鋼纖維-聚丙烯纖維混雜混凝土耐高溫性能研究

張秀芝，董青，劉輝，張國棟

（1.濟南大學材料科學與工程學院，山東濟南 250022；2.山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，山東濟南 250022；3.山東營特建設項目咨詢有限公司，山東濟南 250014）

第15屆全國纖維混凝土學術會議論文

鋼纖維-聚丙烯纖維混雜混凝土耐高溫性能研究

張秀芝1，2，董青3，劉輝1，張國棟1

（1.濟南大學材料科學與工程學院，山東濟南 250022；2.山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，山東濟南 250022；3.山東營特建設項目咨詢有限公司，山東濟南 250014）

通過對C35和C70兩個強度等級的纖維增強混凝土試件高溫試驗，研究了不同溫度后混凝土的質量損失、力學性能、表觀及微觀特征．結果表明：C70高強混凝土比C35混凝土耐高溫性能要差，其在600℃左右時會發(fā)生爆裂，而聚丙烯-鋼纖維可以有效改善混凝土的抗高溫爆裂性，使C70混雜纖維增強混凝土直至800℃未出現(xiàn)爆裂；隨所受溫度的升高混凝土的強度損失率和質量損失率均增加，但C35的強度損失率高于C70混凝土．相同溫度下，與摻加單一纖維相比混雜纖維的加入提高了混凝土高溫后強度；有機纖維高溫融化后所留下的氣孔可以卸載部分膨脹壓力，而無機纖維則在較高的溫度下使混凝土保持完整性．

聚丙烯纖維；鋼纖維；混雜纖維；高溫；力學性能；質量損失

0 引言

近年來建筑物發(fā)生火災事件屢見不鮮，給人們的生命和財產安全造成了巨大的損害．人們在關注消防安全的同時，對于建筑物火災后的性能也極為關注．作為主要建筑結構材料的混凝土，其本身并非可燃材料，但其在高溫環(huán)境中會發(fā)生一系列的物理和化學變化，導致材料的性能劣化從而影響工程的安全性，因此，對混凝土的耐高溫性能進行研究具有非常重要的現(xiàn)實意義．國內外針對高溫作用后混凝土在微觀結構組成上的改變、宏觀性能的變化以及如何提高混凝土的耐高溫力學性能等方面已經(jīng)做了大量的研究工作[1-2]．鋼纖維（SF）和聚丙烯纖維（PPF）是最常用的兩種混凝土增強纖維．有研究表明，聚丙烯纖維能有效減少或消除混凝土遭受火災高溫時的爆裂，緩解了混凝土試件的表面劣化程[3-4]．而摻入鋼纖維可以有效改善混凝土的機械強度，提高韌性，抑制裂縫的產生和發(fā)展等性能[5]，但對高強混凝土抗火性能的改善效果并不顯著．為減少混凝土遭受高溫時高強混凝土的爆裂并更加有效利用鋼纖維/高強混凝土的優(yōu)異性能，高丹盈等研究了聚丙烯纖維和鋼纖維混雜對高強混凝土高溫性能的影響[6-7]，ZhengWZ等研究了聚丙烯纖維和鋼纖維對活性粉末混凝土高溫強度的影響[8]．

雖然聚丙烯纖維和鋼纖維對混凝土都可以起到增強、增韌和阻裂的效果，但是作為不同化學組成和物理性能的兩種纖維，其在混凝土中效能發(fā)揮的程度與時間各不相同，因此可以通過兩者混雜的方法，即在不同溫度、不同時間和不同的尺寸上改善混凝土性能．本文中通過對摻有單一或混雜纖維的兩種強度混凝土進行高溫試驗，研究了溫度、纖維體積分數(shù)和混凝土基體強度對聚丙烯-鋼纖維混凝土表觀特征、質量損失及力學性能的影響．

1 實驗

1.1 原材料

水泥（C）：42.5級普通硅酸鹽水泥；礦渣：S95級，比表面積495 m2/kg；細集料：天然河砂，細度模數(shù)2. 8；粗集料：5～25mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石；減水劑：聚羧酸系高效減水劑；纖維：江蘇省建筑科學研究院生產混凝土專用聚丙烯纖維（PPF）和鋼纖維（SF），性能指標如表1．

表1 聚丙烯纖維和鋼纖維性能指標Tab.1Performance of the steel fiber and polypropylene fiber

2.2 配合比

試驗設計了C35和C70兩種強度等級的8組混凝土配合比，聚丙烯纖維（PPF）體積摻量為0.1%，鋼纖維（SF）體積摻量為0.5%，具體配合比見表2．

表2 實驗用混凝土配合比Tab.2Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

實驗按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》拌制混凝土，每組成型5組100 mm ×100 mm×100 mm尺寸的混凝土試塊，放入標準養(yǎng)護室內（溫度20℃±2℃，相對濕度95%RH以上）養(yǎng)護至規(guī)定齡期后取出晾干，分別進行20℃、200℃、400℃、600℃、800℃溫度實驗．高溫采用箱式電阻爐，400℃以下升溫速率為10℃/min，400～800℃升溫速率為5℃/min，達到目標溫度后保溫2 h后停止加熱，試件自然冷卻后，取出進行表觀顏色、裂紋分布等特征觀察并拍照、稱重、然后進行強度實驗．力學性能測試依據(jù)GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行．

