高溫后纖維混凝土力學性能研究

邵蓮芬，劉華偉

（黃淮學院建筑工程學院，河南駐馬店 463000）

高溫后纖維混凝土力學性能研究

邵蓮芬，劉華偉

（黃淮學院建筑工程學院，河南駐馬店 463000）

研究了普通混凝土、聚丙烯纖維混凝土、鋼纖維混凝土及混雜纖維混凝土高溫后的抗壓、抗折及劈裂抗拉強度的變化規(guī)律。結果表明，混凝土的力學性能隨著溫度的升高而逐漸降低；溫度低于400℃時，聚丙烯纖維混凝土力學性能有所改善，溫度高于400℃時，改善作用不明顯；800℃時，鋼纖維混凝土力學性能殘余率都較高；混雜纖維混凝土抗壓強度改善作用最顯著，殘余率最高達到32.4%。

高溫；纖維增強混凝土；力學性能

我國城市化水平的迅速提高，房屋密集程度加大，高層超高層建筑越來越多，人口居住密度不斷增大，建筑物發(fā)生火災的概率明顯加大。建筑物一旦發(fā)生火災，將給人民群眾的生命財產(chǎn)和安全造成巨大的損失[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)階段我國每年發(fā)生的火災中，建筑火災占火災總數(shù)的一半以上，直接經(jīng)濟損失占火災總損失的80%以上[3]。

纖維混凝土是以混凝土為基體，以金屬纖維或有機纖維作為增強材料制成的一種水泥基復合材料，常用的纖維有鋼纖維、聚丙烯纖維及二者混雜使用[4-6]。摻入纖維可以有效地克服混凝土抗拉強度低、易開裂、抗疲勞性能差等缺陷[7-8]。聚丙烯纖維混凝土、鋼纖維混凝土及混雜纖維混凝土在工程中都有大量的應用，因此，研究其高溫后力學性能變化十分有必要。

研究普通混凝土（C）、聚丙烯纖維混凝土（PFRC）、鋼纖維混凝土（SFRC）及混雜纖維混凝土（HFRC）在高溫后力學性能的變化及殘余值，對火災后建筑物的安全評定及加固提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

P·O42.5水泥，武漢華新水泥有限公司生產(chǎn)；武漢碎石，5～20 mm連續(xù)級配；長江中砂，細度模數(shù)2.7，含泥量1.2%；聚丙烯纖維，長沙博賽特建筑工程材料有限公司提供，性能參數(shù)如表1所示；端鉤鋼纖維，來自浙江博恩金屬制品有限公司，性能參數(shù)如表2所示。

表1 聚丙烯纖維的性能參數(shù)

表2 鋼纖維的性能參數(shù)

1.2 試驗方法

抗壓、抗折和劈裂抗拉強度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能測試方法標準》進行測試。抗壓強度及劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。成型1 d后脫模，在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28 d齡期進行相應測試。

高溫試驗：高溫爐升溫速度為10℃/min，分別升溫至200、400、600和800℃，保溫3 h以保證試件內(nèi)外溫度一致，加熱結束后自然冷卻，7 d后再進行力學性能測試。

1.3 混凝土配合比

以C40混凝土為研究對象，普通混凝土及纖維混凝土配合比如表3所示，其中纖維按照體積摻量摻入。

表3 普通混凝土及纖維混凝土的配合比

2 結果與討論

2.1 高溫后纖維混凝土抗壓強度變化（見圖1、圖2）

圖1 高溫后混凝土的抗壓強度

圖2 高溫后混凝土的抗壓強度殘余率

由圖1可知，普通混凝土及纖維混凝土抗壓強度都隨著溫度的升高而降低，在相同溫度條件下，各組混凝土抗壓強度都呈現(xiàn)如下規(guī)律：普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC）＜混雜纖維混凝土（HFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）。

由圖2可知，普通混凝土及纖維混凝土抗壓強度殘余率都隨著溫度的升高而降低，在相同溫度條件下，各組混凝土抗壓強度殘余率變化規(guī)律與強度變化規(guī)律有所不同：普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）＜混雜纖維混凝土（HFRC）。纖維混凝土較普通混凝土具有更高的耐高溫性能。

