高温后纤维混凝土力学性能研究

邵莲芬，刘华伟

（黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店 463000）

高温后纤维混凝土力学性能研究

邵莲芬，刘华伟

（黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店 463000）

研究了普通混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土高温后的抗压、抗折及劈裂抗拉强度的变化规律。结果表明，混凝土的力学性能随着温度的升高而逐渐降低；温度低于400℃时，聚丙烯纤维混凝土力学性能有所改善，温度高于400℃时，改善作用不明显；800℃时，钢纤维混凝土力学性能残余率都较高；混杂纤维混凝土抗压强度改善作用最显著，残余率最高达到32.4%。

高温；纤维增强混凝土；力学性能

我国城市化水平的迅速提高，房屋密集程度加大，高层超高层建筑越来越多，人口居住密度不断增大，建筑物发生火灾的概率明显加大。建筑物一旦发生火灾，将给人民群众的生命财产和安全造成巨大的损失[1-2]。据统计，现阶段我国每年发生的火灾中，建筑火灾占火灾总数的一半以上，直接经济损失占火灾总损失的80%以上[3]。

纤维混凝土是以混凝土为基体，以金属纤维或有机纤维作为增强材料制成的一种水泥基复合材料，常用的纤维有钢纤维、聚丙烯纤维及二者混杂使用[4-6]。掺入纤维可以有效地克服混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等缺陷[7-8]。聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土在工程中都有大量的应用，因此，研究其高温后力学性能变化十分有必要。

研究普通混凝土（C）、聚丙烯纤维混凝土（PFRC）、钢纤维混凝土（SFRC）及混杂纤维混凝土（HFRC）在高温后力学性能的变化及残余值，对火灾后建筑物的安全评定及加固提供参考。

1 试验

1.1 原材料

P·O42.5水泥，武汉华新水泥有限公司生产；武汉碎石，5～20 mm连续级配；长江中砂，细度模数2.7，含泥量1.2%；聚丙烯纤维，长沙博赛特建筑工程材料有限公司提供，性能参数如表1所示；端钩钢纤维，来自浙江博恩金属制品有限公司，性能参数如表2所示。

表1 聚丙烯纤维的性能参数

表2 钢纤维的性能参数

1.2 试验方法

抗压、抗折和劈裂抗拉强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能测试方法标准》进行测试。抗压强度及劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。成型1 d后脱模，在标准养护室中养护至28 d龄期进行相应测试。

高温试验：高温炉升温速度为10℃/min，分别升温至200、400、600和800℃，保温3 h以保证试件内外温度一致，加热结束后自然冷却，7 d后再进行力学性能测试。

1.3 混凝土配合比

以C40混凝土为研究对象，普通混凝土及纤维混凝土配合比如表3所示，其中纤维按照体积掺量掺入。

表3 普通混凝土及纤维混凝土的配合比

2 结果与讨论

2.1 高温后纤维混凝土抗压强度变化（见图1、图2）

图1 高温后混凝土的抗压强度

图2 高温后混凝土的抗压强度残余率

由图1可知，普通混凝土及纤维混凝土抗压强度都随着温度的升高而降低，在相同温度条件下，各组混凝土抗压强度都呈现如下规律：普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC）＜混杂纤维混凝土（HFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）。

由图2可知，普通混凝土及纤维混凝土抗压强度残余率都随着温度的升高而降低，在相同温度条件下，各组混凝土抗压强度残余率变化规律与强度变化规律有所不同：普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）＜混杂纤维混凝土（HFRC）。纤维混凝土较普通混凝土具有更高的耐高温性能。

不同温度条件下，各组混凝土受温度的影响也不尽相同。200℃时，普通混凝土抗压强度残余率为79%，而3组纤维混凝土的抗压强度残余率都保持在85%～88%；400℃时，普通混凝土抗压强度残余率只有54%，而3组纤维混凝土的抗压强度残余率达到70%～73%；600℃时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为38%左右，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度残余率大于50%；800℃时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为23%左右，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度仍具有33%残余。普通混凝土随着温度的升高都呈现出明显的强度损失；当温度低于400℃时，3组纤维混凝土都具有很高的抗压强度残余率，当温度高于400℃时，聚丙烯纤维混凝土抗压强度残余率显著降低；钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土在不同温度条件下，都具有较高的抗压强度残余率。

