高溫對聚丙烯纖維混凝土性能影響

田德華 楊鼎宜 張婷 孫甜新 鄭鑫磊 余海龍

摘要：隨著生活水平的逐漸提高，建筑物日益大規(guī)模化和功能化，大大增加了建筑物發(fā)生火災的可能性。在遭受火災過程中，由于混凝土材料強度損失導致結構功能失效，甚至發(fā)生坍塌破壞。為減少火災造成的危害，混凝土結構在火災發(fā)生的一定時間內應保持足夠的強度、剛度和完整性。纖維材料是一種在混凝土中應用的新型增強增韌材料?；炷林屑尤刖郾├w維可以改善結構的抗火（高溫）性能，較好的解決混凝土高溫爆裂問，基于此，本文綜述了聚丙烯纖維混凝土高溫前、中、后各項性能研究現(xiàn)狀.

關鍵詞：高溫；聚丙烯纖維；混凝土；力學性能；爆裂性能；耐久性能

Abstract：With the gradual improvement of living standards，buildings are becoming more and more large-scale and functional，which greatly increases the possibility of building fire. In the process of fire，the loss of strength of concrete materials leads to structural failure and even collapse. In order to reduce the damage caused by fire，concrete structures should maintain sufficient strength，stiffness and integrity during a certain period of time when fire occurs. Fiber material is a new kind of reinforcing and toughening material used in concrete. The addition of polypropylene fibers in concrete can improve the fire resistance（high temperature）performance of the structure and better solve the problem of high temperature cracking of concrete. Based on this，this paper summarizes the research status of various properties of polypropylene fibers concrete at high temperature.

Key words：High temperature；Polypropylene fiber；Concrete；Mechanical property；Bursting performance；Durability

引言

在高溫作用下，混凝土結構的性能比常溫更為復雜。由于環(huán)境溫度變化造成的動態(tài)不均勻溫度場、溫度與荷載的耦合作用以及混凝土材料性能的差異等都使得混凝土高溫性能的試驗研究和理論分析難度較大，對這方面的研究成果正處于增長趨勢，混凝土結構受高溫作用后的諸多問題正在解決，與普通混凝土高溫性能的研究相比，纖維混凝土高溫性能的研究起步較晚，多集中于纖維對混凝土抗壓、抗拉等基本力學性能與耐久性方面的研究。隨著纖維混凝土在實際工程中的廣泛應用，聚丙烯纖維混凝土高溫性能的研究具有十分重要的理論意義和實用價值。[1-2]

1 聚丙烯纖維對混凝土性能的影響

1.1 力學性能

權長青[3]等針對鋼纖維、聚丙烯纖維、粉煤灰三種因素對混雜纖維混凝土力學性能的影響，進行正交試驗設計。結果表明，纖維的摻入能顯著提高混凝土的劈拉強度，纖維對混凝土抗壓強度的增強效應不如劈拉強度的增強效應顯著。

周玲珠[4]等研究不同膠集比和減水劑摻量對高摻量聚丙烯纖維自密實混凝土工作性能和抗壓強度的影響。結果表明，高摻量聚丙烯纖維加入降低了自密實混凝土的擴展度和抗壓強度。

宋文浚[5]進行聚丙烯短纖維水工混凝土力學性能試驗。結果表明：摻聚丙烯短纖維的水工混凝土抗裂性和抗沖磨性顯著增強.

通過分析以上學者的研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維能夠顯著提高混凝土的劈拉強度，抗裂性及抗沖磨性，對混凝土抗壓強度增強作用并不顯著。

1.2耐久性能

高全青[6]定量評價膨脹劑與纖維復合對自密實混凝土性能的影響；并與單獨摻加膨脹劑與纖維的SCC的耐久性能進行對比。結果顯示：纖維可以延緩混凝土表面剝落，從而減小質量損失。聚丙烯纖維早期抗裂效果優(yōu)于鋼纖維。

周志云[7]等對聚丙烯纖維混凝土進行水凍和鹽凍循環(huán)試驗。結果顯示：聚丙烯纖維的加入能提高混凝土的抗凍性和抗鹽凍性.