不同溫度條件下，各組混凝土受溫度的影響也不盡相同。200℃時，普通混凝土抗壓強度殘余率為79%，而3組纖維混凝土的抗壓強度殘余率都保持在85%～88%；400℃時，普通混凝土抗壓強度殘余率只有54%，而3組纖維混凝土的抗壓強度殘余率達到70%～73%；600℃時，普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度殘余率為38%左右，鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土抗壓強度殘余率大于50%；800℃時，普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度殘余率為23%左右，鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土抗壓強度仍具有33%殘余。普通混凝土隨著溫度的升高都呈現(xiàn)出明顯的強度損失；當溫度低于400℃時，3組纖維混凝土都具有很高的抗壓強度殘余率，當溫度高于400℃時，聚丙烯纖維混凝土抗壓強度殘余率顯著降低；鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土在不同溫度條件下，都具有較高的抗壓強度殘余率。

2.2 高溫后纖維混凝土抗折強度變化（見圖3、圖4）

圖3 高溫后混凝土的抗折強度

圖4 高溫后混凝土的抗折強度殘余率

由圖3可知，各組混凝土的抗折強度都隨著溫度的升高而降低，在相同溫度條件下，各組混凝土抗折強度與抗壓強度具有相同規(guī)律：普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC）＜混雜纖維混凝土（HFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）；不同的是，鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土的抗折強度明顯高于普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土。

由圖4可知，各組混凝土的抗折強度殘余率都隨著溫度的升高而降低；200、400和600℃條件下，各組混凝土抗折強度殘余率規(guī)律相同：混雜纖維混凝土（HFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）＜普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC），溫度為800℃時為：普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC）＜混雜纖維混凝土（HFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）。

鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土的抗折強度在各個溫度條件下都明顯高于普通混凝土及聚丙烯纖維混凝土；聚丙烯纖維的摻入使得混凝土抗折強度略有提高，但不明顯；鋼纖維和混雜纖維顯著提高了混凝土的抗折強度。在800℃條件下，鋼纖維混凝土的抗折強度仍大于7 MPa，與20℃時普通混凝土抗折強度相差不大（8.3 MPa）。

2.3 高溫后纖維混凝土劈裂抗拉強度變化（見圖5、圖6）

圖5 高溫后混凝土的劈裂抗拉強度

圖6 高溫后混凝土的劈裂抗拉強度殘余率

由圖5可知，各組混凝土的劈裂抗拉強度都隨著溫度的升高而降低。在20℃和200℃時，各組混凝土劈裂抗拉強度變化規(guī)律為：普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）＜混雜纖維混凝土（HFRC）；400、600和800℃時，各組混凝土劈裂抗拉強度變化規(guī)律為：普通混凝土（C）＜聚丙烯纖維混凝土（PFRC）＜混雜纖維混凝土（HFRC）＜鋼纖維混凝土（SFRC）。

由圖6可知，各組混凝土的劈裂抗拉強度殘余率隨著溫度的升高而降低。當溫度低于600℃時，普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強度殘余率大于鋼纖維及混雜纖維混凝土；當溫度為800℃時，劈裂抗拉強度殘余率變化規(guī)律恰好相反，普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土大于鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土。各組混凝土劈裂抗拉強度殘余率變化規(guī)律與抗折強度殘余率變化規(guī)律相同。

在相同溫度條件下，鋼纖維和混雜纖維混凝土的劈裂抗拉強度顯著高于普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土，并且溫度越高，這種差距越明顯。溫度為800℃時，鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度為1.50 MPa，而聚丙烯纖維混凝土只有0.45 MPa。2.4高溫后混凝土的折壓比（見圖7）

圖7 高溫后混凝土的折壓比

由圖7可知，在相同溫度條件下，各組混凝土折壓比的變化規(guī)律為：鋼纖維混凝土最大，混雜纖維混凝土次之，普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土折壓比相差不大，并且鋼纖維和混雜纖維混凝土的折壓比都明顯大于普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土。在高溫環(huán)境中，混雜纖維混凝土和鋼纖維混凝土具有更好的韌性。

2.5 機理分析

混凝土及纖維混凝土在高溫后力學性能發(fā)生明顯變化，究其原因主要分為以下2方面：一是混凝土自身原因，另一個是不同種類纖維的理化性能不同。

200 ℃時，自由水和物理結合水逸出，Aft發(fā)生分解，水化產(chǎn)物有所減少，水泥漿的熱膨脹會導致骨料水泥漿體界面處原始裂紋的發(fā)展，從而導致混凝土強度衰減[9-10]。400℃左右時，水泥漿體中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣開始脫水[11]，同時大量水蒸氣的外逸沖刷和擠脹作用，又擴大了裂紋和孔隙，使水泥漿體中孔隙平均尺寸和微裂紋迅速增大，混凝土力學性能進一步降低。500℃時，水泥石中的氫氧化鈣晶體受熱分解，引起吸熱反應，孔隙含量急劇增加[12]；硅質(zhì)骨料中的二氧化硅晶體發(fā)生相變而體積膨脹，骨料體積的增加使得骨料與水泥漿體之間的裂縫增大。600℃時，孔隙水完全失去，混凝土宏觀破壞開始，因而其力學性能大幅下降，在600～700℃時，C-S-H凝膠分解[13]。800℃時石灰?guī)r骨料膨脹、開裂，并產(chǎn)生二氧化碳氣體，混凝土強度進一步降低。

