聚丙烯與鋼纖維混凝土的抗火性能研究

摘 要：為研究添加聚丙烯纖維與鋼纖維混凝土的耐火性能，對不同纖維含量的混凝土進行了高溫耐火試驗及抗壓試驗，并與普通混凝土材料進行了對比分析。試驗結果表明：添加一定量的纖維能夠改善混凝土的抗壓強度和抗裂性能，但同時降低了混凝土的延性。聚丙烯纖維材料對抗壓強度的提高比鋼纖維更好。當纖維含量高于最優(yōu)含量時，對混凝土性能的改善效果明顯下降；高溫試驗中，纖維混凝土的冷卻速度比普通混凝土要慢；高溫試驗后，纖維混凝土和普通混凝土的抗壓強度均都有所提高。

關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土；鋼纖維混凝土；抗壓強度；抗火性能

中圖分類號：TU398.9;TU352.5

文獻標志碼：A

混凝土作為目前工程上使用最廣泛的材料，其力學性能和抗火性能一直都是研究的熱點問題。混凝土在火災后強度會發(fā)生降低，400 ℃以上時，混凝土強度明顯下降，800 ℃以上時，抗壓強度只有常溫的20%左右^［1］。高溫后的混凝土性能劣化，使得結構的安全性大大降低，極易引發(fā)嚴重的破壞甚至連續(xù)性倒塌^［2］。胡海濤等^［3］對高強混凝土的防火性能進行了試驗研究，結果表明溫度高于200 ℃時，高強混凝土的強度就開始下降。因此，研究混凝土在高溫下及冷卻后的力學性能，從而改善它們的性能變得尤為重要。

普通混凝土由于抗拉性能較差，正常使用期間常帶裂縫工作，這會影響混凝土結構耐久性與抗火性能。試驗研究表明^［4-12］，在混凝土中添加鋼纖維、聚丙烯纖維等纖維能夠明顯改善混凝土在高溫后的力學性能，鋼纖維可以提高混凝土的強度尤其是抗拉強度，能夠明顯改善混凝土的抗裂性能，聚丙烯纖維會降低混凝土的滲透性及孔隙率，能夠有效防止混凝土在高溫下的爆裂。

1 試驗概況

1.1 試件材料

本次試驗的水泥采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料采用粒徑為0～4 mm的硅質河沙，粗骨料采用硅石，骨料級配為4～20 mm，最大粒徑12 mm；水采用普通自來水；鋼纖維兩端均有微彎的彎鉤；混凝土配比見表1，鋼纖維與聚丙烯纖維的材料特性見表2。試驗所用的纖維類型有鋼纖維如圖1（a）和聚丙烯纖維如圖1（b）所示。

1.2 試驗試件制作

本次試驗共制作了3批次共計30個直徑150 mm、高度300 mm的圓柱體試件，第1批次為

6個未添加纖維的普通混凝土試件；第2批次為12個添加鋼纖維的混凝土試件，其中，6個鋼纖維添加量為1%，其余6個添加量為2%；第3批次為12個添加了聚丙烯纖維的試件，其中，6個纖維含量為1%，其余6個纖維含量為2%。采用機械分離機篩選粗骨料，以保證其最大粒徑不超過12 mm。試件制作前，所有材料均置于實驗室24 h以上，為保證混凝土中纖維分布均勻，材料按照以下順序加入：爍石、水泥、砂、纖維添加物。為保證混凝土質量，先加入干燥的原料至攪拌機中攪拌2 min后再加入水攪拌5 min。澆筑完成后24 h拆模，標養(yǎng)28 d。各試件編號如表3所示。

