PP纤维对全轻混凝土的静力性能改善效果

高凌峰,文 豪,姜文亮,赵向阳

(1.河南理工大学 生态建筑与环境构建河南省工程实验室，河南 焦作 454000； 2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

PP纤维对全轻混凝土的静力性能改善效果

高凌峰1,2,文 豪1,2,姜文亮1,2,赵向阳2

(1.河南理工大学 生态建筑与环境构建河南省工程实验室，河南 焦作 454000； 2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

为探讨PP(聚丙烯)纤维对全轻页岩陶粒混凝土高温后的性能影响，以LC30为例，对PP纤维混凝土进行了高温爆裂试验。通过测定混凝土实验前后抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和单轴压应力-应变曲线变化规律，并与全轻混凝土(ALWC)的高温性能进行对比。结果表明，掺入掺量为0.9 kg/m3的PP纤维后，混凝土在各个目标温度作用下均未发生爆裂现象，PP纤维混凝土的残余强度损失均小于全轻混凝土。

全轻混凝土；PP纤维；高温性能；爆裂；残余强度

混凝土在高温下的爆裂现象和高温后力学性能的损失与恢复是目前研究混凝土高温性能的重点[1-2]。在火灾中，混凝土的爆裂会引起保护层脱落，钢筋外露，破坏结构的整体性。而力学性能会随着混凝土内部化学结构改变而逐渐降低，使得结构的承载能力降低。因此，提高混凝土的抗爆裂性能是保证混凝土结构稳定的一个重要方向。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[3]。它在国际工程中已经得到了广泛应用，在国内混凝土工程中也逐渐被人们接受。吴熙等[4]的研究表明，轻骨料混凝土的抗爆裂性能比普通混凝土较差。鞠丽艳等[5]的研究表明，聚丙烯纤维混凝土与不掺聚丙烯纤维的普通混凝土相比，抗压强度影响不大，抗折强度有所提高，高温下动弹性模量损失降低，混凝土的抗爆裂性能得到改善。

鉴于混凝土的高温性能在实际工程中的重要性，本文通过测定混凝土实验前后抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和单轴压应力-应变曲线变化规律，并和未加纤维的普通全轻混凝土的高温性能进行对比。探究聚丙烯纤维对全轻混凝土高温抗爆性能的改善机理，为全轻混凝土在结构耐火设计方面提供试验依据。

1 试验概况

(1) 试验材料

本试验采用焦作坚固牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为焦作电厂Ⅱ级粉煤灰；页岩陶粒(以下简称陶粒)和页岩陶砂(以下简称陶砂)均为洛阳正全实业有限公司生产，前者最大粒径为15 mm，堆积密度755 kg/m3，筒压强度3.6 MPa；后者堆积密度806 kg/m3，细度模数为3.2；减水剂为萘系高效复合减水剂，掺量为胶凝材料总量的0.45%；纤维采用山东泰安智荣工程材料有限公司生产的聚丙烯束状单丝纤维，其性能指标见表1，水为自来水。

表1 聚丙烯纤维的物理力学性能指标

(2) 试验配合比

根据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)中的松散体积法，初步确定LC30配合比的基本范围，然后通过正交试验的方法确定配合比，如表2所示。其中，坍落度为195～230 mm。

表2 LC30 PP纤维全轻混凝土的配合比与强度值

注：W/B表示水胶比；fcu28d表示28 d立方体抗压强度/MPa；fst28d表示28d劈裂抗拉强度/MPa。

(3) 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

PP纤维全轻混凝土在经历不同温度加热后，试件表观颜色变化和全轻混凝土呈现出不同的变化。当加热到100 ℃时，由于混凝土的自由水蒸发炉口处出现了白雾；200～300 ℃时，混凝土的结合水继续蒸发使炉口处出现大量白雾，试件的颜色呈灰褐色，表面状态没有发生明显的变化；从400 ℃开始，颜色呈灰白色，并出现少量细微裂缝；600 ℃时，颜色由灰白色变为白色，裂缝增加，并有黑色燃烧痕迹，但PP纤维全轻混凝土试件依然保持完整。

2.2 PP纤维对高温后全轻混凝土抗压强度损失影响

表3 高温后全轻混凝土立方体抗压强度 MPa

注：fcu,PP表示高温后聚丙烯纤维混凝土的抗压强度值，掺量以下类同。

表4 高温后全轻混凝土轴心抗压强度 MPa

注：fc,PP表示高温后聚丙烯纤维混凝土的轴心抗压强度值。

α=1.001+3.075×10-4T，T≤200℃，R2=0.781 8

(1)

