纖維對混凝土高溫性能改善作用的研究進(jìn)展

石國星 王磊 趙燕茹 郝松 時金娜

【摘 要】為了探究纖維對混凝土高溫性能的改善作用，從單摻高熔點纖維、單摻低熔點纖維以及混摻高熔點纖維、低熔點纖維三個方面，對國內(nèi)外纖維混凝土在高溫中或高溫后力學(xué)性能及抗爆裂性能的試驗研究進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)果表明：在高溫中或高溫后，單摻高熔點纖維或低熔點纖維都有助于提高混凝土的力學(xué)性能和抗爆裂性能，而合理地混摻高熔點纖維、低熔點纖維的效果要好于單摻這兩類纖維。

【關(guān)鍵詞】纖維混凝土；高溫；高熔點纖維；低熔點纖維；混雜纖維

中圖分類號： TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0097-002

【Abstract】In order to explore the effect of fibers on the improvement of high temperature performance of concrete， the effects of single fiber with high melting point， single mixed with low melting point， mixed with high melting point and low melting point on the properties of fiber reinforced concrete at high temperature or high temperature After mechanical properties and anti-burst performance of the experimental study were summarized， the results show that： at high temperature or high temperature， single-doped high melting point fiber or low melting point fiber can help improve the mechanical properties and anti-burst performance of concrete， and reasonably Mixed with high melting point fiber， the effect of low melting point fiber is better than single doped these two types of fiber.

【Key words】Fiber concrete； High temperature； High melting point fiber； Low melting point fiber； Hybrid fiber

0 引言

混凝土由于其易成型、目標(biāo)強度形成快、成本低等優(yōu)點成為世界上用量最大的人造建筑材料[1]。在混凝土的使用過程中，高溫或火災(zāi)會對混凝土的使用性能造成不利影響，混凝土雖然在高溫或火災(zāi)下不會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，但由于高溫或火災(zāi)的影響，混凝土?xí)a(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)變化，從而降低其使用性能。因此，國內(nèi)外學(xué)者對混凝土高溫劣化機(jī)理做了大量研究，總結(jié)出了蒸氣壓理論、熱應(yīng)力理論和熱開裂理論等混凝土劣化理論[2-4]。為了改善混凝土在高溫或火災(zāi)下的性能，通過借鑒和運用這些理論，提出了很多改善方法，其中在混凝土制備過程中加入纖維制成纖維混凝土是一種有效的方法。本文從加入纖維的種類、摻入方式對纖維改善混凝土高溫性能的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

1 單摻高熔點纖維

高熔點纖維是指在高溫或火災(zāi)下（600～800℃）基本不熔化的纖維，常見的主要有鋼纖維、玄武巖纖維、碳纖維等。在高溫情況下，高熔點纖維仍能保持或基本保持其原有形態(tài)，雖然高溫使纖維與混凝土基體的黏接有所削弱，但纖維只要還在基體內(nèi)，就依然可以發(fā)揮纖維的增強增韌阻裂作用，從而改善纖維混凝土的高溫力學(xué)性能和抗爆裂性能。雖然同是高熔點纖維，但不同纖維在改善混凝土高溫性能方面的機(jī)理卻各有特點。

1.1 鋼纖維

由于混凝土材料的熱惰性以及換熱系數(shù)的復(fù)雜性，使混凝土在高溫下產(chǎn)生相對大的橫向和縱向溫度差從而產(chǎn)生相對大的熱應(yīng)力，當(dāng)這種熱應(yīng)力大于其本身的抗拉強度時，混凝土就會出現(xiàn)剝落或爆裂現(xiàn)象[4]。鋼纖維的加入可以有效地改變混凝土的這種熱惰性，改善混凝土換熱系數(shù)的復(fù)雜性，從而減小熱應(yīng)力；同時，亂序的短鋼纖維形成的細(xì)微觀拉結(jié)結(jié)構(gòu)可以提高破壞韌度，從而增強混凝土在高溫或火災(zāi)下的受拉性能和抗劈裂性能。楊娟等[5]對56天齡期的普通超高性能混凝土、鋼纖維超高性能混凝土進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：100℃高溫作用后空白組殘余抗壓強度顯著降低，而鋼纖維超高性能混凝土比常溫時抗壓強度有所提高；200℃、400℃、600℃、800℃時，鋼纖維超高性能混凝土的殘余抗壓強度均高于空白組超高性能混凝土。劉占良等[6]通過試驗研究了鋼纖維（SF）對混凝土經(jīng)高溫后抗壓強度、抗折強度、抗拉強度和折拉比的影響，結(jié)果表明：SF對高溫后混凝土的抗壓強度，尤其是抗折強度和抗拉強度有顯著影響。

