纤维增强水泥砂浆的耐高温性能★

高紫阳 蒋晓宇 朱成安 高陈彪 谢子令

(温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)

纤维增强水泥砂浆的耐高温性能★

高紫阳 蒋晓宇 朱成安 高陈彪 谢子令

(温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)

通过对普通硅酸盐水泥、粉煤灰、钢纤维制备的不同试样的实验测试，测得了不同纤维含量的水泥基复合材料在高温后的质量损失、超声波波速损失及力学性质，结果表明：随温度升高，其质量损失百分比、波速减少百分比均增大，水泥基复合材料的抗压、抗折强度不断减小。

钢纤维,水泥基材料，纤维掺量，力学性质

0 引言

水泥基材料作为土木工程主体材料已有一百多年历史了。其优良的性能，使得水泥基材料广泛应用于高楼、道路和工厂等地方。水泥基材料是一种非均质材料,内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要因素[1]。火灾受热下会产生微观温度应力，出现脱水现象，使其力学性质发生改变，结构性能大大削弱，造成巨大财产损失。水泥基材料质量减少,形成大量的孔洞和裂纹,导致强度、弹性模量和耐久性急剧下降。因此，其耐高温性能不够理想。

随着建筑的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土的耐久性问题越来越引起国内外学者关注。大量的研究使得混凝土的各种力学性能与耐久性都有了很大的改善。但却没有使其耐火、耐高温性能得到相应的提高，相反由于密实性的提高而影响高性能混凝土的耐高温性能。随着城市火灾的不断发生，而火灾造成混凝土结构的破坏日益加剧,使得混凝土建筑存在很大的安全隐患。一旦发生事故，会引起巨大的经济损失和伤亡。提高该材料耐高温性能，有利于建筑物在高温下强度损失减少，延长建筑物使用年限，有着巨大的经济和社会效益。

20世纪60年代中期起，钢纤维增强混凝土在土木工程中获得日益广泛的应用，在研究其增强机理时，人们发现了钢纤维与混凝土之间的密切关系，纤维增强混凝土的研究蓬勃开展起来[2]。掺有钢纤维的混凝土比普通混凝土有更出色的力学性能[3]。掺入钢纤维能够提高混凝土的韧性和延性，并且已经在实际工程中使用[4]。钢纤维以其优良的物理性能在土木、水利建筑更多专业领域得到逐步推广和应用[5]。

虽然此前已有一些实验采用低掺量(纤维体积率为1%～2%)的高强高弹聚乙烯醇纤维(简称PVA纤维)进行了水泥基材料的耐高温性能影响研究，有一定的研究积累。但对于钢纤维含量对水泥基材料的耐高温性能影响，还有待更深入一步研究。鉴于此，本实验对不同纤维含量的水泥基复合材料在不同温度作用后的外观形貌、质量损失、力学性能(抗压强度、抗折强度)及超声波波速的变化规律进行了系统的实验研究，旨在揭示高温处理后的损伤特性及变化规律。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验中所采用的水泥为海螺牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥；砂为福建中砂，细度模数为2.4；粉煤灰(温州电厂，二级)；钢纤维：赣州大业金属纤维有限公司的镀铜钢纤维(抗拉强度大于2 850 MPa，直径0.2 mm，长度13 mm)。

1.2 试件设计与制作

试件共分4组，实验配合比如表1所示。试件采用钢试模浇铸成型，两侧均涂有润滑油。先称取好水泥加入搅拌机，干拌2 min，依次慢慢加入粉煤灰、纤维和砂子干拌2 min，最后加水搅拌。搅拌均匀后移至钢试模中，在振动台上振动30 s，振动后平面刮平并增补，再重复振动2次。移至地面养护28 d。

表1 实验配合比 kg

1.3 实验测试

将每大组试块分成三小组，每小组试件数目为3个；三个小组的试块分别进行养护28 d后，置试块于炉中，分别升温至室温，300 ℃,600 ℃,900 ℃，达到最高温度后保温2 h，打开炉门进行冷却。待试样冷却至室温，取出试块，称取高温后的质量，观察试块表面有无裂缝，有无脱落。最后对每组试块进行质量损失、超声波波速减少、立方抗压强度测试、棱柱抗压强度测试、抗折强度测试等实验。

