纤维对混凝土高温性能改善作用的研究进展

石国星 王磊 赵燕茹 郝松 时金娜

【摘 要】为了探究纤维对混凝土高温性能的改善作用，从单掺高熔点纤维、单掺低熔点纤维以及混掺高熔点纤维、低熔点纤维三个方面，对国内外纤维混凝土在高温中或高温后力学性能及抗爆裂性能的试验研究进行了总结，结果表明：在高温中或高温后，单掺高熔点纤维或低熔点纤维都有助于提高混凝土的力学性能和抗爆裂性能，而合理地混掺高熔点纤维、低熔点纤维的效果要好于单掺这两类纤维。

【关键词】纤维混凝土；高温；高熔点纤维；低熔点纤维；混杂纤维

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）01-0097-002

【Abstract】In order to explore the effect of fibers on the improvement of high temperature performance of concrete， the effects of single fiber with high melting point， single mixed with low melting point， mixed with high melting point and low melting point on the properties of fiber reinforced concrete at high temperature or high temperature After mechanical properties and anti-burst performance of the experimental study were summarized， the results show that： at high temperature or high temperature， single-doped high melting point fiber or low melting point fiber can help improve the mechanical properties and anti-burst performance of concrete， and reasonably Mixed with high melting point fiber， the effect of low melting point fiber is better than single doped these two types of fiber.

【Key words】Fiber concrete； High temperature； High melting point fiber； Low melting point fiber； Hybrid fiber

0 引言

混凝土由于其易成型、目标强度形成快、成本低等优点成为世界上用量最大的人造建筑材料[1]。在混凝土的使用过程中，高温或火灾会对混凝土的使用性能造成不利影响，混凝土虽然在高温或火灾下不会发生燃烧现象，但由于高温或火灾的影响，混凝土会产生一系列的物理和化学变化，从而降低其使用性能。因此，国内外学者对混凝土高温劣化机理做了大量研究，总结出了蒸气压理论、热应力理论和热开裂理论等混凝土劣化理论[2-4]。为了改善混凝土在高温或火灾下的性能，通过借鉴和运用这些理论，提出了很多改善方法，其中在混凝土制备过程中加入纤维制成纤维混凝土是一种有效的方法。本文从加入纤维的种类、掺入方式对纤维改善混凝土高温性能的研究进展进行了总结。

1 单掺高熔点纤维

高熔点纤维是指在高温或火灾下（600～800℃）基本不熔化的纤维，常见的主要有钢纤维、玄武岩纤维、碳纤维等。在高温情况下，高熔点纤维仍能保持或基本保持其原有形态，虽然高温使纤维与混凝土基体的黏接有所削弱，但纤维只要还在基体内，就依然可以发挥纤维的增强增韧阻裂作用，从而改善纤维混凝土的高温力学性能和抗爆裂性能。虽然同是高熔点纤維，但不同纤维在改善混凝土高温性能方面的机理却各有特点。

1.1 钢纤维

由于混凝土材料的热惰性以及换热系数的复杂性，使混凝土在高温下产生相对大的横向和纵向温度差从而产生相对大的热应力，当这种热应力大于其本身的抗拉强度时，混凝土就会出现剥落或爆裂现象[4]。钢纤维的加入可以有效地改变混凝土的这种热惰性，改善混凝土换热系数的复杂性，从而减小热应力；同时，乱序的短钢纤维形成的细微观拉结结构可以提高破坏韧度，从而增强混凝土在高温或火灾下的受拉性能和抗劈裂性能。杨娟等[5]对56天龄期的普通超高性能混凝土、钢纤维超高性能混凝土进行了研究，结果表明：100℃高温作用后空白组残余抗压强度显著降低，而钢纤维超高性能混凝土比常温时抗压强度有所提高；200℃、400℃、600℃、800℃时，钢纤维超高性能混凝土的残余抗压强度均高于空白组超高性能混凝土。刘占良等[6]通过试验研究了钢纤维（SF）对混凝土经高温后抗压强度、抗折强度、抗拉强度和折拉比的影响，结果表明：SF对高温后混凝土的抗压强度，尤其是抗折强度和抗拉强度有显著影响。