王晨飛[8]等采用干濕循環(huán)和快速凍融試驗方法研究纖維混凝土的耐久性。結果表明：干濕循環(huán)條件下，氯離子的滲透深度隨著纖維摻量的增加逐漸加深；鹽凍循環(huán)條件下，混凝土的抗鹽凍性能隨隨著纖維摻量的增加而提高。

通過分析以上學者的研究發(fā)現(xiàn)，纖維的加入能延緩混凝土表面脫落，提高混凝土的抗凍性等耐久性能。

2 高溫中聚丙烯纖維混凝土性能研究

劉鑫[9]等對基準混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土進行了熱-力耦合作用下的試驗，同時采用聲發(fā)射技術對試驗過程進行了全程監(jiān)測。結果顯示：PVA纖維的摻入可以延緩混凝土的強度劣化，并增強混凝土的延性PVA纖維的摻入可以提高高溫下混凝土抵抗破壞的能力。

蔣濱[10]對普通強度等級混凝土及不同摻鋼量纖維混凝土的高溫后力學性能進行試驗研究。結果表明：隨著溫度的升高，高溫后混凝土試件的抗壓強度和聲波傳播速度逐漸降低，并且下降趨勢隨著溫度的升高而加??；不同鋼纖維摻量對高溫后混凝土試塊抗壓強度有一定影響。

常傳鵬[11]等對聚丙烯纖維混凝土和素混凝土抗壓強度進行試驗研究。結果表明：無論纖維混凝土還是素混凝土抗壓強度均隨溫度升高逐漸降低，且纖維的含量在一定范圍內對混凝土強度影響較小。

王海[12]等通過摻加改性聚丙烯纖維和聚丙烯混雜纖維混凝土在400℃和800℃高溫后的質量損失及殘余抗壓強度對比，結果表明：：改性聚丙烯纖維的摻加可以有效提高混凝土的耐高溫性能，隨著纖維摻量的增加，高溫后混凝土的質量損失和抗壓強度損失均減少，且聚丙烯纖維的摻加可以有效降低混凝土發(fā)生爆裂的可能性。

通過分析以上學者的研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維能提高混凝土的耐高溫性能，但在高溫下一定范圍內對混凝土強度影響較小。

3 高溫后聚丙烯纖維混凝土性能研究

3.1 高溫后聚丙烯纖維混凝土力學性能的研究

謝靜[13]對摻聚丙烯纖維的HSC高溫后抗壓性能進行研究。建立了立方體抗壓強度、軸心抗壓強度與高溫灼燒溫度的關系式。同時探討了試件尺寸對高溫前后立方體抗壓強度的影響等。

郭瑞晉[14]對溫度、冷卻方式、纖維摻量、纖維長度、直徑對高溫后聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量的影響結果進行總結。從整體來看溫度的升高，強度、彈性模量下降；從纖維摻量、長度、直徑來看，纖維摻量、長度、直徑增加，混凝土強度、彈性模量下降。

F.B. Varona [15] 研究普通和高強度纖維增強混凝土的試驗結果，并在高溫下進行了試驗。這些結果與以前的研究有很好的相關性，并得到了描述高溫下抗壓強度和抗折強度演變的方程。

總結以上纖維混凝土高溫后力學性能的研究文獻，其研究內容主要集中于纖維混凝土高溫后的抗壓強度、抗折強度、彈性模量、殘余抗壓強度和殘余劈拉強度等基本力學性能，研究表明，隨著纖維混凝土所受溫度的升高，其抗壓強度、劈拉強度逐漸減小，彈性模量呈下降趨勢，適宜摻量和長度下，聚丙烯纖維既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。