聚丙烯纖維熔點較低（168℃），在高溫下熔解而失去作用，但因其液態(tài)體積遠小于固態(tài)所占空間，于是形成眾多小孔隙。并由于聚丙烯纖維分散的均勻性及纖維細小且量又多，使得混凝土內(nèi)部孔結構發(fā)生了變化，孔隙的連通性加強，為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了通道，緩解了由于水分膨脹所形成的分壓，使內(nèi)部壓力大大降低，從而降低了水蒸氣的沖刷和擠脹作用，降低裂紋的擴展[14]。因此在溫度低于400℃時，聚丙烯纖維混凝土強度顯著大于普通混凝土。鋼纖維熔點高，自身力學性能受溫度影響較小，另外，鋼纖維的橋接作用和阻裂作用限制了混凝土在溫度急劇變化和高溫環(huán)境下產(chǎn)生的體積變化，減輕了混凝土內(nèi)部微缺陷的引發(fā)和擴展，使混凝土在高溫條件下表現(xiàn)出較好的力學性能[15]。

3 結論

（1）混凝土及纖維混凝土的抗壓、抗折及劈裂抗拉強度及其殘余率都隨著溫度的升高而降低。

（2）纖維的摻入對混凝土高溫力學性能具有改善作用，聚丙烯纖維在溫度不超過400℃時改善作用顯著，鋼纖維在800℃時改善作用仍明顯。

（3）混雜纖維混凝土高溫后抗壓強度殘余率最高，200℃時達87.9%，400℃時為73.7%，600℃時為52.5%，800℃時仍有32.4%。

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俄羅斯學者發(fā)明納米陶瓷復合材料制備技術

俄羅斯托木斯克國立大學與俄科學院西伯利亞分院強度物理和材料學研究所共同開發(fā)了熱膨脹系數(shù)接近為0的納米陶瓷制備技術，這種陶瓷復合材料具有極高的耐磨性，將被用于制造石油和天然氣管道新型密封元件。

目前世界上還沒有類似的含有鎢酸鋯成分的復合陶瓷。鎢酸鋯可以保證納米陶瓷具有因瓦效應，即在足夠?qū)挼臏囟确秶鷥?nèi)（-100～200℃）受熱和冷卻時尺寸不變，還可以保證在極端條件下的有效工作能力，而且材料結構強度高、質(zhì)量輕。其制備技術難點在于鎢酸鋯成分很難進入到陶瓷中，發(fā)明者在研究過程中找到了技術解決方案，確定了鎢酸鋯在陶瓷成分中的最佳含量和有效的燒結方法，研發(fā)成果已獲得2項專利。

由于使用含有鎢酸鋯成分的納米陶瓷復合材料制造的密封元件的磨損幾乎為0，由此延長了陶瓷材料的使用壽命，減少石油和天然氣管道的維修頻率和工作量。

（徐）

Research on mechanical properties of fiber reinforced concrete after high temperature exposure

SHAO Lianfen，LIU Huawei
（Architecture Engineering College，Huanghuai University，Zhumadian 463000，China）

The compressive strength，flexural strength，splitting tensile strength of concrete，polypropylene fiber reinforced concrete，steel fiber reinforced concrete and hybrid fiber reinforced concrete after high temperature exposure were studied in this paper.The results show that the mechanical properties of concrete are decreased due to the temperature increasing，the mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete are improved when the temperature is less than 400℃，while there are no evident effects when the temperature is more than 400℃，the mechanical properties of steel fiber reinforced concrete are good after being exposed to 800℃，the compressive strength of hybrid fiber reinforced concrete is significantly improved，the compressive strength residual rate is 32.4%.

high temperature，fiber reinforced concrete，mechanical properties

TU528.572

A

1001-702X（2016）07-0038-04

河南省科技攻關計劃項目（142102310108）；

河南省青年骨干教師資助計劃項目（2013GGJS-213）

2016-02-01；

2016-03-11

邵蓮芬，女，1974年生，河南駐馬店人，副教授，主要從事地質(zhì)災害、新型建筑材料、土木結構設計產(chǎn)學研工作。