2.2 高温后纤维混凝土抗折强度变化（见图3、图4）

图3 高温后混凝土的抗折强度

图4 高温后混凝土的抗折强度残余率

由图3可知，各组混凝土的抗折强度都随着温度的升高而降低，在相同温度条件下，各组混凝土抗折强度与抗压强度具有相同规律：普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC）＜混杂纤维混凝土（HFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）；不同的是，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度明显高于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土。

由图4可知，各组混凝土的抗折强度残余率都随着温度的升高而降低；200、400和600℃条件下，各组混凝土抗折强度残余率规律相同：混杂纤维混凝土（HFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）＜普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC），温度为800℃时为：普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC）＜混杂纤维混凝土（HFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）。

钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度在各个温度条件下都明显高于普通混凝土及聚丙烯纤维混凝土；聚丙烯纤维的掺入使得混凝土抗折强度略有提高，但不明显；钢纤维和混杂纤维显著提高了混凝土的抗折强度。在800℃条件下，钢纤维混凝土的抗折强度仍大于7 MPa，与20℃时普通混凝土抗折强度相差不大（8.3 MPa）。

2.3 高温后纤维混凝土劈裂抗拉强度变化（见图5、图6）

图5 高温后混凝土的劈裂抗拉强度

图6 高温后混凝土的劈裂抗拉强度残余率

由图5可知，各组混凝土的劈裂抗拉强度都随着温度的升高而降低。在20℃和200℃时，各组混凝土劈裂抗拉强度变化规律为：普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）＜混杂纤维混凝土（HFRC）；400、600和800℃时，各组混凝土劈裂抗拉强度变化规律为：普通混凝土（C）＜聚丙烯纤维混凝土（PFRC）＜混杂纤维混凝土（HFRC）＜钢纤维混凝土（SFRC）。

由图6可知，各组混凝土的劈裂抗拉强度残余率随着温度的升高而降低。当温度低于600℃时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的劈裂抗拉强度残余率大于钢纤维及混杂纤维混凝土；当温度为800℃时，劈裂抗拉强度残余率变化规律恰好相反，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土大于钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土。各组混凝土劈裂抗拉强度残余率变化规律与抗折强度残余率变化规律相同。

在相同温度条件下，钢纤维和混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度显著高于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土，并且温度越高，这种差距越明显。温度为800℃时，钢纤维混凝土劈裂抗拉强度为1.50 MPa，而聚丙烯纤维混凝土只有0.45 MPa。2.4高温后混凝土的折压比（见图7）

图7 高温后混凝土的折压比

由图7可知，在相同温度条件下，各组混凝土折压比的变化规律为：钢纤维混凝土最大，混杂纤维混凝土次之，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土折压比相差不大，并且钢纤维和混杂纤维混凝土的折压比都明显大于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土。在高温环境中，混杂纤维混凝土和钢纤维混凝土具有更好的韧性。

2.5 机理分析

混凝土及纤维混凝土在高温后力学性能发生明显变化，究其原因主要分为以下2方面：一是混凝土自身原因，另一个是不同种类纤维的理化性能不同。

200 ℃时，自由水和物理结合水逸出，Aft发生分解，水化产物有所减少，水泥浆的热膨胀会导致骨料水泥浆体界面处原始裂纹的发展，从而导致混凝土强度衰减[9-10]。400℃左右时，水泥浆体中的水化硅酸钙和水化铝酸钙开始脱水[11]，同时大量水蒸气的外逸冲刷和挤胀作用，又扩大了裂纹和孔隙，使水泥浆体中孔隙平均尺寸和微裂纹迅速增大，混凝土力学性能进一步降低。500℃时，水泥石中的氢氧化钙晶体受热分解，引起吸热反应，孔隙含量急剧增加[12]；硅质骨料中的二氧化硅晶体发生相变而体积膨胀，骨料体积的增加使得骨料与水泥浆体之间的裂缝增大。600℃时，孔隙水完全失去，混凝土宏观破坏开始，因而其力学性能大幅下降，在600～700℃时，C-S-H凝胶分解[13]。800℃时石灰岩骨料膨胀、开裂，并产生二氧化碳气体，混凝土强度进一步降低。