α=1.409-1.840×10-3T，200℃≤T≤400℃，R2=0.964 3

(2)

αpp=1.003 3+6.594×10-4T，T≤200℃，R2=0.683 2

(3)

αpp=1.506-1.927×10-3T，200℃≤T≤600℃，R2=0.964 9

(4)

β=1.041-9.599×10-4T，20℃

(5)

βpp=1.120-1.210×10-3T，20℃

(6)

图1 高温后全轻混凝土的抗压强度折减系数

由图1可知：随着温度升高，混凝土的抗压强度有所提高，到200 ℃时，PP纤维混凝土残余抗压强度提高了12%，全轻混凝土残余抗压强度提高了5%，PP纤维混凝土残余抗压强度明显高于全轻混凝土。200 ℃以后，两种混凝土抗压强度急剧下降，而且抗压强度损失变化趋势相似。PP纤维混凝土达到600 ℃高温时，剩余抗压强度为常温时的34%；两种混凝土轴心抗压强度呈直线下降趋势，PP纤维对混凝土的轴心抗压强度影响不大。

2.3 PP纤维对高温后全轻混凝土劈拉强度损失影响

试验测得混凝土立方体试块在高温后的劈拉强度值，结果如表5所示。高温后混凝土劈裂抗拉强度随温度变化的规律，分别如式(7) 、式(8)和图2所示。

表5 高温后全轻混凝土劈拉强度 MPa

图2高温后全轻混凝土劈拉强度的变化规律图3高温后全轻混凝土的劈拉强度折减系数

γ=1.017-9.357×10-4T，20℃

(7)

γpp=1.069-1.130×10-4T，20℃

(8)

由图2可知：随着温度的升高，全轻混凝土与PP纤维混凝土的劈拉强度几乎呈线性下降趋势，且下降幅度差别不大，但PP纤维混凝土在各个温度范围内的劈拉强度值要高于全轻混凝土。在20 ℃时，聚丙烯纤维混凝土劈拉强度是全轻混凝土的1.19倍，温度升高至400 ℃时，聚丙烯纤维混凝土劈拉强度是全轻混凝土的1.25倍，这也说明了聚丙烯纤维可以改善高温环境下混凝土的劈拉性能。由图3可知：在目标温度内，PP纤维混凝土的劈拉强度损失小于全轻混凝土。

2.4 PP纤维对高温后全轻混凝土弹性模量损失影响

本次高温试验弹性模量是采用应力-应变曲线上σ=0.4fc时所对应的割线模量作为近似初始弹性模量，其结果如表6所示，变化规律分别如图4、图5和式(9) 、式(10)所示。

表6 高温后全轻混凝土弹性模量 GPa

图4高温后全轻混凝土弹性模量的变化规律图5高温后全轻混凝土的弹性模量折减系数

δ=1.039-1.130×10-3T，20℃

(9)

δpp=1.084-1.260×10-3T，20℃

(10)

由图4可以看出：掺入聚丙烯纤维全轻混凝土的弹性模量要小于普通全轻混凝土，在20 ℃时，聚丙烯纤维混凝土弹性模量是全轻混凝土的80%，从100 ℃至400 ℃，在各个目标温度时，聚丙烯纤维混凝土弹性模量分别是全轻混凝土的82.2%、83.9%、83.1%、89.7%，为了提高全轻混凝土的弹性模量今后可以考虑混掺聚丙烯纤维和钢纤维[7]。

由图5可以看出：高温后混凝土弹性模量随着温度的升高逐渐降低。温度的持续增高造成混凝土内部损伤裂缝增多，组织松弛，加之孔隙水失去吸附力，加速了裂缝的扩展，从而造成弹性模量减小，变形不断增大。掺入聚丙烯纤维对混凝土弹性模量损失有所减缓，但是效果不明显。

2.5 PP纤维对高温后全轻混凝土应力-应变曲线损失影响

本文采用最小二乘法对全轻混凝土及PP纤维混凝土应力-应变试验数据进行拟合。高温后的应力-应变曲线方程采用文献[8]所提出的方程且分析结果与试验结果相吻合，如式(11)所示。常温时的应力应变曲线方程可采用文献[6]所给出的公式。

=2x-x2，x=≤1.0，T≤600℃，R2=0.894 6 (11)