1.3 試驗過程

為研究添加聚丙烯纖維和鋼纖維的混凝土力學性能，對制作的3批次圓柱體試件進行直接抗壓和高溫后抗壓試驗。高溫試驗試件采用40 kg木材噴灑汽油進行燃燒，高溫試驗持續(xù)1 h，試驗中采用紅外測溫儀每15 min記錄一次溫度。高溫試驗結束，待試件冷卻后使用萬能試驗機對試件進行抗壓試驗，加載開始時施加預估最大荷載的10%作為預加載，使試件兩端的平板能夠均勻支撐在其表面，隨后再以500 N/s的加載速率勻速加載直至試件破壞。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

在經(jīng)過高溫燃燒試驗之后，采用壓力試驗機對其進行標準抗壓試驗。圖2給出了具有代表性的試件破壞形態(tài)。其中，2（a）為高溫后普通混凝土直接抗壓試驗結果，2（b）為聚丙烯纖維混凝土高溫后抗壓試驗結果，2（c）為鋼纖維混凝土高溫后抗壓試驗結果。

由圖2（a）可知，普通混凝土試件直接抗壓試驗呈爆裂式破壞，裂縫較寬且較深，這表明試件出現(xiàn)結構性破壞前，內部已出現(xiàn)了明顯的破碎。由圖2（b）可知，聚丙烯纖維混凝土直接受壓破壞時未出現(xiàn)顯著的爆裂情況。圖2（c）所示為鋼纖維混凝土高溫后受壓破壞時裂縫寬度較小，且試件也未出現(xiàn)嚴重的爆裂。這表明添加鋼纖維和聚丙烯纖維后，混凝土在高溫試驗前后的受壓爆裂式破壞明顯改善，并且裂縫情況也有所改善。

2.2 高溫試驗溫度分析

高溫環(huán)境下，材料的性能可能發(fā)生變化，因此，對于普通混凝土、鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土在高溫條件下的行為進行分析，可以評估它們在火災等緊急情況下的結構安全性。圖3為不同纖維混凝土及不同纖維含量時，抗火試驗中的溫度隨時間的變化情況。

由圖3可知，各試件在高溫后45 min左右達到峰值溫度，鋼纖維混凝土、普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的峰值溫度分別達到了413 ℃、337 ℃和380 ℃，從曲線下降段可以明顯看出，普通混凝土試件在峰值溫度以后冷卻速度更快。根據(jù)圖中曲線與橫坐標軸包圍的面積可以分析各試件受高溫的影響程度，計算得到鋼纖維混凝土、普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土受高溫的影響程度分別為14 440 ℃·min、11 217 ℃·min和11 490 ℃·min，這表明鋼纖維混凝土的耐火性能較普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土更好。

文獻［9］表明，添入聚丙烯纖維會增加混凝土在高溫下的孔隙率，當溫度達到聚丙烯纖維熔點（約170 ℃）時，聚丙烯纖維會熔化從混凝土中逸出，混凝土內部會產(chǎn)生一系列孔隙通道使得水蒸氣從中散發(fā)，從而減小混凝土的孔隙壓力和峰值溫度。普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土受高溫影響程度較為接近，這是因為雖然聚丙烯纖維混凝土峰值溫度較低，但是冷卻速度較慢，而普通混凝土的冷卻速度較快。在混凝土暴露于高溫環(huán)境中，聚丙烯纖維起到了兩個關鍵作用。第一，它們通過形成孔隙通道促進了水蒸氣的釋放，從而減小了混凝土內部的孔隙壓力。第二，由于聚丙烯纖維具有較低的熔點，它們在高溫下會熔化并從混凝土中逸出，減輕了混凝土的負荷。因此，聚丙烯纖維在提高混凝土的高溫抗性方面發(fā)揮了積極的作用。

通過對試件溫度平均值的分析，可以評估材料在高溫環(huán)境下的表現(xiàn)。不同材料在高溫下可能會表現(xiàn)出不同的行為。圖4為高溫試驗過程中，各試件在不同時刻記錄的溫度。其中，圖4（a）的纖維含量為1%，圖4（b）的纖維含量為2%。

