聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土耐火性能影響研究綜述

王 珍

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院， 河北廊坊 065000)

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聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土耐火性能影響研究綜述

王 珍

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院， 河北廊坊 065000)

高性能混凝土工作性能好，耐久性好，其成本與同級(jí)高強(qiáng)混凝土相比更為經(jīng)濟(jì)，但是在火災(zāi)作用下，會(huì)產(chǎn)生爆裂、剝落。高性能混凝土的耐火性能是一個(gè)值得重視的問(wèn)題，工程實(shí)踐中往往摻入一定量有機(jī)纖維，改善高性能混凝土的耐火性能。文章分析混凝土高溫爆裂機(jī)理，總結(jié)了在聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土的高溫性能、耐久性能的影響研究成果, 為深入研究聚丙烯纖維高性能混凝上的耐火性能提供參考依據(jù)。

聚丙烯纖維； 高性能混凝土； 耐火性能； 高溫性能； 耐久性能

高性能混凝土因?yàn)槠涿軐?shí)度大，滲透性低和低水膠比，在高溫時(shí)很容易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，進(jìn)而給高性能混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)帶來(lái)極大的破壞[1]。但是由于高性能混凝土具有工作性能好、強(qiáng)度高和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用卻越來(lái)越廣泛，對(duì)高性能混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能的研究顯得愈來(lái)愈重要。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫后的普通高性能混凝土材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度研究較多，但對(duì)于摻聚丙烯纖維高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的研究才剛剛起步。研究發(fā)現(xiàn)，高性能混凝土摻入一定量的聚丙烯纖維的可顯著提升抗耐火性能，改善混凝土防爆裂性能。因此,深入研究聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土耐火性能的影響，這已成為各國(guó)建筑結(jié)構(gòu)及材料科研人員和工程技術(shù)人員共同關(guān)注的新課題。

1 高性能混凝土高溫爆裂機(jī)理

高性能混凝土在遭受火災(zāi)后，表面或整體會(huì)突然發(fā)生崩裂的現(xiàn)象，殘余抗壓性能會(huì)突然降低甚至消失，這稱之為高溫爆裂。火災(zāi)引起的高性能混凝土的高溫爆裂現(xiàn)象是一種突發(fā)性破壞，對(duì)高性能混凝土結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性將會(huì)產(chǎn)生毀滅性破壞。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)高性能混凝土爆裂機(jī)理研究還沒(méi)有達(dá)到較為一致的結(jié)論，但報(bào)道最多的是蒸汽壓理論與熱應(yīng)力理論[2]。

1.1 蒸汽壓理論

從微觀角度上來(lái)說(shuō)，高性能混凝土結(jié)構(gòu)細(xì)密、堅(jiān)實(shí)，主要是由孔隙率很小且相鄰孔之間互不連通的密閉單元構(gòu)成。當(dāng)遭受火災(zāi)等高溫環(huán)境時(shí)，即在環(huán)境溫度上升的過(guò)程中，高性能混凝土溫度也隨之升高，內(nèi)部游離的水蒸發(fā)逐漸變成水蒸氣，水在不斷氣化的過(guò)程中，造成體積發(fā)生膨脹，再加上高性能混凝土升溫速率不同步，往往在升溫過(guò)程中產(chǎn)生溫度梯度，這將促使水蒸氣向內(nèi)部較冷區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。硬化后的水泥漿體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)、滲透性非常低，高性能混凝土的低滲透率和飽和水層形成的物理屏障阻止了水蒸汽相互移動(dòng)，使蒸氣壓逐步產(chǎn)生累積效應(yīng)，在孔表面或孔連接部位形成毛細(xì)孔壓力，當(dāng)高性能混凝土內(nèi)部任何一處的毛細(xì)孔壓力大于其自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生爆裂而被破壞。

1.2 熱應(yīng)力理論

熱應(yīng)力理論的模型條件是，在火災(zāi)作用下，高性能混凝土內(nèi)部總應(yīng)變由與溫度變化成比例的應(yīng)變和與溫度變化不成比例的應(yīng)變構(gòu)成，應(yīng)變作用方向沒(méi)有規(guī)則，并且在高性能混凝土內(nèi)部至少存在一處，該處的局部應(yīng)變量大于允許變形量。該理論從應(yīng)力角度理解為， 高性能混凝土內(nèi)部的熱應(yīng)力不單純是由一個(gè)方向產(chǎn)生，很有可能由雙向或者三向等方向的應(yīng)力共同產(chǎn)生，熱應(yīng)力的大小往往與高性能混凝土受熱溫度成正比，熱應(yīng)力單獨(dú)或與孔隙壓力共同作用于高性能混凝土內(nèi)部，當(dāng)該值大于其自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生爆裂現(xiàn)象。