1.2 玄武岩纤维

玄武岩纤维是一种天然矿物纤维，弹性模量高、断裂强度大、耐高温、耐腐蚀，且成本相对较低。相对其他纤维，玄武岩纤维由天然玄武岩矿制成，即使在高温情况下，玄武岩纤维与水泥石基体之间依然可以形成很好地界面黏接，从而起到更好的增强增韧阻裂作用。刘俊良等[7]通过抗压强度试验，研究了玄武岩纤维混凝土（BFRC）试件的损失质量和抗压强度的变化规律，结果表明：高温后BFRC损失质量增大，掺加玄武岩纤维减小了高温后BFRC试件的质量损失，增大了抗压强度，改善效果随纤维掺量增大而增强。文献[8]研究了不同温度作用后玄武岩纤维增强混凝土（BFRC）的冲击变形特性，结果表明：掺入玄武岩纤维可以有效提升高温后BFRC的冲击变形能力，且纤维掺量（体积分数）为0.3%时，BFRC的变形优势最大。

2 单掺低熔点纤维

低熔点纤维是指在100～200℃熔化的纤维，常见的主要有聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维等。高温情况下，在混凝土中适量加入低熔点纤维，依靠其高温熔化形成的三维乱向孔道，有效地降低了混凝土内的蒸汽压，从而降低混凝土的爆裂情况。

杜红秀等[9]对掺聚丙烯纤维的高强混凝土立方体试块进行了高温后残余抗压强度试验研究，结果表明：适宜掺量和长度下，聚丙烯纤维既可抑制高强混凝土高温爆裂，又可明显提高高强混凝土的残余抗压强度，有利于改善高强混凝土的高温韧性。郑文忠等[10]考察了聚丙烯纤维（PPF）对活性粉末混凝土（RPC）高温爆裂的抑制效果，结果表明：PPF体积掺量0.1%和0.2%时对RPC高温爆裂的抑制作用不明显，体积掺量0.3%时可以防止RPC发生爆裂；常温下PPF的掺入对RPC力学性能有不利影响，经历温度高于200℃时，随PPF掺量的增大高温后RPC力学性能相应提高。

3 混掺高熔点、低熔点纤维

为了探究纤维对混凝土高温劣化情况更好的改善效果，人们也对混合掺入高熔点纤维、低熔点纤维的进行了研究。高温或火灾对混凝土的损伤主要是由高温影响下混凝土所产生的热应力以及混凝土内部水的蒸发所形成的蒸气压而造成的，两方面的因素几乎同时产生影响，而同时产生必然造成相互影响，双重作用相耦合所造成的损伤是1+1>2的，所以人们对混合掺入不同纤维来改善混凝土的高温性能进行了研究。

刘峰等[11]将橡胶粉、聚丙烯纤维和钢纤维按不同组合方式掺入高强混凝土中对其改性，并进行常温和高温下的轴心抗压试验，结果表明：混掺了钢纤维、聚丙烯纤维、橡胶粉的试件力学性能和抗爆性能最好。高丹盈等[12]通过对聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土试块的高温试验，研究不同目标温度后混凝土质量损失及力学性能，结果表明：相同温度下，混杂纤维的加入提高了高强混凝土高温后强度。

4 结论与展望

在混凝土中掺入纤维可以有效改善混凝土在高温中或高温后的力学性能和抗爆裂性能，其中高熔点纤维主要依靠纤维与水泥基体的黏接实现这样的目标，并且导热性良好的高熔点纤维还能通过改善混凝土的热惰性来改善纤维混凝土高温性能；而低熔点纤维主要通过高温时熔化产生的孔道来减小混凝土内蒸气压从而提高混凝土的抗爆裂性能。目前多进行的是高温中或高温后纤维混凝土宏观性质上的研究，比如剩余抗压强度、质量变化，对微观方面的研究以及微观、宏观联系方面的研究较少。同一种纤维或不同种纤维的粗细混掺、长短混掺将是一个比较重要的研究方向。

【参考文献】

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[7]刘俊良，许金余，董宗戈，等. 玄武岩纤维混凝土高温损伤的声学特性研究[J]. 混凝土， 2016， （2）： 56-59.

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[9]杜紅秀，张宁，王慧芳，等. 聚丙烯纤维对高强混凝土高温后残余抗压强度的影响[J]. 太原理工大学学报， 2012， 43（2）： 207-211.

[10]郑文忠，李海艳，王英. 高温后不同聚丙烯纤维掺量活性粉末混凝土力学性能试验研究[J]. 建筑结构学报， 2012， 33（9）： 119-126.

[11]刘锋，张文杰，何东明，等. 橡胶粉-纤维改性高强混凝土的高温性能[J]. 建筑材料学报， 2011， 14（1）： 124-131.

[12]高丹盈，李晗，杨帆. 聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土高温性能[J]. 复合材料学报， 2013， 30（1）： 187-193.