由圖4（a）可知，當添加1%纖維后，混凝土升溫速度明顯提高，但降溫速度發(fā)生減小，聚丙烯纖維混凝土升溫速度最慢，且峰值溫度也最低。由圖4（b）可知，當纖維含量增加到2%時，在前30 min之內各試件溫度比較接近；在45 min時，鋼纖維混凝土的峰值溫度最高，聚丙烯纖維混凝土的峰值溫度最低；在45 min以后，鋼纖維與聚丙烯纖維混凝土的降溫速度均比普通混凝土低。

2.3 應力應變關系

應力應變關系反映了材料的強度、剛度以及延性等方面的力學特性。這些特性對于評估材料在實際應用中的性能至關重要。因此，為對比不同纖維類型及含量對混凝土抗壓強度和延性的影響，圖5給出了各試件直接抗壓試驗得到的應力-應變曲線。

由圖5可知，添加纖維的混凝土抗壓強度均出現(xiàn)了明顯提高，1%與2%纖維含量試件的抗壓強度較為接近，這表明纖維含量從1%提高到2%對混凝土強度影響不大。聚丙烯纖維混凝土的強度較鋼纖維混凝土更高，這表明聚丙烯纖維對混凝土抗壓強度的改善作用較鋼纖維更為明顯。此外，普通混凝土試件曲線下降段較為平緩，而添加纖維后曲線下降段均出現(xiàn)了變陡的情況。因此，可以看出添加纖維后降低了混凝土的延性。

通過分析高溫后的抗壓應力-應變曲線，可以評估材料在高溫環(huán)境下的承載能力和變形行為。圖6為各試件高溫后抗壓試驗得到的應力-應變曲線。

由圖6可知，與直接抗壓試驗得到的結果類似，纖維混凝土抗壓強度較普通混凝土有明顯的提高，聚丙烯纖維混凝土峰值應力最大，其次是鋼纖維混凝土，而普通混凝土最低，并且1%和2%的纖維含量的試驗結果比較接近。

直接抗壓試驗是在室溫下進行的，旨在評估纖維混凝土在常規(guī)條件下的抗壓強度。高溫后抗壓試驗是將纖維混凝土暴露在高溫環(huán)境下后進行的抗壓試驗。它旨在評估纖維混凝土在高溫條件下的抗壓性能。為研究纖維添加情況與高溫對混凝土強度的影響，圖7給出了纖維混凝土試件的抗壓強度與普通混凝土強度之比。

由圖7可知，無論試件是否經(jīng)過高溫試驗，添加聚丙烯纖維或鋼纖維后混凝土強度都有明顯提高。對于聚丙烯纖維混凝土，纖維含量從1%增加到2%時，混凝土強度幾乎沒有增加，甚至在高溫試驗后還出現(xiàn)了降低，因此，可以認為1%為最優(yōu)纖維含量。由圖7進一步可知，纖維混凝土和普通混凝土在高溫試驗后抗壓強度都出現(xiàn)了明顯提高。

平均峰值強度是對試件在加載過程中達到的最大強度值進行平均計算的結果。它反映了材料在試驗條件下的整體強度水平。圖8給出了直接抗壓試驗和高溫后抗壓試驗，各試件平均峰值強度和平均峰值應變，縱坐標以未進行高溫試驗普通混凝土試件的平均峰值應力σ_maxSA與平均峰值應變ε_maxSA的平均值歸一化結果。

由圖8可知，在進行高溫試驗之前，聚丙烯纖維混凝土具有更大的抗壓強度與峰值應變，兩者受纖維添加量的影響較小，而鋼纖維混凝土的抗壓強度與峰值應變相對較小，并且峰值應變在纖維含量增加時有所減小。當試件進行高溫試驗以后，聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強度和峰值應變都明顯提高，并且纖維含量較小時，混凝土表現(xiàn)出更好的抗壓性能。