2 聚丙烯纖維高性能混凝土火災(zāi)后的高溫性能

普通的高性能混凝土在火災(zāi)作用后，往往會(huì)直接導(dǎo)致高性能混凝土的各種性能劣化，發(fā)生爆裂現(xiàn)象，摻入聚丙烯纖維的高性能混凝土爆裂現(xiàn)象有所緩解。為了深入研究聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土的耐火性能的影響，針對(duì)摻入聚丙烯纖維高性能混凝土的爆裂特征和爆裂機(jī)理等高溫性能展開研究。

鐘祥凰[3]的研究表明在高溫作用下，摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，而對(duì)殘余抗折強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響，影響大小以400 ℃為分界點(diǎn)。

鞠麗艷[4]以聚丙烯纖維摻量為變量，對(duì)混凝土進(jìn)行高溫下的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，聚丙烯纖維能夠降低高溫下的混凝土動(dòng)彈性模量損失率，增強(qiáng)混凝土的抗爆裂性能，對(duì)高溫下混凝土的抗壓抗折強(qiáng)度影響較小。

謝靜[5]通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)徑的聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行高溫試驗(yàn)表明：高強(qiáng)混凝土在摻入聚丙烯纖維后，在高溫作用時(shí)，雖然立方體抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度及靜彈性模量等主要力學(xué)指標(biāo)變化的速率不同，但都隨著溫度的升高而衰減；摻入纖維可以提高高強(qiáng)混凝土發(fā)生嚴(yán)重破壞的臨界溫度，對(duì)混凝土起到增韌作用；摻纖維會(huì)減弱尺寸效應(yīng)帶來(lái)的影響。

劉沐宇等[6]人的研究表明摻入不同聚丙烯纖維摻量的混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度的衰減幅度均小于未摻聚丙烯纖維的素混凝土，相比較于400 ℃左右便發(fā)生爆裂的素混凝土，聚丙烯纖維混凝土在加熱到800 ℃時(shí)也沒(méi)有發(fā)生爆裂現(xiàn)象，足以證明摻入聚丙烯纖維是混凝土一種有效地主動(dòng)抗爆裂措施。

馬忠誠(chéng)[7]的研究發(fā)現(xiàn)表明，普通混凝土受火燒損條件下沒(méi)有發(fā)生混凝土的爆裂現(xiàn)象，高強(qiáng)混凝土在受火燒損后發(fā)生了嚴(yán)重的爆裂現(xiàn)象，且受熱溫度越高，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，爆裂發(fā)生的幾率越大，這一研究表明高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于普通的混凝土，但是其耐火性能不如普通混凝土。

王珍等人[8]的研究高性能聚丙烯纖維混凝土的爆裂性能和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的存在可以降低高溫下混凝土內(nèi)部的蒸汽壓力場(chǎng)。普通混凝土經(jīng)受火燒損后很少有爆裂現(xiàn)象，而高強(qiáng)混凝土在受火燒損一段時(shí)間后通常會(huì)發(fā)生爆裂現(xiàn)象，摻加聚丙烯纖維可以減少爆裂現(xiàn)象的發(fā)生概率。

傅宇方[9]等人認(rèn)為混凝土是非均勻多項(xiàng)復(fù)合材料，爆裂產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，爆裂過(guò)程中既發(fā)生物理反應(yīng)也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，混凝土組成材料、強(qiáng)度、內(nèi)部含水率、濕含量及滲透性、試件形狀、升溫速率、加載方式和加荷大小均對(duì)爆裂產(chǎn)生影響?？紫端?汽)壓力雖然可以使混凝土產(chǎn)生裂縫，但并不能單獨(dú)使混凝土發(fā)生爆裂，只有當(dāng)熱應(yīng)力機(jī)理與孔隙水(汽)壓力耦合作用不利于緩解孔隙壓力時(shí)，才可能導(dǎo)致爆裂的發(fā)生。

Chan Y N，Peng G F[10-11]等人從微觀角度研究了不同種類的混凝土(HPC、NC)高溫后的變化特征，以孔結(jié)構(gòu)的變化量來(lái)體現(xiàn)這一變化過(guò)程，高強(qiáng)混凝土高溫后的劣化效果比普通混凝土更加顯著。

3 聚丙烯纖維高性能混凝土火災(zāi)后的耐久性能

聚丙烯纖維高性能混凝土在擁有廣闊的發(fā)展空間并且已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用的同時(shí)，火災(zāi)也在不斷威脅著這些結(jié)構(gòu)的使用安全。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究表明，火災(zāi)后，高性能混凝土耐久性能的退化往往比力學(xué)性能的衰減更快，摻入一定量的聚丙烯纖維的可顯著提升抗耐火性能，所以研究聚丙烯纖維高性能混凝土高溫后的耐久性是非常必要的。

