聚丙烯纤维混凝土的高温损伤机理

元成方，赵 军

(1.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001； 2.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001)

聚丙烯纤维混凝土的高温损伤机理

元成方1，赵 军2

(1.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001； 2.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001)

为探明聚丙烯纤维混凝土的高温损伤机理，本文开展了聚丙烯纤维混凝土高温试验，研究分析了混凝土动弹性模量、质量损失率随温度的变化规律，采用扫描电镜和氮吸附试验研究分析了混凝土高温后的微观结构。结果表明：经历高温后，聚丙烯纤维混凝土的动弹性模量高于素混凝土，质量损失率也更小。聚丙烯纤维混凝土的孔径分布规律、孔隙结构与素混凝土相近。

聚丙烯纤维； 混凝土； 高温； 机理； 微观结构

1 前 言

混凝土结构在遭受火灾后，材料的各项性能都会有一定程度的降低，尤其是在遭受400℃以上的高温后，混凝土结构表面会出现较大的裂缝，承载能力会降低超过30%。当混凝土结构遭受到超过800℃的高温后，大多混凝土结构会发生爆裂现象，构件的承载力会骤降甚至丧失，从而导致结构局部甚至整体坍塌，后果将是灾难性的[1-3]。此外，在火灾高温下，混凝土内部发生一系列物理化学变化，造成混凝土微观结构劣化，严重影响混凝土的力学性能和耐久性能[4]。聚丙烯纤维可提高混凝土的耐火性能，有效减少或消除混凝土高温时发生的爆裂现象，这一结论已得到广大研究人员的普遍认同[5-9]。但是，聚丙烯纤维对于混凝土高温后力学性能的影响还存在争议，一些学者认为聚丙烯纤维提高了混凝土高温后的强度[10]，也有文献表明合成纤维对混凝土经历高温后的强度没有明显改善作用，甚至有文献报道合成纤维对混凝土经历高温后的强度产生负面效应[11-12]。此外，现有的研究多集中在聚丙烯纤维混凝土高温后抗压强度的变化，对于动弹性模量、质量损失等指标的研究还相对较少，尤其缺乏高温损伤后的微观结构分析。

针对上述问题，本文从内部特征、动弹性模量、质量损失、微观结构等方面研究分析高温后聚丙烯纤维混凝土性能退化规律，探明聚丙烯纤维混凝土的高温损伤机理，以进一步丰富和发展混凝土高温性能研究。

2 试验概况

2.1 试验材料及混凝土配合比

试验采用河南天瑞P.O42.5普通硅酸盐水泥，技术指标见表1；郑州裕中电厂Ⅱ级粉煤灰，取代量30%，技术指标见表2；粗骨料为粒径5mm～25mm的连续级配碎石，细骨料为天然河砂、属中砂；生活自来水；外加剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率21%；纤维为束状单丝聚丙烯纤维，其长度19mm、直径20μm，抗拉强度为350MPa。聚丙烯纤维混凝土设计强度等级为C40，配合比如表3所示。

表1 水泥技术指标

表2 粉煤灰技术指标

表3 配合比设计 Table 3 Mix Design

2.2 试验方法

制作100mm×100mm×400mm的棱柱体试块。采用强制式搅拌机拌和混凝土，试块在振动台上振动密实成型后，室内静置24h后拆模，立即放入标准养护室中养护28d，然后取出晾干。目标温度设为20℃、200℃、400℃、600℃、800℃。试验中，加热设备为箱式电阻炉，升温速率10℃/min，炉内温度可自动控制。试块放入高温炉内加热，达到目标温度后恒温120min，自动关机停止加热，试块随炉冷却至室温。

经历高温前后试块均在常温自然含水状态时称重并记录，然后进行动弹性模量试验。动弹性模量试验完成后，将棱柱体试件从中部劈开，观察并记录混凝土内部损伤情况。从破碎的混凝土中取出硬化水泥浆试样，采用JSM-7500F型扫描电子显微镜观测硬化水泥砂浆的微观形貌，采用氮吸附法用ASAP2020型比表面积及孔结构分析仪测试硬化水泥砂浆的孔隙结构。

