高温后混杂纤维混凝土力学性能试验研究

李曈，张晓东，刘华新，范锦泽，陈晨

高温后混杂纤维混凝土力学性能试验研究

李曈，张晓东，刘华新，范锦泽，陈晨

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

为研究高温后玄武岩−纤维素混杂纤维混凝土的力学性能，对不同温度条件下掺入不同玄武岩纤维长度的混杂纤维混凝土进行抗压及抗折强度试验。基于试验数据进行统计分析，建立不同玄武岩纤维长度下混杂纤维混凝土相对抗压强度和相对抗折强度随温度变化的关系式。运用BP神经网络得出混杂纤维混凝土中玄武岩纤维的最佳长度范围。研究结果表明：素混凝土的抗压强度在200 ℃时达到峰值，而混杂纤维混凝土的抗压强度则是在400 ℃达到最高；素混凝土及混杂纤维混凝土的抗折强度均随着温度的升高呈下降趋势，800 ℃后，素混凝土与混杂纤维混凝土的抗折强度残余率分别仅为22.3%及26.9%。

高温；混杂纤维混凝土；力学性能；BP网络

火灾事故中如何减少经济损失、保证人身安全是民用建筑、工业建筑所必须重视的问题。混凝土作为建筑结构的主导材料，与木材、塑料制品相比，混凝土不会由于温度过高而释放有毒气体；同钢材相比，其热传导率低，即使在800 ℃的高温条件下，仍然可以在一定时间内保持较高的强度，从而降低了建筑结构发生倒塌的风险。但混凝土结构遭受火灾时，极易发生爆裂现象，致使混凝土表面发生剥离，从而破坏了构件的完整性，使得混凝土的材料性能发生劣化[1]。同时，暴露的钢筋与深层混凝土在明火的作用下其强度会迅速下降，使得结构构件进一步被破坏。因此需要提高混凝土的耐高温性能。近年来，研究发现掺入单一种类的纤维虽然能有效地提高混凝土的耐高温性能、克服抗疲劳性能差、易开裂等缺陷[2−4]，但存在一定程度的局限性，对混凝土综合性能的提高效果一般，致使更多的学者将研究重心转向了高温后混杂纤维混凝土的力学性能研究[5−10]。混杂纤维混凝土(HFRC)是指将几种相同种类不同尺寸或不同种类的纤维增强材料混合后掺入混凝土而形成的一种新型复合材料。李根[11]通过试验对掺入聚丙烯纤维的活性粉末混凝土(RPC)高温后的力学性能进行了研究，研究发现掺入聚丙烯纤维有利于提高RPC的抗爆裂性能，随着温度的升高，高温后RPC的抗压强度、抗拉强度分别在300 ℃和100 ℃达到最高，随后降低。杨娟等[12]研究了高温后混杂纤维对RPC力学性能和高温爆裂性能的影响，研究发现高温后素混凝土与纤维混凝土的残余抗压强度均随着温度升高呈先上升后下降的趋势。且在一定的加热速率下，掺入纤维可使部分RPC试块避免发生爆裂。Varona等[13]研究了高温后钢−聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能，发现混杂纤维混凝土高温后的抗压强度、抗拉强度和动弹性模量均呈现随温度升高而降低的趋势。虽然，目前对高温后混杂纤维混凝土力学性能的研究已取得一定成果，但研究大多集中在钢−聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能，而对掺入玄武岩−纤维素混杂纤维混凝土的研究并不多见。本文以掺入玄武岩−纤维素混杂纤维混凝土为研究对象，分析不同长度的玄武岩纤维对高温后混杂纤维混凝土力学性能的影响，为玄武岩−纤维素混杂纤维混凝土的推广应用提供一定的试验基础。

1 原材料与试验方法

1.1 试验材料

试验采用基体强度为C40的混凝土。水泥为“渤海”牌P.O 42.5级水泥；掺合料为巩义市产的Ⅱ级粉煤灰；细骨料为普通河沙，属中砂；粗骨料为粒径5~20 mm碎石；拌和水为清洁城市自来水。减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率32%；纤维的性能指标如表1所示。

表1 纤维性能指标

1.2 试验配合比

考虑不同温度条件(20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃)、不同玄武岩纤维长度(6，18和30 mm)对高温后混杂纤维混凝土力学性能的影响。混凝土基准配合比如表2所示。

表2 基准组配合比及材料用量

注：NC表示素混凝土；H表示混杂纤维混凝土。

1.3 试验方法

试验参照CECS13:2009《纤维混凝土试验方法标准》[14]要求进行，立方体抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm的试件，抗折强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm的试件。在标准养护条件下养护28 d，养护期满后将试件移出养护室。