1.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維是一種天然礦物纖維，彈性模量高、斷裂強度大、耐高溫、耐腐蝕，且成本相對較低。相對其他纖維，玄武巖纖維由天然玄武巖礦制成，即使在高溫情況下，玄武巖纖維與水泥石基體之間依然可以形成很好地界面黏接，從而起到更好的增強增韌阻裂作用。劉俊良等[7]通過抗壓強度試驗，研究了玄武巖纖維混凝土（BFRC）試件的損失質(zhì)量和抗壓強度的變化規(guī)律，結(jié)果表明：高溫后BFRC損失質(zhì)量增大，摻加玄武巖纖維減小了高溫后BFRC試件的質(zhì)量損失，增大了抗壓強度，改善效果隨纖維摻量增大而增強。文獻(xiàn)[8]研究了不同溫度作用后玄武巖纖維增強混凝土（BFRC）的沖擊變形特性，結(jié)果表明：摻入玄武巖纖維可以有效提升高溫后BFRC的沖擊變形能力，且纖維摻量（體積分?jǐn)?shù)）為0.3%時，BFRC的變形優(yōu)勢最大。

2 單摻低熔點纖維

低熔點纖維是指在100～200℃熔化的纖維，常見的主要有聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、尼龍纖維等。高溫情況下，在混凝土中適量加入低熔點纖維，依靠其高溫熔化形成的三維亂向孔道，有效地降低了混凝土內(nèi)的蒸汽壓，從而降低混凝土的爆裂情況。

杜紅秀等[9]對摻聚丙烯纖維的高強混凝土立方體試塊進(jìn)行了高溫后殘余抗壓強度試驗研究，結(jié)果表明：適宜摻量和長度下，聚丙烯纖維既可抑制高強混凝土高溫爆裂，又可明顯提高高強混凝土的殘余抗壓強度，有利于改善高強混凝土的高溫韌性。鄭文忠等[10]考察了聚丙烯纖維（PPF）對活性粉末混凝土（RPC）高溫爆裂的抑制效果，結(jié)果表明：PPF體積摻量0.1%和0.2%時對RPC高溫爆裂的抑制作用不明顯，體積摻量0.3%時可以防止RPC發(fā)生爆裂；常溫下PPF的摻入對RPC力學(xué)性能有不利影響，經(jīng)歷溫度高于200℃時，隨PPF摻量的增大高溫后RPC力學(xué)性能相應(yīng)提高。

3 混摻高熔點、低熔點纖維

為了探究纖維對混凝土高溫劣化情況更好的改善效果，人們也對混合摻入高熔點纖維、低熔點纖維的進(jìn)行了研究。高溫或火災(zāi)對混凝土的損傷主要是由高溫影響下混凝土所產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及混凝土內(nèi)部水的蒸發(fā)所形成的蒸氣壓而造成的，兩方面的因素幾乎同時產(chǎn)生影響，而同時產(chǎn)生必然造成相互影響，雙重作用相耦合所造成的損傷是1+1>2的，所以人們對混合摻入不同纖維來改善混凝土的高溫性能進(jìn)行了研究。

劉峰等[11]將橡膠粉、聚丙烯纖維和鋼纖維按不同組合方式摻入高強混凝土中對其改性，并進(jìn)行常溫和高溫下的軸心抗壓試驗，結(jié)果表明：混摻了鋼纖維、聚丙烯纖維、橡膠粉的試件力學(xué)性能和抗爆性能最好。高丹盈等[12]通過對聚丙烯-鋼纖維增強高強混凝土試塊的高溫試驗，研究不同目標(biāo)溫度后混凝土質(zhì)量損失及力學(xué)性能，結(jié)果表明：相同溫度下，混雜纖維的加入提高了高強混凝土高溫后強度。

4 結(jié)論與展望

在混凝土中摻入纖維可以有效改善混凝土在高溫中或高溫后的力學(xué)性能和抗爆裂性能，其中高熔點纖維主要依靠纖維與水泥基體的黏接實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，并且導(dǎo)熱性良好的高熔點纖維還能通過改善混凝土的熱惰性來改善纖維混凝土高溫性能；而低熔點纖維主要通過高溫時熔化產(chǎn)生的孔道來減小混凝土內(nèi)蒸氣壓從而提高混凝土的抗爆裂性能。目前多進(jìn)行的是高溫中或高溫后纖維混凝土宏觀性質(zhì)上的研究，比如剩余抗壓強度、質(zhì)量變化，對微觀方面的研究以及微觀、宏觀聯(lián)系方面的研究較少。同一種纖維或不同種纖維的粗細(xì)混摻、長短混摻將是一個比較重要的研究方向。

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