3 聚丙烯纤维混凝土高温损伤分析

3.1 内部特征

图1为不同温度加热后聚丙烯纤维混凝土的内部损伤情况。从图中可以看出，经历200℃高温后，各组混凝土试块内部完好，颜色为青灰色，和常温时基本相同；经历400℃高温后，混凝土颜色变浅，内部出现肉眼可见微孔；经历600℃高温后，混凝土呈浅灰色，内部微孔更为明显，微孔大小较400℃时有所增加；经历800℃高温后，混凝土内部出现贯穿裂缝，硬化水泥砂浆呈浅黄色，粗骨料呈白色。经历相同的温度时，聚丙烯纤维掺量越高，混凝土内部裂缝越少且贯通性越低。其原因在于200℃以后混凝土中的聚丙烯纤维熔化，开始在混凝土内产生微孔，随着温度的继续升高，熔解后的聚丙烯纤维逐渐挥发，在混凝土中形成大量的可见孔隙，温度较高时还会产生贯通现象。

图1 高温后聚丙烯纤维混凝土的内部损伤Fig.1 Internal damage of polypropylene fiber reinforced concrete after high temperature

图2 质量损失率Fig.2 Mass loss rate

3.2 质量损失率

图2为高温作用后的混凝土质量损失率随温度的变化情况。由图可见，高温作用使混凝土产生质量损失，质量损失率随温度的升高而增大，可分为三个阶段：20℃～200℃时损失较快，此阶段混凝土内部毛细水和胶凝水损失较快；200℃～600℃时损失速率减小；600℃～800℃时损失速率再次增加。这是由于600℃以后的高温可使混凝土内的钙质骨料和聚丙烯纤维都开始分解[1]，导致混凝土质量的损失。纤维掺量不同时，混凝土的质量损失率有所不同。随着纤维掺量的增大，相同温度下的质量损失率有所降低，综合前面关于高温后混凝土内部损伤特征的分析，纤维掺量较大时，高温对混凝土内部造成的损伤相对较小，由此造成的质量损失率也相对降低。

3.3 动弹性模量

图3为混凝土动弹性模量测试结果。由图可见，常温时聚丙烯纤维对混凝土的动弹性模量影响较小；随着温度的升高，素混凝土和纤维混凝土的动弹性模量都逐渐降低；相同温度下，纤维混凝土的动弹性模量略高于素混凝土。当温度达到800℃时，动弹性模量的降低幅度可达75%左右。

图3 动弹性模量Fig.3 Elastic modulus

3.4 孔隙结构

表4为各组试样孔径分布、最可几孔径和比表面积数据。由表可见，混凝土在经历高温后，孔径大于200nm的孔隙显著增多，孔径小于50nm的孔隙减少。较之20℃的试样，400℃时试样A1～A4中孔径大于200nm的孔隙体积百分数分别增加了19.2%、8.7%、5.7%和3.3%，800℃时试样A1～A4中孔径大于200nm的孔隙体积百分数分别增加了31.1%、20.5%、21.9%和26.7%。混凝土在经历高温后比表面积均有所下降，且温度越高混凝土比表面积减小越多；试样的最可几孔径随温度的升高显著增大，当温度为800℃时，试样最可几孔径的增幅均在220nm以上。可见，高温造成混凝土内部小孔减少，大孔增多，且孔隙连通性增强，这是高温后试样比表面积反而较小的原因。

20℃时，纤维混凝土试样的比表面积均小于素混凝土，最可几孔径则差别不大；与素混凝土相比，纤维混凝土中小孔分布较少，而孔径较大的孔分布更多。纤维的掺入增加了纤维与水泥浆体的界面[13]，而聚丙烯纤维属有机纤维，与水泥浆体粘结不好，界面区过渡孔增加，对混凝土孔隙结构产生了不利影响。