2 結果與討論

2.1 纖維對混凝土高溫后力學性能的影響

混凝土作為結構材料其最重要的性能是它的抗壓強度，經(jīng)歷高溫后混凝土抗壓強度損失率變化見圖1．

圖1 混凝土高溫處理后抗壓強度損失率Fig.1Loss rate of compressive strength under elevated temperatures treatment

由圖1可以看出，不論是C35還是C70混凝土，隨著暴露溫度的增加強度下降，強度損失率增加，即混凝土暴露在高溫下性能劣化．高溫作用后混凝土強度降低是由其微觀結構變化而造成的．混凝土是由水泥石、骨料及不同尺寸的孔隙組成．混凝土被加熱后，首先在100～110℃時，毛細水等游離水脫出，然后是水化硅酸鈣凝膠體(C-S-H)中結晶水開始脫水，同時C-S-H開始產生收縮使水泥石收縮與熱膨脹相互平衡，在280～330℃時，水化鋁酸三鈣開始脫水，收縮進一步增大，在400～450℃，Ca OH2開始脫水，從而形成CaO致使收縮進一步增大．隨著脫水作用的出現(xiàn)，材料收縮的發(fā)生，材料構成也發(fā)生變化，C-S-H失水結構會變形，特別是Ca OH2失水生成CaO，當重新冷卻后，水化形成Ca OH2體積膨脹也會使高溫后混凝土進一步的破壞．

在200℃，C35混凝土的抗壓強度損失率約為15%，這是因為在200℃以下，僅僅是自由水的汽化和水化硅酸鈣凝膠體(C-S-H)中結晶水開始脫水，同時C-S-H開始產生收縮使水泥石收縮與熱膨脹相互平衡，而這并不能使混凝土結構產生嚴重的破壞．在400～800℃范圍內，由于水化產物分解，混凝土結構強度損失嚴重，強度損率失最大達到60%以上．隨著暴露溫度的增加，水泥水化產物中的C-S-H凝膠孔中的水脫除，超過500℃時凝膠發(fā)生龜裂；同時，氫氧化鈣發(fā)生脫水分解，水化產物晶格被破壞，使得水泥石的體積發(fā)生收縮，強度降低．混凝土中的集料也會隨著溫度不斷升高而發(fā)生膨脹，水泥石與集料界面發(fā)生破壞，最終導致水泥石開裂．

C70混凝土比C35混凝土內部結構更致密，孔隙率更小，內部游離的水份較少，在200℃以下，由于水汽化產生的壓力達不到對混凝土的破壞，因此強度幾乎不衰減．當溫度達200～400℃時，C35與C70混凝土強度損失率相接近，均是由于水化產物的分解導致．而高于400℃時，強度下降十分明顯，其內部發(fā)生的物理化學變化與普通混凝土相同，但是由于其孔隙過少，內部壓力更大導致破壞明顯增大，達到800℃之后，強度殘余僅有45 MPa，損失率為40.6%．

兩種強度等級的混雜纖維增強混凝土在600～800℃范圍內，殘余強度明顯高于不摻纖維和摻加單一纖維時同強度等級的混凝土，強度損失率小，即聚丙烯與鋼纖維混雜明顯提高了混凝土的耐高溫性能．當僅添加聚丙烯纖維時，由于PPF熔點低，纖維熔化后留下的孔洞可以起到緩解內外壓力差的作用，從而提高了混凝土耐高溫性能，但是效果并不是非常顯著；鋼纖維在混凝土中可以起到粘結、固定、導熱及緩解溫度差的作用，對于C35混凝土性能影響較大，但對于C70混凝土效果不是非常明顯．當兩種纖維混雜時，互補缺陷，在不同時間層次、不同溫度范圍內提高混凝土的耐高溫性能．

2.2 纖維對混凝土高溫后質量損失率的影響

混凝土中的膠結材料為水泥石，在高溫下水泥石會產生一系列的物理、化學變化，內部水分汽化，水化產物在不同的溫度下會發(fā)生分解，因此，質量會產生變化．混凝土在高溫作用后的質量損失率如圖2所示．