聚丙烯纤维熔点较低（168℃），在高温下熔解而失去作用，但因其液态体积远小于固态所占空间，于是形成众多小孔隙。并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小且量又多，使得混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道，缓解了由于水分膨胀所形成的分压，使内部压力大大降低，从而降低了水蒸气的冲刷和挤胀作用，降低裂纹的扩展[14]。因此在温度低于400℃时，聚丙烯纤维混凝土强度显著大于普通混凝土。钢纤维熔点高，自身力学性能受温度影响较小，另外，钢纤维的桥接作用和阻裂作用限制了混凝土在温度急剧变化和高温环境下产生的体积变化，减轻了混凝土内部微缺陷的引发和扩展，使混凝土在高温条件下表现出较好的力学性能[15]。

3 结论

（1）混凝土及纤维混凝土的抗压、抗折及劈裂抗拉强度及其残余率都随着温度的升高而降低。

（2）纤维的掺入对混凝土高温力学性能具有改善作用，聚丙烯纤维在温度不超过400℃时改善作用显著，钢纤维在800℃时改善作用仍明显。

（3）混杂纤维混凝土高温后抗压强度残余率最高，200℃时达87.9%，400℃时为73.7%，600℃时为52.5%，800℃时仍有32.4%。

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俄罗斯学者发明纳米陶瓷复合材料制备技术

俄罗斯托木斯克国立大学与俄科学院西伯利亚分院强度物理和材料学研究所共同开发了热膨胀系数接近为0的纳米陶瓷制备技术，这种陶瓷复合材料具有极高的耐磨性，将被用于制造石油和天然气管道新型密封元件。

目前世界上还没有类似的含有钨酸锆成分的复合陶瓷。钨酸锆可以保证纳米陶瓷具有因瓦效应，即在足够宽的温度范围内（-100～200℃）受热和冷却时尺寸不变，还可以保证在极端条件下的有效工作能力，而且材料结构强度高、质量轻。其制备技术难点在于钨酸锆成分很难进入到陶瓷中，发明者在研究过程中找到了技术解决方案，确定了钨酸锆在陶瓷成分中的最佳含量和有效的烧结方法，研发成果已获得2项专利。

由于使用含有钨酸锆成分的纳米陶瓷复合材料制造的密封元件的磨损几乎为0，由此延长了陶瓷材料的使用寿命，减少石油和天然气管道的维修频率和工作量。

（徐）

Research on mechanical properties of fiber reinforced concrete after high temperature exposure

SHAO Lianfen，LIU Huawei
（Architecture Engineering College，Huanghuai University，Zhumadian 463000，China）

The compressive strength，flexural strength，splitting tensile strength of concrete，polypropylene fiber reinforced concrete，steel fiber reinforced concrete and hybrid fiber reinforced concrete after high temperature exposure were studied in this paper.The results show that the mechanical properties of concrete are decreased due to the temperature increasing，the mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete are improved when the temperature is less than 400℃，while there are no evident effects when the temperature is more than 400℃，the mechanical properties of steel fiber reinforced concrete are good after being exposed to 800℃，the compressive strength of hybrid fiber reinforced concrete is significantly improved，the compressive strength residual rate is 32.4%.

high temperature，fiber reinforced concrete，mechanical properties

TU528.572

A

1001-702X（2016）07-0038-04

河南省科技攻关计划项目（142102310108）；

河南省青年骨干教师资助计划项目（2013GGJS-213）

2016-02-01；

2016-03-11

邵莲芬，女，1974年生，河南驻马店人，副教授，主要从事地质灾害、新型建筑材料、土木结构设计产学研工作。