高温后混凝土力学性能和耐火能力研究现状及展望

薛晨曦 胡景蕙 杨 戈 陈瑞晓

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 引言

混凝土作为现代建筑材料的重要组成部分，具有复杂的力学特性，其强度的好坏直接影响建筑的安全使用年限。 由于混凝土内部结构致密，在高温下极易发生爆裂，导致混凝土剥落，降低结构承载力。 尤其当发生火灾时，混凝土材料的性能直接影响结构的耐火时限，对居民的生命及财产安全起到至关重要作用[1]。近年来，随着高层建筑结构的逐渐普及，对混凝土高温耐火性能的研究已成为重要课题之一。图1 为火灾后建筑受损情况实例。因此，对高温后混凝土的结构安全性能必须引起足够的重视。

图1 建筑火灾

目前，对于常温下混凝土力学性能研究相对较多，而高温后混凝土力学性能研究相对较少，且缺乏精细化分析[2-3]。 此外，对于为提高强度而采用外掺料的混凝土， 由于掺料不同对混凝土整体的力学性能影响有所不同， 而且在外掺料添加之后的混凝土高温力学行为更为复杂。目前，在外掺料混凝土高温后力学性研究能取得了一定的成果， 但由于试验手段和方法的限制， 以及外掺料的剂量和颗粒大小等因素都制约着研究的进展。 为准确获得高温后混凝土力学性能的变化情况， 必须全面考虑多种条件的耦合响应，并依托新材料、新技术、先进的试验手段来解决当前所面临的问题， 这对于保障居民生命财产安全、 保持国民长久持续发展有着重要的战略意义。

鉴于此，文章重点归纳总结了纤维混凝土在高温作用后力学性能及高温耐火的研究现状，分析探讨了混凝土高温作用后有待解决的重点、难点问题，并对研究方向和趋势进行展望。

1 纤维混凝土高温特性研究

高温后混凝土的特殊之处在于混凝土内部会产生蒸汽压力、热应力变化及热开裂等一些复杂现象，必须综合考虑混凝土内部水分蒸发量、温度梯度、混凝土导热系数、混凝土爆裂区域及抗压强度损失等因素。 国外对于混凝土高温研究始于20 世纪初期[4]。而国内在20 世纪60 年代才开始进行混凝土高温性能的研究。 对纤维混凝土的高温性能研究则相对滞后，主要是其影响因素多，高温性能复杂，且缺乏一定的基础研究[5]。 文章对常用的钢纤维混凝土、橡胶纤维混凝土、聚丙纤维混凝土的高温力学性能进行了系统的归纳总结。

1.1 钢纤维混凝土

早在1907 年苏联学者B.П.H ekpocaB[6]便开始利用金属纤维来增强混凝土强度。 徐晓勇等[7]通过对钢纤维高强混凝土高温后力学性能的试验研究，得出掺钢纤维的高强混凝土的抗压强度、 抗拉强度和抗折强度均随温度的升高有下降趋势。 相同温度条件下，掺钢纤维的高强混凝土比素高强混凝土的残余强度要高，掺钢纤维对残余抗拉强度的提高最明显，残余抗压强度次之，对残余抗折强度的提高较小。 彭帅等[8]应用分离式霍普金森压杆和电阻式高温加热炉对不同纤维掺量(1%，2%)的钢纤维混凝土试件进行了不同温度条件下(20 ℃，200 ℃，400℃，600 ℃，800 ℃)的动态压缩试验，试验结果表明，钢纤维混凝土具有明显的应变率强化效应和温度损伤效应。 在各试验温度下，钢纤维混凝土的动态抗压强度随着应变率的增大而提高；同一加载速率下，钢纤维混凝土的动态抗压强度随着试验温度的升高大幅度降低；相比于普通混凝土，钢纤维混凝土的抗冲击性能显著提高。 Chen 等[9]通过SHPB 试验装置和工业微波加热炉对普通混凝土进行了高温高应变率加载试验， 讨论了温度和应变率对混凝土材料力学性能的影响， 并给出了不同温度条件下混凝土的动态强度增长系数与应变率的关系式。