高温试验：马弗炉升温速率为10 ℃/min，设定温度分别200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃，待炉内达到设定温度后，恒温1 h后取出，冷却至室温。

2 结果与讨论

2.1 混凝土表观特征

高温试验结束后可以观察到，试件从200 ℃加热至800 ℃，试件的物理状态逐步发生了改变。在经历不同的高温作用后，试件的颜色与表面特征产生了不同的变化，如图1所示。

(a) 20 ℃；(b) 200 ℃；(c) 400 ℃；(d) 600 ℃；(e) 800 ℃

试件遭受200 ℃的高温后其外观与常温条件下基本相同，无明显变化；温度为400 ℃时，试件颜色有所加深，表面有微裂缝产生；600 ℃时，试件表观颜色变浅、细小裂缝增多；800 ℃后，试件变为灰白色，表面裂缝较多。见图2。

(a) 600 ℃；(b) 800 ℃

2.2 高温后混凝土立方体抗压强度变化

由图3可以看出，随着温度的升高各试验组试件的抗压强度均呈现先上升后下降的趋势，200 ℃时素混凝土的强度达到最高值，而对于混杂纤维混凝土，其强度却是在400 ℃时达到峰值。在各个温度条件下，与素混凝土相比，混杂纤维混凝土均展现出了较好的耐高温性能，在掺入的玄武岩纤维长度为18 mm时，混杂纤维对混凝土强度的增强效果最好，400 ℃时其强度较素混凝土相比提高了36.3%；在600 ℃后，各试验组试件的抗压强度均明显下降。在800 ℃后，素混凝土的强度较常温降低了43.4%，混杂纤维混凝土强度下降幅度相对较小，纤维长度为6，18和30 mm混杂纤维混凝土其强度较常温分别降低了41.2%，39.4%和42.3%。

从图4可以看出，200 ℃时，各试验组试件的抗压强度残留率都有所提高；400 ℃后，素混凝土的抗压强度残余率有所下降，但此时，不同纤维长度(6，18和30 mm)的混杂纤维混凝土的抗压强度残余率达到最大值，分别为109.9%，111.3%和109.6%；在同一温度条件下，各试验组混凝土抗压强度残余率都呈如下规律：素混凝土(NC)＜纤维长度为30 mm的混杂纤维混凝土(H30)＜纤维长度为6 mm的混杂纤维混凝土(H6)＜纤维长度为18 mm的混杂纤维混凝土(H18)，即当掺入的玄武岩纤维长为度为18 mm时，混杂纤维混凝土的耐高温性能最好。

图3 高温后各试验组试块的抗压强度

将不同玄武岩纤维长度的混杂纤维混凝土高温后的抗压强度与其常温条件下抗压强度相比，得到相对抗压强度随温度变化的关系曲线，如图5所示，由图5可得混杂纤维混凝土相对抗压强度与温度的拟合关系式：

素混凝土：

(R=1) (1)

H6：

(R=1) (2)

H18：

(R=1) (3)

H30：

(R=1) (4)

利用 SPSS 的多元非线性回归分析模块对高温后混杂纤维混凝土相对抗压强度进行回归分析。考虑温度、玄武岩纤维长度作为混杂纤维混凝土相对抗压强度的影响因素，建立高温后混杂纤维混凝土的相对抗压强度预测模型：

(R=0.98) (5)

式中：为玄武岩纤维长度，m。

图5 高温后混凝土的相对抗压强度

2.3 高温后混凝土抗折强度变化

由图6和图7可知，各组试件的抗折强度及抗折强度残余率均随温度的升高呈下降趋势，800 ℃时达到最低，此时，素混凝土的抗折强度为1.16 MPa，抗折强度残余率仅剩22.3%，混杂纤维混凝土H6，H18和H30的抗折强度分别为1.54，1.67和1.48 MPa对应的抗折强度残余率分别为25.6%，26.9%和25.1%；混杂纤维混凝土展现出了更为良好的耐高温性能。

图6 高温后各试验组试块的抗折强度

图7 高温后各试验组试块的抗折强度残余率

将不同玄武岩纤维长度的混杂纤维混凝土高温后的抗折强度与其常温条件下抗折强度相比，得到相对抗折强度随温度变化的关系曲线，如图8所示，由图8可得混杂纤维混凝土相对抗折强度与温度的拟合关系式：

素混凝土：

(R=1) (6)

H6：

(R=1) (7)

H18：

(R=1) (8)

H30：

(R=1) (9)

考虑温度、玄武岩纤维长度作为混杂纤维混凝土相对抗折强度的影响因素，建立高温后混杂纤维混凝土的相对抗折强度预测模型：

(R=0.989) (10)