2 实验结果与分析

2.1 试样高温前后表观特性

由于纤维添加和有纤维的试样的表观特性十分相似，故不分别说明。从图1中可以看出来，在经过300 ℃高温处理后的试样与常温状态下的试样在表观差异上并不是十分明显，没有非常明显开裂的痕迹，也无贯穿性的裂缝，仅仅孔洞略微的有点扩大，表面颜色变浅，主要是在高温处理的过程中由于地质聚合物中的结合水蒸发所导致的。但是经过600 ℃，900 ℃高温处理过的试样却变化十分明显。600 ℃处理后的试样绝大部分面积呈灰白色，添加钢纤维的试样中在其表面还能看见一些红褐色的锈斑，这是由于这批试样在进行自然冷却的时候正巧遇到下雨天，导致空气中的水蒸气含量高，高温后的钢纤维与水蒸气发生了氧化反应所致。试样表面的孔洞增多，裂纹也十分清晰，甚至有掉皮的现象，但这仅发生在试样的表面，孔洞和裂纹没有贯穿试样整体，依旧保持一个试样的整体性，满足实验的要求。900 ℃的试样较之600 ℃试样，表面颜色更白一些，孔洞和裂纹也明显很多，稍微一用力碰触就有尘土掉落，但仍然满足进行实验的基本要求。试样表观形态汇总见表2。

表2 不含纤维的水泥试样的高温前后表观特性

纤维的添加对水泥试样破坏形态也具有一定的影响。如图2所示，对比图2可以清晰的看到，不含纤维的地质聚合物试件为脆性破坏，裂缝横贯试件整体，试件断成两截，在仪器上接收入到的图像为上升的力曲线突然下降。而含有纤维的试件被破坏时，产生一条没有贯穿整体的裂缝，从裂缝中裸露的纤维我们可以看到钢纤维仍然相互连接，没有发生断裂，基体在纤维的帮助下保持一个整体，纤维增强水泥基复合材料具有一定的韧性。

2.2 质量损失

图3是质量损失率—温度曲线，从图3中可以看出，试件质量损失随温度增高而增大，达到900 ℃时，试块质量损失百分比最高可达10.62%。水泥基材料的质量损失主要由于水分的蒸发、水化硅酸钙脱水分解和碳酸钙的分解。在0 ℃～300 ℃时，试件内部自由水大量蒸发，质量损失较大，300 ℃～600 ℃时，自由水、吸附水和层间水蒸发，水化硅酸钙脱水分解和碳酸钙的分解，使得试件的质量损失大幅度增大，质量损失率达6.41%，质量损失在此温度区间较大，而高于600 ℃后质量损失仍存在，但由于前阶段的水分已大量蒸发，水化产物已分解等，总体变化较小，质量损失百分比只比600 ℃温度下高出1.9%。通过比对同温度下不同纤维掺量组的质量损失百分比，不难得出，总体曲线趋势是一致的，质量损失百分比最大相差1.2%，差别较小，在实验误差之内，钢纤维在加热前后并没有太多的质量变化，因此不同钢纤维掺量对水泥基复合材料加热前后质量损失并无明显影响。

2.3 超声波波速性质

图4是超声波波速损失率—温度曲线，以图4可以看出，超声波波速随温度升高有明显降低，试块超声波波速减少百分比最大可达83.86%。低于300 ℃时波速减少百分比增长较缓慢，最高减少9.59%。在300 ℃～600 ℃波速减少百分比增长迅速，损失高达72.61%，但高于600 ℃后又缓慢增长，可知当温度在300 ℃～600 ℃时，超声波波速减少较大。比对各不同钢纤维掺量组实验数据，总体趋势没有改变，且同温度下不同钢纤维掺量试块超声波波速减少相差最大4.42%。可见不同钢纤维掺量对水泥基材料加热前后波速变化影响不大。

2.4 力学性能

图5是抗折强度—温度曲线关系图，从图5可以看出，水泥基复合材料的抗剪强度随温度上升明显下降，至900 ℃时已经接近于0，此时水泥基材料已经不可以作为受弯构件。抗折强度在加热到300 ℃开始大幅度下降，在300 ℃～600 ℃区间强度下降45.14%。这是由于与抗压强度相比，抗折强度对裂纹的敏感性更大；而600 ℃～900 ℃范围内，抗折强度下降只占总下降中的28.77%。比对不同钢纤维掺量组的实验数据，总体趋势是一致的，增加纤维的试块抗折强度数值明显提升，最高可提升12.32%。