经历高温之前，纤维掺量最高的A4组混凝土试样，其孔径分布规律和比表面积与素混凝土最为接近。当温度达到800℃时，三组纤维混凝土试样的孔径分布规律和比表面积均已接近素混凝土，其中纤维掺量0.6kg/m3的A2组混凝土在经历800℃高温后，孔隙结构略优于素混凝土。

3.5 微观形貌

图4为A3组混凝土硬化水泥浆体(水泥石)试样SEM图。由图可见，高温前，混凝土内部结构密实，水泥水化产物明显，CSH凝胶基本将六角板状Ca(OH)2晶体以及未水化的粉煤灰颗粒包裹，凝胶和晶体间构成的微界面及内部大量微空隙均被填实，形成较为均匀密实的连续体，大量细小的聚丙烯纤维在混凝土中呈均匀的三维乱向分布。400℃时，混凝土中的层间水、吸附水和毛细水基本散失，结晶水也开始逐渐失去[14]。此时，水泥水化产物出现分层及裂纹，混凝土内部孔隙增多、微裂缝增大且逐渐贯通，原本致密的水化产物被微裂缝分割成大小不等的块状体。纤维已经熔解，并通过周边的孔隙被浆体吸收，纤维所留下的空间和浆体中原有孔洞组成连通的孔隙结构。800℃时，结晶水几乎全部丧失，大部分水泥水化产物都已分解，且钙质骨料亦开始分解并释放CO2[15]。混凝土内部

表4 不同温度下混凝土的孔径分布与比表面积

图4 聚丙烯纤维混凝土SEM图 (a) 20℃； (b) 400℃； (c) 800℃
Fig.4 SEM image of polypropylene fiber reinforced concrete

孔隙和裂缝进一步加剧，孔隙变大，裂缝变宽且贯通性增强，原本被水泥水化产物包裹的未水化粉煤灰颗粒露出，颗粒周围的缝隙清晰可见。

4 结 论

1.纤维掺量较大时，高温对混凝土内部造成的损伤相对较小，由此造成的质量损失率也相对降低。

2.未经历高温时，素混凝土动弹性模量略高于聚丙烯纤维混凝土。随着温度升高，动弹性模量呈线性下降趋势，聚丙烯纤维混凝土的动弹性模量高于相同温度作用下的素混凝土。

3.经历高温后，混凝土中的纤维熔解并通过周边的孔隙被浆体吸收，纤维所留下的空间和浆体中原有孔洞组成连通的孔隙结构。

4.高温造成混凝土中的大孔增多，孔隙体积增大，比表面积减小，裂缝变宽且贯通性增强。常温下，素混凝土的孔隙结构优于纤维混凝土，经历高温作用后，纤维混凝土的孔径分布规律和孔隙结构参数与素混凝土相近。

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Damage Mechanism of Polypropylene Fiber Reinforced Concrete Exposed to High Temperature

YUAN Chengfang1， ZHAO Jun2

(1.School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.School of Mechanics and Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to investigate the damage mechanism of polypropylene fiber reinforced concrete after being exposed to high temperature, the high-temperature test was conducted, and the dynamic elasticity modulus and mass loss rate variation were analyzed. Both of the SEM and BET test were used to analysis the microstructure of concrete after the high temperature exposure. Studies have shown that, after the high temperature, the fiber reinforced concrete has higher dynamic elastic modulus than plain concrete, and the mass loss rate is even lower. Meanwhile, the pore structure of the fiber reinforced concrete is similar to the plain concrete.

Polypropylene fibers； concrete； high temperature； mechanism； microstructure

1673-2812(2017)01-0037-05

2015-09-18；

2016-01-08

国家自然科学基金资助项目(51408553)；河南省重点科技攻关计划资助项目(152102210033)

元成方(1983-)，男，河南郑州人，工程师，博士，主要从事纤维混凝土材料及结构性能研究。E-mail：chengfang1102@126.com。

赵 军(1971-)，男，河南漯河人，教授，博导，主要从事纤维混凝土材料及结构性能研究。

TU528.572

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.008