高温作用后聚丙烯纤维混凝土的抗冻性

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(1.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001； 2.郑州大学土木工程学院， 河南 郑州 450001；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

高温作用后聚丙烯纤维混凝土的抗冻性

赵军1，元成方2，张戈3

(1.郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州450001；2.郑州大学土木工程学院，河南郑州450001；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

本文开展了高温作用后的聚丙烯纤维混凝土冻融循环试验，研究分析了高温与冻融循环耦合作用下聚丙烯纤维混凝土抗冻性能的退化规律，采用扫描电子显微镜(SEM)研究分析了聚丙烯纤维混凝土细微观结构损伤特征。研究表明，高温对混凝土的抗冻性有显著影响，经历温度越高，混凝土抗冻性越差。高温和冻融循环的耦合作用加速了混凝土动弹性模量和抗压强度的衰减，掺入适量的聚丙烯纤维能够改善和提高混凝土高温损伤后的抗冻性能。

高温； 冻融循环； 聚丙烯纤维； 混凝土； 抗冻性

1 引 言

聚丙烯纤维不仅能够有效抑制混凝土的收缩开裂，同时还可提高混凝土的耐火性能，有效减少或消除混凝土高温时的爆裂。因此，聚丙烯纤维混凝土在工程中得到了广泛应用。人们在对混凝土遇火灾后的性能研究中，往往重视残余强度而忽视了高温作用对耐久性的影响，也为混凝土结构日后的修复和正常使用埋下了隐患。在对混凝土耐久性有较高要求的建筑物或结构中，火灾高温对耐久性的影响更是不可忽视[1-6]。冻融破坏是混凝土结构耐久性破坏的主要形式之一，抗冻性能是混凝土结构耐久性能评估的重要指标。我国北方广大地区以及南方部分地区，受冻融循环作用影响的建(构)筑物分布极为广泛。目前，国内外对于高温作用后混凝土抗冻性能的研究鲜有报道。本文将开展高温作用后聚丙烯纤维混凝土抗冻性能试验，采用宏观与细微观分析相结合的方法，深入研究高温损伤与冻融循环耦合作用下聚丙烯纤维混凝土的性能退化规律和损伤机理。

2 试验概况

2.1原材料及配合比

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)；普通自来水；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。

2.2试验方法

混凝土试块在标准养护室养护28d，取出后自然晾干。将混凝土试块放入高温炉内，目标温度分别为20℃、150℃、400℃、600℃、800℃，升温速率为10℃/min，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。

表1 水泥技术指标 Table 1 Cement technical specifications

表2 粉煤灰技术指标 Table 2 Fly ash technical specifications

表3 聚丙烯纤维混凝土配合比 Table 3 Polypropylene fiber concrete mix

混凝土冻融循环试验依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的方法进行。每冻融循环25次，测试混凝土的抗压强度与动弹性模量，观察并记录混凝土试件的表观损伤情况。从混凝土中取出水泥石试样，采用JSM-7500F型扫描电子显微镜研究水泥石的微观形貌。

3 结果与分析

3.1表观损伤

冻融破坏在混凝土表面主要体现为剥蚀损伤[7]。冻融循环作用后，混凝土表面砂浆剥落，出现许多小的坑蚀，然后随着表面胶凝材料的流失，细骨料外漏并逐渐剥落，随着细骨料的分层脱落，最终使粗骨料脱落、丧失强度直至破坏。冻融循环作用后混凝土的表面状态如图1所示。

由图1可见，高温作用使混凝土表面由青灰色逐渐变为灰白色，但试件表面平整，无水泥砂浆剥落。经历冻融循环作用后，不同温度作用下的混凝土试件均出现了剥蚀现象。冻融循环25次时，800℃混凝土试件表皮脱落较多，外观呈鱼鳞状。其余各组混凝土试件表面平整、光滑。冻融循环50次时，600℃混凝土试件表面水泥砂浆剥落显著增加,局部有破损，而800℃混凝土试件表面已出现粗骨料外露，且质地疏松；其余各组混凝土试件表面较为平整，或存在少量坑蚀。冻融循环75次时，800℃混凝土试件已完全破碎，400℃和600℃混凝土试件粗骨料外露，200℃混凝土试件表面水泥砂浆剥落显著增加，而20℃混凝土试件外观完整，仅有局部剥蚀。冻融循环100次时，400℃和600℃混凝土试件已完全破碎，200℃混凝土试件表面水泥砂浆大量剥落，20℃混凝土试件表面由于水泥砂浆剥落而变得粗糙。可见，高温损伤对混凝土的抗冻性能有显著影响，经历的温度越高，混凝土抗冻性越差。

3.2相对动弹性模量

图1 混凝土的表观损伤(纤维掺量1.2kg/m3)Fig.1 Apparent damage of concrete (fiber content 1.2kg/m3)

混凝土动弹性模量是根据弹性波在混凝土中的传播速度测得的弹性模量，是反映混凝土内部损伤的重要指标，可作为混凝土抗冻性能的评价指标[8]。图2为混凝土相对动弹性模量与冻融循环次数关系曲线。

图2 不同高温处理的混凝土的相对动弹性模量随冻融循环的变化 (a) 20℃; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 600℃; (e) 800℃Fig.2 Relative dynamic elastic modulus of concrete at different temperature (a) 20℃; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 600℃; (e) 800℃

由图2(a)可见，未经历高温作用时，混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数的增加呈缓慢下降趋势，冻融循环150次时，各组混凝土的相对动弹性模量均大于或接近90%。经历高温作用后，混凝土的抗冻性能显著下降。冻融循环50次时，A1、A2组800℃混凝土的动弹性模量已无法测出，而A3、A4组800℃混凝土的相对动弹性模量仅为16%。