圖2 高溫處理后混凝土質量損失率Fig.2Mass loss rate of the concrete after high temperatures

由圖2可知，混凝土質量損失率隨著溫度的增加而增大，在200℃以下，主要是因為較大孔隙內自由水的流失及部分水化產物的分解而導致的．當溫度繼續(xù)升高時，混凝土內部結構開始分解，結合水失去，水化產物分解從而導致質量損失．對于聚丙烯纖維混凝土，由于PPF熔點低，當溫度達熔點以上便有PPF熔化分解，因此，不論是C35還是C70聚丙烯纖維增強混凝土的質量損失率均高于其它種類的混凝土．對于低強等級的混凝土來說，孔隙率大，游離水多，摻加鋼纖維后鋼纖維的導熱性使混凝土表面與內部溫度差減小，因此內部混凝土水分以及水化產物分解較普通混凝土快，所以質量損失率也較未摻加鋼纖維的大．而高強混凝土中鋼纖維所起的導熱性能不明顯，因此質量損失率不如低強度混凝土明顯．聚丙烯-鋼纖維混雜在一定程度上降低了混凝土的質量損失率，這不僅由于PP纖維的熔解釋放了混凝土內外壓力差，還因為纖維能起到連接破損水泥石組織、緩解溫度差等作用．通過纖維混雜技術，C35強度混凝土質量損失率降低了約6%，C70強度混凝土質量損失率減少約2%．

2.3 混雜纖維混凝土高溫后微觀結構變化

圖3 C35纖維混凝土800℃高溫破壞微觀結構Fig.3Microstructure of the hybrid fiber reinforced concrete after high temperatures

由圖3可以看出，混凝土受高溫作用后，內部結構明顯被破壞，結構疏松，有許多的大孔洞存在．鋼纖維在混凝土受高溫破壞后，粘結在水泥石內部，鋼纖維的彈性模量很高，還能起到增強材料的作用．鋼纖維的導熱系數(shù)在260～340 W/(m·K)范圍內，遠遠高于水泥石的導熱系數(shù)，在混雜纖維混凝土受熱過程中，能夠憑借其優(yōu)良的導熱優(yōu)勢，緩解混凝土內外部分的溫度差，減少熱脹冷縮帶來的破壞力，從而提高混雜纖維混凝土的耐高溫性能．聚丙烯纖維在熔融時吸收部分熱量，緩解了混凝土由于溫度變化而產生的體積膨脹，更為重要的是其熔融產生的細小孔隙與混凝土外加劑產生的毛細孔及本身自帶的微觀封閉孔隙組成一個良好的散熱解壓通道[9-10]．高溫造成混凝土內部水分氣化產生的氣壓便可通過這個通道進行釋放，減少來自壓力差的破壞．聚丙烯纖維和鋼纖維共同作用使混凝土耐高溫性能增加，因此混雜纖維混凝土試件整體結構較完整．

3 結論

1）經(jīng)過高溫暴露后，C35和C70混凝土的強度損失率隨著溫度的增加而增大；將體積百分數(shù)為0.1%的聚丙烯纖維與0.5%的鋼纖維混雜摻入混凝土后可以有效降低強度損失率．

2）混凝土的質量損失率同樣隨著溫度的增加而增大，但混雜纖維可以有效降低混凝土的質量損失率，使得C35和C70強度混凝土質量損失率分別減少了約6%和2%．

3）聚丙烯纖維熔融時吸收熱量，且其熔融后留下的孔洞可以緩解混凝土內部水汽化時產生的壓力，而鋼纖維的耐高溫性及其阻裂性則使混凝土在高溫中保持一定的完整性和強度，因此混雜纖維混凝土的耐高溫性能得到提高．

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[責任編輯 楊屹夏紅梅]

Performance of steel-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete after being exposed to high temperature

ZHANG Xiuzhi1,2，DONG Qing3，LIU Hui1，ZHANG Guodong1

(1.School of Materials Science and Engineering,University of Jinan,Shandong Jinan 250022,China;2.Provincial Key Laboratory ofPreparationandMeasurementofBuildingMaterials,UniversityofJinan,ShandongJinan250022,China;3.ShandongInternational Project Management Co Ltd,Shandong Jinan 250014,China)

Through the high-temperature test of C35 and C70 fibre reinforced concrete,mass loss,mechanical property, apparent andmicroscopiccharacteristicswerestudied.Theresults showthatresistance to high temperatureofC70concrete is less than C35 concrete and it bursts at about 600℃.Polypropylene-steel fiber can effectively improve resistance to high temperature burst of concrete and make C70 hybrid fiber reinforced concrete doesn't burst until 800℃;Strength loss rate and mass loss rate increase with the rise of temperature,but strength loss rate of C35 concrete is higher than that of C70 concrete.Comparingwith singlefiber,hybrid fiber increase thestrengthofconcreteafterbeing exposed to high temperature at the same temperature;Pores caused by organic fiber melting can unload partof the inflation pressure and inorganic fiber make concrete to keep the overall integrity at higher temperatures.

polypropylene fiber;steel fiber;hybrid fiber;high temperature;mechanical property;mass loss

TU528.572

A

1007-2373(2015)04-0101-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.020

2014-09-15

國家自然科學基金（51208227）；高性能土木工程材料國家重點實驗室（2013CEM003）

張秀芝（1974-），女（漢族），副教授，zhangxz74@126.com．