探究钢纤维混凝土高温应力损伤性能

邹浩

（江西建工第三建筑有限责任公司）

引言：材料的高温性能是结构抗火性能研究的基础。从20世纪中期以来，许多学者对混凝土经历高温后的力学性能进行了研究，对素混凝土在火灾时或高温后力学强度及变形性能的变化规律、混凝土的微观变化、破坏机理等提出了各自的结论和见解。由于混凝土各组分的热性能不同，而且各组分的性能与水分、孔结构也具有很大的关系，因此混凝土的抗火能力是一个非常复杂问题。随着高强混凝土和高性能混凝土应用的不断增加，对其耐火性能的研究也日益活跃起来。

一、纤维混凝土的高温性能

（一）聚丙烯纤维

作为一种新型结构材料，钢纤维混凝土具有明显的增强（主要是抗拉、抗折、抗剪强度）、增韧、阻裂作用，虽然只有20多年的历史，但是发展异常迅速。在建筑工程中，钢纤维混凝土主要用于内部悬臂结构、结构框架节点、刚性屋面等，远不如素混凝土普及，因而对其耐火性能的研究也开展得很少。然而，喷射钢纤维混凝土已成功应用于隧道工程中，从应用于我国一些隧道的情况来看，已经取得了很好的使用效果。隧道中由于车辆故障等原因，可能发生火灾，当进行灾后评估、鉴定时有必要了解钢纤维混凝土高温后性能的变化情况。另外，桥梁构件中应用钢纤维混凝土也较多，而桥梁建设过程中模板失火、使用过程中桥上或桥下由于交通事故造成车辆起火等事故也时有发生[1]。此时，也很有必要了解钢纤维混凝土的高温性能，从而为灾后处理工作提供必要的数据。聚丙烯纤维的熔点较低，在改善混凝土高温性能及抗爆裂方面有较好作用。元成方的研究表明：素混凝土较聚丙烯纤维混凝土对温度变化更为敏感。150℃时外观均无明显变化，但升温至800℃，素混凝土表面有大量贯穿裂纹并有脱落，而聚丙烯纤维混凝土仅有少量微裂纹且外观完好。Arabi[5]认为：聚丙烯纤维掺量为0.5%时高温后性能较优，且立方体试件较圆柱体试件具有更高的残余性能。金祖权等[6]发现：普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土在200℃时抗压强度分别下降了8%和16%，400℃时强度均有所恢复，800℃后残余抗压强度为30%和67%。此外，聚丙烯纤维对混凝土的线膨胀系数影响较小，在温度从400℃上升到800℃过程中，孔隙率降低，但孔道依然可保持原有直径的74%。

（二）混杂纤维

由于聚丙烯与钢纤维不同的理化特性，其对混凝土高温作用亦不相同，当二者共同工作时，则有更为优异的表现。康义荣试验表明：聚丙烯纤维掺入到钢纤维混凝土后对其高温后残余断裂能影响不大，但钢纤维掺入到聚丙烯纤维混凝土中能有效提高混凝土高温后的残余断裂能。杨学超研究表明：高温后采用水淬冷的混凝土较自然冷却的渗透性系数要更大，且这种差异随温度升高呈现扩大趋势。钢-聚丙烯混杂纤维混凝土无论何种冷却方式，其面层渗透系数相对内部渗透系数的差值较素混凝土均有所降低。

二、原材料及试验方法

（一）原材料及配合比

配制C60等级的钢纤维混凝土时所采用的原材料为：P·O42.5级水泥；石灰石质碎石，粒径为5~20mm；普通江砂，细度模数为2.8；自来水；聚羧酸系高效减水剂。铣削型钢纤维的外形尺寸为0.5mm×1.2mm×35mm。为了研究不同钢纤维体积掺量对钢纤维混凝土高温应力损伤的影响，设计钢纤维的体积掺量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2%。

（二）试验方法

测试钢纤维混凝土抗压及劈拉强度的试块尺寸为100mm×100mm×100mm，试件采用试验室振动台振动成型，标准养护28d后移出，为避免钢纤维混凝土含水率的不同对试验结果造成影响，在对钢纤维混凝土进行加热之前，对其烘干。钢纤维混凝土经历不同高温后，导致混凝土内部存在温度差，从而产生温度应力，当温度应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土出现开裂。在火灾试验中，通常采用图1所示的标准火灾曲线ISO834进行抗火性试验。本试验中为了研究不同温度对混凝土造成的损伤，没有采用标准火灾曲线，设计混凝土的加热温度分别为200、400、600、800℃。预先将高温炉加热到指定温度后将试件放入，恒温1h后炉内自然冷却[2]。

三、试验结果与分析

（一）抗压强度

经过实验研究后可以发现当高温作用使钢纤维混凝土的抗压强度下降且所受最高温度越高，其残余抗压强度越低；温度低于400℃时，强度下降较缓，而高于400℃后下降较大。随着纤维掺量的增加，强度损失率逐渐降低。其抗压强度与所受温度的关系同文献中素混凝土的结果相似。对试验结果的分析机理一般可归结为：温度较低时（T＜150℃），水泥石内部的水分主要以游离水的逸出为主，适当的高温可促使未水化的水泥颗粒进一步水化，使凝胶结构更加致密。

（二）劈拉强度

与抗压强度相比，劈拉强度随温度升高呈均匀下降。这是由于温度不相容性在混凝土内产生了微裂缝及大裂缝，钢纤维对其有一定的抑制作用，但随着所受温度的升高，混凝土基体强度及对钢纤维的黏结强度明显变弱，从而劈拉强度下降。随着钢纤维体积掺量的增加使钢纤维混凝土的劈拉强度较素混凝土有较大提高。经过大量试验研究表明，钢纤维混凝土抗拉强度与劈拉强度之间具有如下关系：ft=0.85fts

四、温度应力模拟

（一）计算模型

以600℃下钢纤维掺量2%为例分析混凝土试件内部的温度应力。本试验模拟的混凝土实体为10mm×100mm×100mm的立方体试件。立方体从几何形状来讲满足对称条件外壁受到相同的温度荷载和边界条件，即荷载与边界条件也是对称的[3]。

（二）加载与求解

首先进行温度场分析，属于瞬态分析；初始温度为20℃；边界条件：空气温度为600℃，空气对流系数为110W/（m2·℃）。计算时间：1800s，每一时间子步为120s。温度求解结束后将单元类型由温度转化为结构，根据对称性确定边界条件，将上面计算的温度场结果导入，施加温度荷载。计算时间：1800s，每一时间子步为120s。

结语：经过研究发现钢纤维混凝土高温后的抗压强度随所受最高温的升高而缓慢下降，400℃以后下降稍快。与素混凝土相比，其残余抗压强度率可比后者高达30%左右。因此，施工人员在对钢纤维混凝土进行施工运用时需要积极的运用其特性保证将钢纤维混凝土的性能发挥到最大。