聚丙烯纤维对混凝土抗冻性能的影响分为两个阶段。未经历高温作用时，聚丙烯纤维并未提高混凝土冻融后的动弹性模量，当冻融循环达到75次以上时，纤维混凝土的动弹性模量与素混凝土相比，甚至有小幅下降。经历高温后，聚丙烯纤维掺量1.2kg/m3和1.8kg/m3的两组纤维混凝土表现出更为优异的抗冻性能，而聚丙烯纤维掺量0.6kg/m3的纤维混凝土与素混凝土的抗冻性能相近。

试验结果表明，掺入适量的聚丙烯纤维能够减小混凝土冻融后的动弹性模量损失。

3.3抗压强度损失

混凝土立方体抗压强度不仅是结构设计的基本指标，也是综合评价混凝土性能的重要参数[9]。图3为混凝土立方体抗压强度与冻融循环次数关系曲线。

由图3可见，混凝土经历的最高温度越高，其抗压强度随冻融循环的下降也越快。经历800℃高温后，混凝土的抗冻性已严重退化，已无法再承受冻融循环作用。

经历高温作用前，聚丙烯纤维混凝土冻融循环后的抗压强度变化与素混凝土相比并无明显差异。经历高温作用后，聚丙烯纤维混凝土表现出更佳的抗冻性能。冻融循环75次时，经历600℃高温的素混凝土试件已成粉末状，丧失力学性能，而经历相同温度的A3、A4组聚丙烯纤维混凝土的抗压强度仍能保持在20MPa以上，在冻融环境中表现出了较好的力学性能。

综合分析以上试验结果可知，高温损伤和冻融循环作用加速了混凝土抗冻性能的退化。掺入适量的聚丙烯纤维能够减少由高温损伤和冻融循环耦合作用引起的混凝土动弹性模量和抗压强度损失。此次试验结果表明，聚丙烯纤维掺量为1.2kg/m3～1.8kg/m3时，纤维对混凝土抗冻性能的提高效果相对较好。

3.4SEM分析

混凝土材料的强度及耐久性劣化都是其内部微观结构随时间演化的结果[10]。通过扫描电镜技术(SEM)可观察混凝土微观形貌、材料物相在复杂环境(高温和冻融耦合环境)因素作用下的变化特征，揭示其宏观性能演化的本质规律。

图3 不同高温处理后混凝土的抗压强度与冻融循环次数的关系(a) 20℃; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 600℃; (e) 800℃Fig.3 Compressive strength of concrete

图4为聚丙烯纤维掺量1.2kg/m3的混凝土水泥石试样SEM图片。由图4(a)可见，冻融循环前，20℃混凝土内部存在大量未充分水化的粉煤灰球状颗粒体，C-S-H(水化硅酸钙)凝胶体呈簇状堆积，水泥石结构密实。经历600℃高温后，混凝土中的结晶水、化合水等逐渐失去，水化产物受热分解，混凝土内部孔隙增多、微裂缝增大且逐渐贯通。聚丙烯纤维分解并燃烧，在混凝土内部留下大量联通孔道，使混凝土气渗性得到很大改善，混凝土内部的水气和由于水分蒸发产生的蒸汽压得到有效释放[11](见图4(b))，减小了高温给混凝土带来的损伤。经历高温与冻融循环的耦合作用后，混凝土内部微裂缝的宽度显著增大，水泥石结构变得更为疏松(见图4(c))，因而造成混凝土动弹性模量和抗压强度大幅下降。

图4 A3水泥石的扫描电镜照片(a) 无损伤； (b) 高温后； (c) 高温与冻融耦合作用后Fig.4 SEM images of cement stone(a) no damage; (b) after high temperature; (c) after high temperature and freeze-thaw coupling

4 结 论

1.高温对混凝土的抗冻性有显著影响，经历温度越高，混凝土抗冻性越差。在高温和冻融循环耦合作用下，混凝土内部损伤加剧，动弹性模量和抗压强度大幅下降。

2.掺入适量的聚丙烯纤维能够减少由高温损伤和冻融循环耦合作用引起的混凝土动弹性模量和抗压强度损失。

3.聚丙烯纤维掺量为1.2kg/m3～1.8kg/m3时，纤维对混凝土抗冻性能的提高效果相对较好。

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FrostDurabilityofPolypropyleneFiberConcreteafterHighTemperatureTreatment

ZHAOJun1,YUANChengfang2,ZHANGGe3

(1.SchoolofMechanicsandEngineeringScience,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;3.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Freeze-thaw cycle test of polypropylene fiber reinforced concrete suffered high temperature was carried out. Degradation behavior of polypropylene fiber reinforced concrete was analyzed, which was suffered the high temperature and freeze-thaw cycle coupling effect. Meanwhile, the microstructure damage of polypropylene fiber reinforced concrete was analyzed by Scanning Electron Microscopy(SEM) test. Studies shows that, high temperature damage has a significant impact on the frost resistance of concrete, suffered the higher temperature, the concrete frost resistance is getting worse. Concrete elastic modulus and compressive strength are both accelerating decay for coupling interactions of high temperature and freeze-thaw cycles. However, appropriate amount of polypropylene fibers will improve the frost resistance of concrete suffered high temperature.

high temperature; freeze thaw cycle; polypropylene fibers; concrete; frost resistance

TU528

：ADOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.04.004

2016-03-14；

：2016-05-30

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)

赵 军(1971-)，男，河南漯河人，教授，博导，主要从事高性能混凝土材料及结构研究。E-mail：zhaoj@zzu.edu.cn。

元成方(1983-)，男，河南郑州人，副教授，博士，主要从事工程材料及结构耐久性研究。E-mail：chengfang1102@126.com。

1673-2812(2017)04-0534-05