钢纤维混凝土高温后劈裂抗拉强度性能研究

章冕

[摘要] 综合考虑普通混凝土和体积率为0.5%，1.0%的不同钢纤维掺量的混凝土，加热到300℃，500℃，700℃的不同温度点后，对高温后的钢纤维混凝土的钢筋的劈裂抗拉强度进行试验研究。通过以上内容的研究不同掺量的钢纤维混凝土的劈裂抗拉性能。

[关键词] 钢纤维混凝土；高温；劈裂抗拉强度

1 引言

一般的混凝土结构所处的环境大部分都低于60℃，但为了保证结构物在意外火灾后的正常使用，结构设计中往往需要考虑必要的安全储备。关于常温下钢纤维混凝土的力学变化规律，国内外学者已经做了系统的研究，但在温度高于100℃的高温环境下，钢纤维混凝土的力学性能规律如何变化还有待做进一步深入细致的研究调查。

常温下，对于钢纤维混凝土来说，其优点在于[1]钢纤维提高裂纹扩展区域韧性和应变能，并且钢纤维阻止宏观裂纹的扩展同时提高混凝土的韧性，但是高温下，混凝土结构内部形成不均匀的温度场，改变了其内力和变形状态，而且使材料本身的性能发生变化和蜕变，钢纤维是否也能和常温下一样，起到增韧和阻裂作用，因此，迫切需要对钢纤维混凝土的高温性能进行研究，以确保工程在高温下的安全可靠或对高温后钢纤维混凝土结构的损伤程度进行评估。

本文主要在钢纤维混凝土高温试验研究的基础上， 探讨钢纤维混凝土 不同钢纤维掺量混凝土试件劈裂抗拉强度值随温度的变化规律，为钢纤维混凝土构件和结构的抗火设计及火灾后处理提供试验依据。

2 试验概况

2.1 实验目的

本试验主要探讨高温后钢纤维混凝土的力学性能的变化规律，主要内容有：

（1） 不同的钢纤维掺量对钢纤维混凝土劈裂抗拉性能的影响；

（2） 不同受热温度对钢纤维混凝土劈裂抗拉性能的影响。

2.2 实验步骤

本文采用钢纤维混凝土，加热到不同温度点后分别测定它们劈裂抗拉强度，具体实验步骤如下：

（1） 确定钢纤维混凝土最佳配合比；

（2） 准备原材料，确定试验所需试件尺寸及试件数量；

（3） 钢纤维混凝土试件搅拌成型及养护；

（4） 对钢纤维混凝土试件进行高温处理；

（5） 测定钢纤维混凝土试件的高温残余劈裂抗拉强度；

（6） 总结出高温下钢纤维混凝土残余劈裂抗拉强度的变化规律。

2.3原材料及配合比

本试验所用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料采用符合GB8076规定的5-20mm连续级配的碎石，碎石为石灰石岩；细骨料采用符合GB8076规定的中砂，细度模数大于2.6，级配连续；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，；高效减水剂：河南银州新型建材出产的EAST-SAF-IV缓凝高效减水剂；水：自来水；钢纤维： Harex钢丝钢纤维，长度30mm， 等效直径0.5mm， 长径比60， 密度7.8g/cm ，抗拉强度650-800 MP，弹性模量200 GP，本文对于钢纤维都设计了3种掺量分别为0%（CON）、0.5%（SF0.5）、1.0%（SF1.0），混凝土基体强度等级为C40。

2.4实验方法

试验采用4组150mm×150mm×150mm的立方体混凝土试件，当混凝土试件到达56d龄期之后，将试件从养护室拿出，放进高温炉中加热，加热速度8-10℃/min。炉温达到目标温度后恒温1小时，随后自然冷却至室温。接着再进行下一步残余力学性能测试。各混凝土分别加热到最高温度为300℃，500℃，700℃。试验升温设备为箱式电阻炉。钢纤维混凝土粘结强度测试按照《钢纤维混凝土试验方法》（CECS13：89）的方法进行。本实验采用荷载控制。

