復(fù)合摻加鋼纖維和納米SiO2劈拉和抗折變形性能均優(yōu)于單摻鋼纖維或納米SiO2.

[1]高丹盈，李晗，楊帆.聚丙烯-鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土高溫性能 [J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013，30（1）：187-193.

[2]董香軍.纖維高性能混凝土高溫、明火力學(xué)與爆裂性能研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[3]Abdul-Hamid JAl-Tayyib，MesferM A l-Zahrani.Use of polypropylene fibers to enhance deterioration resistanceof concrete surface skin subjected to cyclicwet/dry seawaterexposure[J].ACIMaterials Journal，1990，87（4）：363-370.

[4]Peng Gaifei，Bian Songhua，Guo zhanqi，et al.Effect of thermal shock due to rapid cooling on residualmechanical properties of fiber concrete exposed to high temperatures[J].Construction and Building Materials，2008，22（5）：948-955.

[5]Chern JC，Yang H J，ChenHW.Behaviorofsteel fiber reinforced concrete inmultiracial loading[J].ACIMaterials Journal，1993，89（1）：32-40.

[6]Balaguru P.Contribution of fibers to crack reduction of concrete composites during the initial and final setting period[J].ACIMaterials Journal，1994，91（3）：280-288.

[7]HolschemacherK，Mueller T，Ribakov.Effectofsteel fibersonmechanicalpropertiesofhigh-strength concrete[J].Materialsand Design，2010，31（5）：2604-2615.

[8]Wang Z，Liu Y，Shen R.Stress-strain relationship of steel fiber-reinforced concrete under dynamic compression[J].Construction and Building Materials，2008，22（5）：811-819.

[9]Sobolev K，F(xiàn)errada-GutiérrezM.How nanotechnology can change the concreteworld:Part1[J].American Ceram ic Society Bulletin，2005，84（10）：7-14.

[10]Tao Ji.Preliminary study on thewater permeability andmicrostructure of concrete incorporating nano-SiO2[J].Cementand Concrete Research，2005，35（10）：1943-1947.

[11]Jo BW，Kim C H，Tae G H，etal.Characteristicsof cementmortarw ith nano-SiO2particles[J].Construction and Building Materials，2007，21（6）：1351-1355.

[12]Chong K P，GarbocziEJ.Smartand designerstructuralmaterialsystems[J].Progressin StructuralEngineeringandMaterials，2002，4（4）：417-430.

[13]Gaitero JJ，Campillo I，Guerrero A.Reduction of the calcium leaching rate of cement paste by addition of silica nanoparticles[J].Cementand Concrete Research，2008，38（8）：1112-1118.

[14]Jennings H M，Bullard JW，Thomas JJ，etal.Characterization andmodeling of poresand surfaces in cementpaste:correlations to processing and properties[J].Journalof Advanced Concrete Technology，2008，6（1）：5-29.

[15]Qing Y，Zenan Z，LiS，etal.A comparativestudy on thepozzolanicactivitybetweennano-SiO2and silica fume[J].JournalofWuhan University of Technology Materials Science Edition，2008，21（3）：153-157

[16]高丹盈，趙軍，湯寄予.摻有纖維的高強(qiáng)混凝土劈拉性能試驗(yàn)研究 [J].土木工程學(xué)報(bào)，2005，38（7）：21-26.

[17]湯寄予，高丹盈，趙廣田.鋼纖維高強(qiáng)砼劈拉強(qiáng)度-變形曲線的測試技術(shù) [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：23-24.