高温条件下钢纤维混凝土力学性能分析

蒋滨

（西南科技大学 四川绵阳 621000）

引言

混凝土是一种广泛使用的结构材料，随着其应用与发展它的性能已经有了一定的提高，但面对极端荷载时混凝土仍会发生脆性破坏。为了进一步改善其性能，可以在混凝土中加入多种添加剂，钢纤维也是这些添加剂中的一种，添加钢纤维可以提高材料的韧性、抗冲击性能、抗弯强度以及其他机械强度[1～3]。混凝土在使用的过程中会遭到多种不利条件的影响，如磨损、冻融、侵蚀作用、重负荷挤压、火灾和高温破坏等。机场停机坪，工业地坪，烟囱，生产高危化学材料的工厂及工业建筑等混凝土结构工程会受到高温的影响。[4]钢纤维对增加混凝土内部强度的贡献不容忽视，他可以为防止混凝土发生塑性破坏的发展提供非常重要的贡献[5]。

1 实验

1.1 样品的制备

实验采用了PO42.5普通硅酸盐水泥；石灰石质碎石，粒径为5～20mm；普通江沙，细度模数为2.8；自来水。根据水泥：砂；石：水=1：1.40：2.85：0.47配制尺寸为100mm×100mm×100mm的C45强度的试块用于接下来的实验。

1.2 加热方案

加热装置使用可以控制温度的高温电阻炉，将要进行加热的试块放入电阻炉内进行加热如图1，试块的受热温度设定为200～800℃，加热时设置为10℃/min。

图1 高温试验电阻炉

1.3 测试设置

实验按照CECS13：89《钢纤维混凝土试验方法》进行，试验机采用上海万杰试验机有限公司生产的SYE-2000型压力试验机进行实验如图2，加载速率设置为0.5MPa/s，并进行数据处理。

图2 试件进行抗压试验

2 结果分析

2.1 实验结果

高温后混凝土残余强度如图3，由图可以看高温后混凝土的抗压强度都随着温度的升高而逐渐降低，体积掺量为1.5%的混凝土在各个温度时的残余强度率均是最高的，未达较高温度时钢纤维对混凝土的强度基本没有影响，当加热温度达到600℃高温后，普通混凝土和钢纤维混凝土强度都下降一半左右，由图4可以观察到在相同的800℃高温下产量1.5%的钢纤维混凝土有最大的残余强度率47.73%，普通混凝土的残余强度率最小只有34.65%，前者比后者高13.08%。

很明显可以看出残余抗压强度与温度的关系特征可以分为三个不同阶段：

（1）初步稳定阶段，从室温到400℃之间，混凝土强度基本无变化；

（2）强度损失阶段，从400～600℃之间，混凝土强度大幅度下降；

（3）强度丧失阶段，强度损失阶段开始后至到800℃，力学性能开始大幅度下降，普通混凝土强度几乎损失殆尽。

图3 高温后混凝土抗压强度

图4高温后混凝土残余强度率

2.2 混凝土的剩余抗压强度与加热峰值温度的关系

图5 为体积掺量0%和体积掺量1.5%的钢纤维混凝土在经过100℃～800℃高温温度作用后的相对剩余强度变化曲线，其变化趋势与强度变化趋势一致。

图5 混凝土相对剩余抗压强度

之前已经有研究人员对经历了不同温度后的混凝土相对剩余强度进行了研究，并建立了相关模型相对抗压强度与其所经历的峰值温度之间的关系。本文通过文献7提出的模型（如式1所示）对图5中的实验数据进行拟合，拟合结果如图6所示。

式中：fcuR-混凝土剩余抗压强度fcu-混凝土原始强度x-混凝土所经历的最高温度a，b-拟合所得参数；

图6 V0和V1.5混凝土相对剩余抗压强度拟合曲线

将拟合结果带入式1可以得到混凝土试块的相对剩余强度——温度关系结果为：

根据以上公式依据不同受热温度可以估算出C45普通混凝土和1.5%掺刚体积的钢纤维混凝土剩余抗压强度。

3 结论

（1）含钢纤维的混凝土的抗高温性能优于普通混凝土，钢纤维有助于阻止混凝土因高温而产生裂缝以及随后所发生得收缩和膨胀，钢纤维对混凝土强度的贡献在600℃以后尤其明显。

（2）由于纤维密度的增加，钢纤维分布不均匀导致混凝土内部存在间隙，引起抗压强度降低，受到较高温度后，体积掺量1.5%的混凝土强度损失比最少，应用于实际时可以根据该实验结果选择掺钢量。

（3）根据获得的实验数据计算出了C45强度的混凝土试块的相对剩余强度与加热峰值温度的关系，可以估算出1000℃以下受到不同高温时混凝土试块的相对剩余强度。

[1]杨少伟，巴恒静.钢纤维混凝土高温损伤及温度应力模拟[J].武汉理工大学学报，2009，31（02）：50～54.

[2]陈辉国，刘盈丰，孙波，汪敏，成培江.钢纤维掺量对混凝土高温力学性能的影响[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2010，29（04）：552～554+635.

[3]王立闻，庞宝君，杨震琦，迟润强.钢纤维活性粉末混凝土高温后动力学特性研究[J].建筑材料学报，2010，13（05）：620～625.

[4]马恺泽，刘亮，刘超，刘伯权.高强混合钢纤维混凝土的力学性能[J].建筑材料学，2017，20（02）：261～265.

[5]刘玉峻，钱春香，庄园，高桂波.二维散热条件对混凝土内部温度梯度及热传输的影响[J].东南大学学报（自然科学版），2011，41（04）：820～823.

[6]《纤维混凝土结构技术规程》（CECS38-2004）.

[7]过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算（第一版）.北京：清华大学出版社，2003.