式中：为玄武岩纤维长度，m。

图8 高温后混凝土的相对抗折强度

2.4 机理分析

高温后混凝土及纤维混凝土的力学性能会发生显著变化，究其原因大致可分为2个方面：一是混凝土自身原因，另一个是外部因素[15]。200 ℃之前，随着混凝土基体中自由水及物理结合水的逐渐蒸发，水泥砂浆与骨料间的黏结应力得以增强，从而提高了混凝土的强度。温度达到400 ℃时，水泥砂浆中的水化铝酸钙及水化硅酸钙发生脱水，向外逃逸的水蒸气扩展了混凝土原有的内部裂缝，进而对混凝土强度产生了不利影响。温度达到600 ℃时，孔隙水完全蒸发，基体内部裂缝再次扩展，混凝土发生宏观破坏，力学性能显著下降。800 ℃时，石灰岩骨料开裂，并伴随由二氧化碳气体产生，致使混凝土强度再次降低。

而对混杂纤维混凝土而言，基体中均匀乱向分布的纤维素纤维单丝，能够形成有效的空间网状体系。纤维素纤维熔点较低，当基体内部温度达到200 ℃时，纤维素纤维熔化，从而在混凝土内部形成了连通的孔道，降低了因为水分蒸发膨胀所形成的内部压力，减少了水蒸气的挤胀作用，减轻了裂纹的扩展，进而提高了混凝土的强度；而玄武岩纤维的熔点较高，温度变化对本身的力学性能影响较小，同时，玄武岩纤维的阻裂作用一定程度上限制了混凝土试件在高温作用下的体积变化，对基体内部裂缝的扩展起到了限制作用，避免了由于高温作用导致混凝土爆裂现象的发生，使得混杂纤维混凝土在高温条件下有较高的残余强度。但与此同时，掺入过长的纤维会在混凝土搅拌过程中发生结团，降低了其对混凝土的增强效果。故在混凝土中掺入长度适当、掺量合理的混杂纤维可以有效的提高混凝土的耐高温性能。

3 强度预测

BP神经网络模型是进行数据分析及预测应用较为广泛的神经网络模型之一。利用Matlab的BP神经网络功能，建立预测模型，考虑温度条件、玄武岩纤维长度作为混杂纤维混凝土立方体抗压强度的影响因素进行训练分析，训练及预测的结果见表3。

表3 立方体抗压强度训练值及预测结果

从表3中的数据可以看出，模拟训练的结果具有较高的精度。依据试验数据对玄武岩纤维长度为12 mm与24 mm的混杂纤维混凝土在不同温度条件下的抗压强度进行了预测。预测结果表明，当掺入的玄武岩纤维长度为12 mm时，混杂纤维混凝土的抗压强度达到峰值，在800 ℃后，其抗压强度较素混凝土提高了17.2%。

4 结论

1) 与素混凝土相比，混杂纤维混凝土展现出了更好的耐高温性能，800 ℃后混杂纤维混凝土抗压、抗折强度较素混凝土分别提高了16.6%和39.7%。

2) 随着温度的升高，素混凝土与混杂纤维混凝土的抗压强度均呈先上升后下降的趋势。素混凝土的抗压强度在200 ℃时达到峰值，而混杂纤维混凝土的抗压强度则是在400 ℃时达到最高。

3) 素混凝土与混杂纤维混凝土的抗折强度均随着温度的升高呈下降趋势。与常温条件下相比，800℃时素混凝土及H6，H18，H30混杂纤维混凝土抗折强度分别降低了77.7%，74.4%，73.1%和74.9%。

4) 基于试验数据及预测结果，得出了混杂纤维混凝土中玄武岩纤维的最佳长度范围为12~18 mm。

[1] 黄业胜. 纤维混凝土高温后力学性能与恢复[D]. 大连:大连理工大学, 2015. HUANG Yesheng. Mechanical properties and recovery of fiber reinforced concrete after high temperature[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2015.

[2] Lau A, Anson M. Effect of high temperatures on high performance steel fiber reinforced concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(9): 1698−1707.

[3] Chunxiang Q, Patnaikuni I. Properties of high-strength steel fiber-reinforced concrete beams in bending[J]. Cement and Concrete Composites, 1999, 21(1): 73−81.

[4] PENG G F, WANG L, YANG J, et al. Title effect of steel fiber on explosive spalling of high performance concrete subjected to high temperatures[C]// AIP Conference Proceedings. AIP, 2013, 1569(1): 376−379.