3.2 高溫后聚丙烯纖維混凝土損傷特征的研究

元成方[16]等對高溫后聚丙烯纖維混凝土的表觀損傷、內部損傷以及微觀形貌進行分析，深入研究聚丙烯纖維混凝土的高溫損傷特征。結果表明：聚丙烯纖維可以有效改善混凝土的高溫性能，抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

Albert N，Noumowe[17]等人研究了高溫后高性能混凝土的滲透性能。結果表明：200℃高溫下，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未經(jīng)受高溫的素混凝土相當。

王靜[18]研究不同溫度作用下聚丙烯纖維混凝土的表觀損傷特征，分析高溫作用后聚丙烯纖維混凝土的質量、抗壓強度、吸水率及動彈性模量的變化規(guī)律。研究結果表明：聚丙烯纖維可以改善混凝土的高溫爆裂性能，高溫后各項性能均優(yōu)于普通混凝土。

總結以上纖維混凝土高溫后損傷特征的研究文獻，經(jīng)歷最高溫度越高，混凝土表觀損傷越嚴重，聚丙烯纖維可以有效改善混凝土的高溫性能，抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。聚丙烯纖維混凝土在經(jīng)歷高溫后內部纖維熔化，留下大量空隙，使得混凝土高溫后的力學性能進一步惡化。

3.3 高溫后聚丙烯纖維混凝土爆裂性能的研究

洪亞強[19]對聚丙烯纖維及改性玻璃纖維進行高溫研究，結果顯示：在混凝土中摻入聚丙烯纖維及改性玻璃纖維均可增強混凝土抗爆裂性能。

高丹盈[20]對聚丙烯-鋼纖維混雜混凝土高溫性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)混凝土經(jīng)歷的最高溫度越高，其表觀劣化越嚴重，混雜纖維能有效抑制高強混凝土的高溫爆裂。

孫蓓[21]對抗高溫爆裂混凝土的研發(fā)，進行了瞬間高溫下超高強混凝土抗爆裂性能的研究。結果顯示：聚丙烯纖維單摻或與鋼纖維復摻均能提高抗爆裂性能；骨料種類和含濕量對爆裂性能影響均不顯著。

王珍[22]分析混凝土高溫爆裂機理，總結了在聚丙烯纖維對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)。

總結以上研究文獻，由于高溫環(huán)境下纖維由于自身熔融后的消散或逸出，留下的空隙可以為水蒸氣溢出提供通道，從而有利于提升再生混凝土的高溫防爆裂能力，纖維對混凝土高溫后的爆裂性能得到了有效的改善。

4 結論

（1）聚丙烯纖維的加入能很好的提高混凝土的爆裂性能及耐久性能，對部分力學性能也有提高；

（2）聚丙烯纖維的加入能很好的提高混凝土在經(jīng)受高溫作用后的力學性能及抗凍性能；

（3）國內外對于聚丙烯纖維混凝土力學性能研究內容主要集中于纖維混凝土高溫后的抗壓強度、抗折強度、彈性模量、殘余抗壓強度和殘余劈拉強度等基本力學性能；

（4）國內外對于纖維混凝土高溫后損傷特征的研究主要集中于纖維混凝土高溫后的混凝土本身裂縫、孔隙、表層脫落等表觀特征、內部損傷特征以及通過質量、強度、彈性模量、耐久性、質量損失、抗壓強度、吸水率等特性；

（5）總體而言，國內外對于聚丙烯混凝土材料在熱-力耦合作用下的研究較少，主要集中在高溫爆裂及高溫后混凝土材料性能的研究，未能反映聚丙烯纖維混凝土在火災條件下的真實情況。國內外對于高溫后損傷特征多在于基本力學性能及表觀損傷研究，對高溫中損傷特征研究較少。

參考文獻

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基金項目：本文系揚州大學2018年度大學生科創(chuàng)基金項目，項目編號：x20180360

（作者單位：揚州大學 建筑科學院工程學院）