極限應力的平均值反映了試件在加載過程中能夠承受的最大應力水平。通過對不同試件的極限應力平均值進行比較，可以評估材料的相對極限承載能力。圖9給出了高溫試驗前后，各試件極限強度和極限應變的平均值，縱坐標以未進行高溫試驗普通混凝土試件的相應結果進行歸一化。

由圖9可知，未進行高溫試驗的聚丙烯纖維混凝土比鋼纖維混凝土的極限強度高，而混凝土的極限應變受纖維的影響很小。高溫試驗后，聚丙烯纖維含量的增加使混凝土的極限強度有所提高，而鋼纖維含量的提高使混凝土的極限強度有所減小。此外，高溫試驗以后混凝土的極限應變有明顯提高，而纖維對混凝土的極限應變影響較小。

2.4 應變能分析

應變能分析是對材料或結構在加載過程中的能量吸收和分布進行研究和評估的方法。表4為各試件的平均峰值應力σ_max、平均極限應力σ_u、平均最大應變ε_max、平均極限應變ε_u、平均最大變形能E_max及平均極限變形能E_u。

由表4數(shù)據(jù)可知，高溫試驗后各試件的σ_max均有不同程度的增大，而σ_u則出現(xiàn)了減小的情況，E_max和E_u在高溫試驗后均有所增大。

峰值應變能的平均值反映了試件在加載過程中能夠吸收的平均能量。它表示了材料在受力過程中能夠耗散的能量大小。通過比較不同試件的峰值應變能平均值，可以評估材料的相對能量吸收能力。極限應變能的平均值則反映了材料在破壞前能夠吸收的平均最大能量。這有助于評估材料在極限狀況下的能量吸收能力和耐久性。圖10為各試件峰值應變能的平均值與極限應變能的平均值。

由圖10可知，高溫試驗使得混凝土的最大應變能和極限應變能都有所提高；高溫試驗前，2%聚丙烯纖維含量的混凝土的應變能最大，而高溫試驗以后，1%聚丙烯纖維含量的混凝土的應變能最大。

3 結論

通過本文研究主要得到如下幾點結論：

1）無論試件是否經(jīng)過高溫試驗，鋼纖維與聚丙烯纖維均會提高混凝土的抗壓強度，但同時也會降低混凝土的延性。

2）未經(jīng)歷高溫試驗前，混凝土纖維含量相同時，聚丙烯纖維對混凝土抗壓強度的提高優(yōu)于鋼纖維。

3）高溫試驗時，纖維混凝土的峰值溫度要高于普通混凝土。較鋼纖維混凝土，聚丙烯纖維混凝土由于較好的散熱能力，峰值溫度低于鋼纖維混凝土。

4）高溫試驗后，纖維混凝土的冷卻速度比普通混凝土要慢。聚丙烯纖維在高溫下熔化，使得混凝土內部孔隙壓力減小，因此，混凝土裂縫也較小。

5）與普通混凝土相比，添加纖維能夠明顯改善混凝土的抗壓性能和抗火性能。

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（責任編輯：于慧梅）

Fire Resistance Performance Study of Polypropylene Fiber and Steel Fiber Concrete

FU Shijian*

（Guoneng Shuohuang Railway Development Co.， Ltd.， Cangzhou 062350， China）

Abstract： To investigate the fire resistance of concrete with added polypropylene fiber and steel fiber， high-temperature fire resistance tests and compressive strength tests were carried out on concrete with different fiber contents， which is also compared with ordinary concrete materials. The experimental results show that adding a certain amount of fiber improves the compressive strength and crack resistance of concrete， but at the same time reduces the ductility of concrete. The improvement effect of polypropylene fiber material on compressive strength is better than that of steel fiber. When the fiber content is higher than the optimum content， the improvement effect on concrete performance is significantly reduced. In the high-temperature test， the cooling rate of fiber concrete is slower than that of ordinary concrete; after the high-temperature test， the compressive strength of both fiber concrete and ordinary concrete increases.

Key words： polypropylene fiber concrete; steel fiber concrete; compressive strength; fire-resist performance