1.2 橡胶纤维混凝土

Eldin 和Senouci 首次把废旧轮胎颗粒作为混凝土骨料加入混凝土中，通过试验研究阐述了橡胶混凝土的特性，并且提出一种分析方法对橡胶混凝土的强度进行预测[10]。 而国内关于橡胶混凝土的研究是开始于20 世纪80 年代， 由天津大学朱涵教授等进行了原创性开发，并在道路、房建等方面取得了初步的应用[11]。 李丽娟等[12]对高强橡胶混凝土进行了高温试验，并利用扫描电镜观察了高温作用后橡胶水泥浆体的微观结构变化。 结果表明：500 ℃作用后高强橡胶混凝土强度下降幅度较小， 而800℃作用后高强橡胶混凝土强度下降较大；当橡胶掺量为1%（质量分数）时，粒径1.20 mm 的橡胶粉有利于改善高强混凝土高温下的爆裂缺陷。 韩阳等[13]通过对三种不同橡胶掺量的混凝土试件进行高温试验，试验结果表明，高温作用后，橡胶集料改性混凝土的各项力学指标衰减随橡胶掺量的增加而增大，随受热温度的升高而增大，500 ℃高温作用后出现陡降。 Yesilata B 等[14]发现，掺入67.2 kg/m3橡胶的混凝土隔热性能比普通混凝土提高18.52%。

1.3 聚丙烯纤维混凝土

杜曦等[15]对120 块不同聚丙烯纤维掺量的混凝土立方体试件进行高温后力学性能试验研究，试验结果表明，随着温度的升高聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土一样， 弹性模量与抗压强度都呈下降趋势，并且在300 ℃以后显著降低，而峰值应变上升。在相同温度下，随着纤维掺量的增加混凝土试件的抗压强度与弹性模量下降，峰值应变升高。 基于试验建立了不同掺量下聚丙烯纤维混凝土的相对抗压强度随温度变化的关系式。 Hsie Machine[16]得出在混凝土中掺入不同含量的聚丙烯纤维均降低了混凝土的抗拉、抗压强度等力学性能。常传鹏等[17]通过对高温后的聚丙烯纤维混凝土和素混凝土抗压强度的试验研究，研究结果表明，无论纤维混凝土还是素混凝土抗压强度均随温度升高逐渐降低，且纤维的含量在一定范围内对混凝土强度影响较小。元成方等[18]通过对高温后聚丙烯纤维混凝土的表观损伤、内部损伤及微观形貌进行分析，结果表明：经历最高温度越高，混凝土表观损伤越严重；聚丙烯纤维可以改善混凝土的高温性能，抑制混凝土裂缝的产生和发展；经历相同的温度时，聚丙烯纤维掺量越高，混凝土内部裂缝越少且贯通性越低；经历高温作用后，水泥水化产物出现分层及裂纹，混凝土内部孔隙增多、微裂缝增大且逐渐贯通。 随着温度的升高，混凝土开裂进一步加剧，裂缝变宽且贯通性增强，孔隙直径增大。

2 结论与展望

对国内外普通混凝土和掺加纤维混凝土结构体系的耐火理论及试验研究进行了简要阐述，分析了目前急需解决的重点和难点问题。

1）将钢纤维、废轮胎、聚丙烯纤维添加至混凝土中，一方面实现了废旧钢材、废轮胎、聚丙烯的无污染化处理和循环利用，另一方面可以提高混凝土的抗渗、抗爆裂以及隔热等性能。 但目前无论是橡胶混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土的应用还处于初始发展阶段（橡胶混凝土路面和民用建筑物楼板等的应用处于试验阶段，橡胶混凝土轨枕已开始工业化生产），其研究也多集中于强度、耐久性能和抗爆裂性能等使用性能方面。 对宏观乃至微观性能进行系统研究，建立完善的理论体系和试验研究方法，才能从根本上解决橡胶混凝土研究和应用中存在的问题，推动其广泛应用。

2）混凝土内掺加纤维材料技术经过一定时间段的发展，已被证实掺加纤维材料可以明显提高力学特性，且在高层中逐渐被推广应用。 目前，研究成果主要集中于高温中或高温后纤维混凝土宏观性质上，对于混凝土高温后微观角度研究还很少见，并且目前对掺加纤维颗粒大小、纤维长度及掺量还存在争议。 因此引入科学配比概念，定量分析适用于高温后合理掺料剂量-温度、掺料纤维长度-温度的统一表达式， 适用于提高钢筋-混凝土结构体系的耐火理论体系具有极其重大的现实意义， 对科技、环保、安全及混凝土结构的高效服役具有重要的发展意义。

3）混凝土结构体系火灾高温作用后，除了受到蒸汽压力产生爆裂及混凝土内部导热等作用外，还需要承受混凝土与钢筋锚固黏结力的影响，除了考虑结构本身的力学特性，还需要综合研究内部包裹体的复杂力学特性及产生爆裂区域和水-热-力的耦合效应。 能够准确表达高温作用后混凝土内部热-力特性和混凝土与钢筋黏结特性，这对沿混凝土温度场的分布变化也是一种挑战，需进一步深入探究。