Zeiml M，Leithner D 等人[12]通過(guò)試驗(yàn)研究聚丙烯纖維對(duì)混凝土高溫后滲透性能的影響，并用壓汞法對(duì)高溫后混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)摻入 1.5 kg/m3的聚丙烯纖維時(shí)，在 170 ℃時(shí)，纖維混凝土孔隙半徑為103 nm ≤r≤105 nm處的體積是素混凝土的兩倍，可以承受的飽和孔隙壓力是素混凝土的兩倍；高溫作用下，聚丙烯纖維的融化增加了孔隙半徑，擴(kuò)大了過(guò)渡區(qū)的厚度，增加了滲透性，對(duì)抑制混凝土爆裂，降低混凝土剝落發(fā)生的概率有幫助作用。

Noumowe A N，Siddique R等人[13]研究了高溫后高性能混凝土的滲透性能。結(jié)果表明 200 ℃高溫下，由于摻入 2 %的聚丙烯纖維融化，纖維混凝土的滲透性大于不摻纖維的混凝土；在 600 ℃高溫下，纖維混凝土的滲透性與沒(méi)有高溫的素混凝土相當(dāng)，聚丙烯纖維對(duì)蒸汽壓起了“釋放”作用，對(duì)混凝土受熱不均起到了 “平衡”作用，放慢了熱應(yīng)力的增長(zhǎng)速率。

王珍、黃濤等人[14-15]研究了高強(qiáng)混凝土熱損傷后的殘余性能，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土試件高溫后抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，在200 ℃～400 ℃間抗壓強(qiáng)度衰減嚴(yán)重。

胡海濤、董毓利[16]等人研究了高溫下與高溫后高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，并與普通混凝土進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)高溫后高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度較高溫時(shí)下降的更多，較普通混凝土下降更為劇烈特別是在常溫至450 ℃的范圍內(nèi)，高強(qiáng)混凝土較普通混凝土具有更大的強(qiáng)度損失率。

錢春香、李敏[17-18]等人分別對(duì)高強(qiáng)混凝土與聚丙烯纖維混凝土高溫后滲透性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：聚丙烯纖維對(duì)緩解高強(qiáng)混凝土高溫后抗氯離子滲透性能的劣化比較有效果。

趙毅[19]通過(guò)對(duì)不同纖維摻量的聚丙烯纖維混凝土高溫后碳化性能進(jìn)行研究，研究表明，聚丙烯纖維混凝土的碳化深度隨著所受溫度的不同也有所不同，摻入一定量的聚丙烯纖維可以有效抑制高溫后混凝土的碳化進(jìn)程。混凝土受熱溫度的大小在宏觀上直接體現(xiàn)在高溫?fù)p傷程度中；聚丙烯纖維混凝土的碳化深度隨時(shí)間的增加而變深，不同纖維摻量的混凝土碳化深度也不同。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)已有研究結(jié)果的分析、歸納， 總結(jié)了摻聚丙烯纖維高性能混凝土火災(zāi)后的高溫性能、耐久性能，為深入研究摻聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土耐火性能的影響提供參考資料。在高性能混凝土中摻加聚丙烯纖維可以顯著改善高性能混凝土的耐火性能，有效降低高性能混凝土的高溫爆裂，但對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度影響不大。

隨著高性能混凝土技術(shù)在現(xiàn)代化建筑工程中的迅速推廣，高性能混凝土直接遭受火災(zāi)燒損的危險(xiǎn)性及可能性也日益加劇。隨著城市消防設(shè)施的不斷加強(qiáng)完善，以及建筑內(nèi)部防火措施的不斷提高，大部分建筑物發(fā)生的火災(zāi)都是在建筑物的局部或者建筑中的一、兩層內(nèi)，但是建筑物一旦過(guò)火，建筑物能否繼續(xù)使用，或者能不能通過(guò)修復(fù)加固技術(shù)來(lái)恢復(fù)原建筑物的使用功能，就必須科學(xué)地評(píng)估建筑物結(jié)構(gòu)的受損程度，判斷建筑物結(jié)構(gòu)的殘余承載力，科學(xué)合理地進(jìn)行修復(fù)加固，最終達(dá)到減少經(jīng)濟(jì)損失的目的[20-21]。摻聚丙烯纖維高性能混凝耐火性能研究是一個(gè)持久深入的課題，對(duì)我國(guó)建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展具有很重要的意義，目前的研究只是剛剛起步，還有大量的工作需要進(jìn)行。

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王珍(1983～)，男，博士，教官，主要從事建筑防火方面的研究。

TU528.34

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[定稿日期]2016-09-07