图6是棱柱抗压强度—温度曲线图，从图6中可以看出，棱柱抗压强度在温度低于300 ℃时，抗压强度值反而上升7.31%；高于300 ℃后，抗压强度下降速率明显增大。300 ℃～600 ℃强度数值下降25.68%，600 ℃后抗压强度下降尤为明显，水泥基材料内部的水分几乎完全蒸发、水化硅酸钙脱水分解和碳酸钙的分解，内部结构发生改变，棱柱抗压强度也随之大幅度下降，此温度区间棱柱抗压强度下降占总体下降的69.50%。

图7是立方抗压强度—温度关系曲线。从图7可以看出，与抗折强度与棱柱抗压强度不同，立方抗压时对于试块裂缝的敏感度较低，因此温度低于300 ℃时，立方抗压强度值反而上升6.38%；高于300 ℃后，立方抗压强度下降尤为明显，300 ℃～600 ℃强度数值下降39.83%，表明此温度区间强度下降占总强度下降中的72.47%。600 ℃～900 ℃，立方抗压强度仍保持高速下降的趋势。所以混凝土的立方抗压强度主要在300 ℃～900 ℃损失。掺入钢纤维的材料明显在抗压数值上有所增大，随纤维掺量的增大，立方抗压强度提升的数值也升高，立方抗压强度最高可以提升27.01%。从数据中可以看出，纤维的加入对于试块的抗折强度提升高于立方抗压强度提升。由于抗折强度对于裂缝的敏感较大，而纤维的加入有助于阻止裂缝的扩张，减少了材料的内部缺陷，提高了材料的初裂强度，延迟了裂缝的产生，增强了材料的韧性。随钢纤维含量增大，水泥基复合材料的立方抗压、抗折强度都不断增大，其中抗折强度最高提升25.32%，立方抗压强度最高提升27.01%。因此纤维对水泥基材料的强度有明显的提升。

3 结语

1)水泥基复合材料的质量损失随作用温度的增高而增大；超

声波波速损失随作用温度的升高而明显增大；抗压及抗折强度随温度上升明显下降。2)同一温度下，随钢纤维含量增多，水泥基复合材料的试块立方抗压强度明显有所提高，抗折强度也有所提升，且纤维的加入对于试块的抗折强度提升相对值高于抗压强度。但高温后的质量及超声波波速损失对纤维掺量的变化不敏感。

[1] 贾 哲，姜 波，程光旭，等.纤维增强水泥基复合材料研究进展.混凝土,2007(8):65-67.

[2] 李国维，高 磊，黄志怀，等.全长黏结玻璃纤维增强聚合物锚杆破坏机制拉拔模型试验.岩土力学与工程学报,2007(8):1654-1655.

[3] 刘永胜，王肖钧，金 挺，等.钢纤维混凝土力学性能和本构关系研究.中国科技大学学报,2007(7):719-723.

[4] 卢亦焱，陈 娟，李 杉.钢管显微高强混凝土短柱轴心受压试验研究.建筑结构学报，2011(32):166-171.

[5] 杨 萌，黄承逵.钢纤维高强混凝土轴拉性能实验研究.土木工程学报,2006(3):55-61.

High-temperature-resistant performance of fiber-reinforced cement mortar★

Gao Ziyang Jiang Xiaoyu Zhu Cheng’an Gao Chenbiao Xie Ziling

(CollegeofBuildingEngineering,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)

The paper applies common portland cement, fly ash and steel fiber for fabricating various fiber parameters testing examples, and measures the quality loss, supersonic velocity loss and mechanical properties of cement-based composites with different fiber contents after high temperature. Results show that: with the temperature rising, both the quality loss percentage and the supersonic velocity reducing percentage increase, cement-foundation composite material pressure-resisting strength and bending-resisting strength continuously reduce.

steel fiber, cement-foundation composite material, fiber parameter, mechanical properties

2015-09-11★：温州大学“大学生创新创业训练计划”(项目编号：DC2014079)

高紫阳(1994- )，男，在读本科生； 蒋晓宇(1995- )，男，在读本科生； 朱成安(1994- )，男，在读本科生； 高陈彪(1995- )，男，在读本科生； 谢子令(1978- )，男，讲师

1009-6825(2015)33-0122-03

TU525

A