不同高温后，全轻混凝土及PP纤维混凝土的应力-应变曲线如图6所示。

图6 高温后全轻混凝土的应力-应变曲线

由于全轻混凝土在高温环境下脆性较大，很难测得应力-应变曲线的下降段，而PP纤维可以显著提高混凝土抗拉强度、韧性、延性等，故可以测得高温后PP纤维混凝土的应力-应变全曲线，且高温后混凝土应力-应变曲线与常温下应力-应变基本相似，但PP纤维混凝土在400 ℃之后，强度下降明显，脆性增大，因而也无法测得其应力-应变下降段。从图6可以看出：随着温度的提高，PP纤维混凝土和全轻混凝土应力-曲线渐趋平缓，峰值应力逐渐降低，但是PP纤维混凝土应力-曲线上升段曲线斜率相较于全轻混凝土更大一些。这也反映了PP纤维可以显著提高混凝土抗拉强度、韧性、延性的优点。

3 PP纤维对全轻混凝土高温抗爆裂机理的探讨

目前对混凝土高温爆裂机理研究较多，但普遍认同的爆裂机理分别是蒸汽压原理和热应力原理[9-11]。其中，蒸汽压原理认为孔隙压力是导致混凝土高温爆裂的主要因素，随着温度升高，其内部的自由水和结合水开始蒸发并移动至温度较低的部位，但因内部孔隙的非连通性而受阻挡，并最终导致孔隙压力增大而发生爆裂。而热应力原理则认为混凝土的热惰性，使混凝土内部温度不均匀，造成混凝土内部产生两相或三相热应力，且随温度升高而增大，直至发生爆裂。

相对于未加纤维的全轻混凝土，PP纤维全轻混凝土的抗爆裂性能得到了很大的提升，其原因是当掺入聚丙烯纤维后，混凝土内部结构发生了变化。由于聚丙烯纤维熔点为170 ℃左右，随着温度的升高，当温度达到聚丙烯纤维的熔点温度时，聚丙烯纤维挥发逸出，并在混凝土内部留下了相当于纤维所占体积的通道，且这些通道均匀分布在混凝土中，这对于混凝土内由于温度升高所产生的水蒸气和热量的排出都是很有利的，降低了混凝土内部蒸汽压力和温度梯度，缓解了混凝土内部压力，从而降低了爆裂发生的概率。此外，在聚丙烯纤维熔化之前，由于其在硬化水浆中的杂乱分布，使得混凝土内部存在许多微观裂缝，也利于缓解混凝土内部孔压力[12]。

4 结论

通过对LC30PP纤维全轻页岩陶粒混凝土的高温试验，分析了高温后PP纤维对混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和应力-应变曲线劣化性能的改善效果以及爆裂机理的探讨，得到了以下结论：

(1) 在各个目标温度下PP纤维对全轻混凝土的抗压强度均略有提高，对劈拉强度提高明显，而轴心抗压强度、劈拉强度、弹性模量则直接呈下降趋势；其变化规律与全轻混凝土基本一致；

(2) 混凝土试件未爆裂前，PP纤维混凝土高温后残余强度损失比全轻混凝土要小；

(3) 单掺PP纤维会降低全轻混凝土的弹性模量，为了提高混凝土的弹性模量可以考虑混掺PP纤维、钢纤维；

(4)PP纤维混凝土在各个目标温度作用下均未发生爆裂现象，即PP纤维混凝土具有良好的抗爆裂性能。

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ImprovementeffectofPPfiberonstaticperformanceofALWC

GAO Ling-feng1,2, WEN Hao1,2, JIANG Wen-liang1,2, ZHAO Xiang-yang1,2

(1.ConstructionofEcologicalArchitectureandEnvironmentofHenanProvinceEngineeringLaboratory,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,Henan,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

In order to investigate the effect of PP fiber on the properties of full lightweight shale ceramsite concrete, a high temperature burst test of PP fiber reinforced concrete was carried out with LC30 as an example. By measuring the compressive strength, axial compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus and uniaxial compressive stress-strain curve of concrete before and after the experiment, the comparison with the high temperature performance of all-lightweight concrete (ALWC) was carried out. The results showed that the concrete had no burst phenomenon under the action of different target temperature after adding 0.9kg/m3 pp fiber, and the residual strength loss of PP fiber concrete was less than that of ALWC.

ALWC; PP fiber; High temperature performance; spalling; residual strength

2017-06-12

国家自然科学基金项目(41172317)

高凌峰(1991—)，男，河南焦作人，硕士。

1674-7046(2017)05-0057-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.011

TU528.2，TU502+.6

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