3试验结果

图1 高温后各类混凝土劈裂抗拉强度值

图3-1是高温后不同钢纤维掺量混凝土试件劈裂抗拉强度值随温度变化的实验结果。从图中可以看出，常溫下各种混凝土试件的劈裂抗拉强度大小依次为SF1.0>SF0.5>CON，高温作用使钢纤维混凝土和普通混凝土的劈裂抗拉强度下降，且所受最高温度越高，其残余劈裂抗拉强度越低；从实验结果可以看出关于普通混凝土试件CON高温后劈裂抗拉强度的变化情况是近似于线性下降，从常温加热到300℃时劈裂抗拉强度下降到常温的78%，到达500℃强度只有常温的44%，加热到700℃后，仅剩下25%；而钢纤维掺量为0.5%的混凝土试件SF0.5，从常温加热到300℃时，劈裂抗拉强度有较大幅度的下降，强度下降到常温的74%，而从300℃至500℃过程期间，劈裂抗拉强度下降较为缓慢，到500℃时，强度为常温的63%，但过了500℃后，残余劈裂抗拉强度再次有较大幅度下降，到700℃时，仅为常温的40%；钢纤维掺量为1.0%的混凝土试件SF1.0，在300℃时，强度比SF0.5的下降更为剧烈，残余强度为常温的63%，而在300℃至500℃期间强度的下降却比SF0.5的更为缓慢，500℃时，残余劈裂抗拉强度为常温的61%，相比300℃时只下降了2%，过了500℃，残余劈裂抗拉强度同样再次大幅度下降，到700℃时，仅为常温的35%。所以从以上分析可以得出，钢纤维混凝土残余劈裂抗拉强度值可以按历经温度分为三个阶段：20-300℃之间，试块劈裂抗拉强度有较大降幅，钢纤维混凝土甚至降幅比普通混凝土稍大；300-500℃之间，试块劈裂抗拉强度下降缓慢，下降幅度远远小于普通混凝土；500-700℃之间，钢纤维混凝土劈裂抗拉强度再一次出现较为剧烈的下降。因此可以按照这三个阶段对混凝土残余劈裂抗拉强度进行回归分析得出劈拉强度曲线。试件经历不同高温后，其残余劈裂抗拉强度及与常温下强度百分比统计如表3-8所示：

从图3-1中我们还可以看出，无论加热到什么温度，在相同温度下，各种混凝土试件的劈裂抗拉强度仍然是SF1.0最大，SF0.5次之，普通混凝土CON最小。总之，历经不同温度后，根据不同混凝土试块得到的试验数据和试验现象，可以看出掺入钢纤维明显增加了混凝土的劈裂抗拉强度，而且当温度超过300℃后掺入钢纤维的混凝土试件，能够显著减缓残余劈裂抗拉强度的下降幅度，起到减缓力学性质劣化的效果。图3-18是钢纤维混凝土高温残余劈裂抗拉强度随钢纤维体积率的变化结果。

4 作用機理分析

常温下钢纤维的加入提高了混凝土的抗拉强度，减少与缩小了裂缝源的尺度和数量，缓和了裂缝尖端应力集中程度，在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，有效的提高了复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力。达到纤维对混凝土的增强与增韧目的，而钢纤维混凝土高温后的劈裂抗拉强度变化情况同样离不开以上因素的作用。

综上所述，钢纤维混凝土和普通混凝土的劈裂抗拉强度随温度升高有所下降，在300℃以内钢纤维混凝土与普通混凝土相比下降幅度并没有降低，在300℃以后钢纤维混凝土比普通混凝土降幅明显减缓，在300-500℃阶段，强度下降很少。在同一温度下，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的高温残余劈裂抗拉强度也在增加。

上述情况是由于温度不均匀产生应力在混凝土内产生了微裂缝及开裂，钢纤维对其有一定的抑制作用，但随着所受温度的升高，混凝土基体强度及对钢纤维的粘结强度明显变弱，从而劈裂抗拉强度下降。由于钢纤维的掺入，使混凝土的残余劈裂抗拉强度较普通混凝土有较大提高，掺入钢纤维后，混凝土的脆性下降，延性和韧性明显提高。掺钢纤维可以明显提高高温后混凝土的残余劈裂抗拉强度，改善混凝土的抗裂性。由图3-1可见，经700℃高温后，纤维掺量为0.5%和1.0%的钢纤维混凝土的残余劈裂抗拉强度率较普通混凝土分别高约43%和51%，足以说明钢纤维混凝土优越的高温性能。

5 结论

钢纤维混凝土和普通混凝土的劈裂抗拉强度随温度升高有所下降，在300℃以内钢纤维混凝土与普通混凝土相比下降幅度并没有降低，在300℃以后钢纤维混凝土比普通混凝土的劈裂抗拉强度降幅明显减缓，在300-500℃阶段，钢纤维混凝土强度下降很少。500℃后，钢纤维混凝土劈裂抗拉强度降幅有所增加，但比普通混凝土下降幅度要小。在同一温度下，钢纤维体积率从0%变化到0.5%阶段钢纤维可以显著提高混凝土的残余劈裂抗拉强度，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的高温残余劈裂抗拉强度也在增加。因此在混凝土中掺入钢纤维，对劈裂抗拉强度的提高比对抗压强度的提高明显。

[参考文献]

[1] B.Georgali， P.E.Tsakiridis. Microstructure of fire-damaged concrete，A case study. Cement & Concrete Composites， 27， 2005： 255-259.