[5] 邵莲芬, 刘华伟. 高温后纤维混凝土力学性能研究[J]. 新型建筑材料, 2016, 43(7): 38−41. SHAO Lianfen, LIU Huawei. Mechanical properties of fiber reinforced concrete after high temperature[J]. New Building materials, 2016, 43(7): 38−41.

[6] 李晗. 高温后混杂纤维混凝土抗压强度[J]. 混凝土, 2012(2): 93−95. LI Han. Compressive strength of hybrid fiber reinforced concrete after high temperature[J]. Concrete, 2012(2): 93−95.

[7] Algburi A H M, Sheikh M N, Hadi M N S. Mechanical properties of steel, glass, and hybrid fiber reinforced reactive powder concrete[J]. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2019, 13(4): 998−1006.

[8] 丁明冬, 杜红秀. 混杂纤维对活性粉末混凝土高温后抗压强度的影响[J]. 硅酸盐通报, 2017, 36(8): 2763− 2767. DING Mingdong, DU Hongxiu. Effect of hybrid fibers on compressive strength of reactive powder concrete after high temperature[J]. Silicate Bulletin, 2017, 36(8): 2763− 2767.

[9] 刘鑫, 杨鼎宜, 范志勇, 等. 热−力耦合作用下PVA纤维混凝土抗压强度试验研究[J]. 混凝土, 2018(2): 22− 25. LIU Xin, YANG Dingyi, FAN Zhiyong, et al. Experimental study on compressive strength of PVA fiber reinforced concrete under thermal-mechanical coupling [J]. Concrete, 2018(2): 22−25.

[10] Sanchayan S, Foster S J. High temperature behaviour of hybrid steel–PVA fibre reinforced reactive powder concrete[J]. Materials & Structures, 2016, 49(3): 769− 782.

[11] 李根. 掺聚丙烯纤维活性粉末混凝土高温后力学性能研究[J]. 新型建筑材料, 2018, 45(6): 29−32. LI Gen. Mechanical properties of reactive powder concrete with polypropylene fibers after high temperature [J]. New Building Materials, 2018, 45(6): 29−32.

[12] 杨娟, 朋改非. 纤维对超高性能混凝土残余强度及高温爆裂性能的影响[J]. 复合材料学报, 2016, 33(12): 2931−2940. YANG Juan, PENG Gaifei. The effect of fibers on the residual strength and high temperature bursting properties of ultra-high performance concrete[J]. Journal of Composite Materials, 2016, 33(12): 2931−2940.

[13] Varona F B, Baeza F J, Bru D, et al. Influence of high temperature on the mechanical properties of hybrid fibre reinforced normal and high strength concrete[J]. Construction and Building Materials, 2018, 159: 73−82.

[14] 大连理工大学. 纤维混凝土试验方法标准[M]. 北京: 中国计划出版社, 2010. Dalian University of Technology. Standard for fiber reinforced concrete test method[M]. Beijing: China Planning Press, 2010.

[15] 单晨晨, 杨鼎宜, 张鑫怡, 等. 纤维混凝土高温力学机理综述[J]. 混凝土, 2018(4): 87−90, 94. SHAN Chenchen, YANG Dingyi, ZHANG Xinyi, et al. Summary of high temperature mechanical mechanism of fiber reinforced concrete[J]. Concrete, 2018(4): 87−90, 94.

Experimental research on mechanical properties of hybrid fiber concrete after high temperature

LI Tong, ZHANG Xiaodong, LIU Huaxin, FAN Jinze, CHEN Chen

(School of Civil Engineering and Architecture, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

In order to study the mechanical properties of basalt-cellulose hybrid fiber concrete after high temperature, the compressive and flexural strength tests of hybrid fiber concrete with different basalt fiber lengths at different temperatures were carried out. Based on the statistical analysis of experimental data, the relationship between the relative compressive strength and the relative flexural strength of hybrid fiber reinforced concrete with different basalt fiber lengths was established. The optimum length range of basalt fibers in hybrid fiber concrete was obtained by using BP neural network. The results show that the compressive strength of plain concrete reaches its peak at 200 ℃, while that of hybrid fiber concrete reaches its peak at 400 ℃. The flexural strength of plain concrete and hybrid fiber concrete decreases with the increase of temperature. After 800 ℃, the flexural strength of plain concrete and hybrid fiber concrete remains. The remaining rates are only 22.3% and 26.9% respectively.

high temperature; hybrid fiber concrete; mechanical properties; BP network

TU528

A

1672 − 7029(2020)05 − 1171 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190694

2019−08−02

辽宁省自然科学基金资助项目(2015020208)

张晓东(1971−)，男，辽宁锦州人，教授级高级工程师，从事新型土木工程材料理论研究与应用；E−mail：843610469@qq.com.com

(编辑 涂鹏)