張秀芝，董青，劉輝，張國棟

（1.濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022；2.山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250022；3.山東營特建設(shè)項(xiàng)目咨詢有限公司，山東濟(jì)南 250014）

第15屆全國纖維混凝土學(xué)術(shù)會議論文

鋼纖維-聚丙烯纖維混雜混凝土耐高溫性能研究

張秀芝1，2，董青3，劉輝1，張國棟1

（1.濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022；2.山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250022；3.山東營特建設(shè)項(xiàng)目咨詢有限公司，山東濟(jì)南 250014）

通過對C35和C70兩個(gè)強(qiáng)度等級的纖維增強(qiáng)混凝土試件高溫試驗(yàn)，研究了不同溫度后混凝土的質(zhì)量損失、力學(xué)性能、表觀及微觀特征．結(jié)果表明：C70高強(qiáng)混凝土比C35混凝土耐高溫性能要差，其在600℃左右時(shí)會發(fā)生爆裂，而聚丙烯-鋼纖維可以有效改善混凝土的抗高溫爆裂性，使C70混雜纖維增強(qiáng)混凝土直至800℃未出現(xiàn)爆裂；隨所受溫度的升高混凝土的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率均增加，但C35的強(qiáng)度損失率高于C70混凝土．相同溫度下，與摻加單一纖維相比混雜纖維的加入提高了混凝土高溫后強(qiáng)度；有機(jī)纖維高溫融化后所留下的氣孔可以卸載部分膨脹壓力，而無機(jī)纖維則在較高的溫度下使混凝土保持完整性．

聚丙烯纖維；鋼纖維；混雜纖維；高溫；力學(xué)性能；質(zhì)量損失

0 引言

近年來建筑物發(fā)生火災(zāi)事件屢見不鮮，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損害．人們在關(guān)注消防安全的同時(shí)，對于建筑物火災(zāi)后的性能也極為關(guān)注．作為主要建筑結(jié)構(gòu)材料的混凝土，其本身并非可燃材料，但其在高溫環(huán)境中會發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致材料的性能劣化從而影響工程的安全性，因此，對混凝土的耐高溫性能進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義．國內(nèi)外針對高溫作用后混凝土在微觀結(jié)構(gòu)組成上的改變、宏觀性能的變化以及如何提高混凝土的耐高溫力學(xué)性能等方面已經(jīng)做了大量的研究工作[1-2]．鋼纖維（SF）和聚丙烯纖維（PPF）是最常用的兩種混凝土增強(qiáng)纖維．有研究表明，聚丙烯纖維能有效減少或消除混凝土遭受火災(zāi)高溫時(shí)的爆裂，緩解了混凝土試件的表面劣化程[3-4]．而摻入鋼纖維可以有效改善混凝土的機(jī)械強(qiáng)度，提高韌性，抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展等性能[5]，但對高強(qiáng)混凝土抗火性能的改善效果并不顯著．為減少混凝土遭受高溫時(shí)高強(qiáng)混凝土的爆裂并更加有效利用鋼纖維/高強(qiáng)混凝土的優(yōu)異性能，高丹盈等研究了聚丙烯纖維和鋼纖維混雜對高強(qiáng)混凝土高溫性能的影響[6-7]，ZhengWZ等研究了聚丙烯纖維和鋼纖維對活性粉末混凝土高溫強(qiáng)度的影響[8]．

雖然聚丙烯纖維和鋼纖維對混凝土都可以起到增強(qiáng)、增韌和阻裂的效果，但是作為不同化學(xué)組成和物理性能的兩種纖維，其在混凝土中效能發(fā)揮的程度與時(shí)間各不相同，因此可以通過兩者混雜的方法，即在不同溫度、不同時(shí)間和不同的尺寸上改善混凝土性能．本文中通過對摻有單一或混雜纖維的兩種強(qiáng)度混凝土進(jìn)行高溫試驗(yàn)，研究了溫度、纖維體積分?jǐn)?shù)和混凝土基體強(qiáng)度對聚丙烯-鋼纖維混凝土表觀特征、質(zhì)量損失及力學(xué)性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）：42.5級普通硅酸鹽水泥；礦渣：S95級，比表面積495 m2/kg；細(xì)集料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2. 8；粗集料：5～25mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石；減水劑：聚羧酸系高效減水劑；纖維：江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)混凝土專用聚丙烯纖維（PPF）和鋼纖維（SF），性能指標(biāo)如表1．

表1 聚丙烯纖維和鋼纖維性能指標(biāo)Tab.1Performance of the steel fiber and polypropylene fiber

2.2 配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了C35和C70兩種強(qiáng)度等級的8組混凝土配合比，聚丙烯纖維（PPF）體積摻量為0.1%，鋼纖維（SF）體積摻量為0.5%，具體配合比見表2．

表2 實(shí)驗(yàn)用混凝土配合比Tab.2Mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》拌制混凝土，每組成型5組100 mm ×100 mm×100 mm尺寸的混凝土試塊，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)（溫度20℃±2℃，相對濕度95%RH以上）養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后取出晾干，分別進(jìn)行20℃、200℃、400℃、600℃、800℃溫度實(shí)驗(yàn)．高溫采用箱式電阻爐，400℃以下升溫速率為10℃/min，400～800℃升溫速率為5℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后保溫2 h后停止加熱，試件自然冷卻后，取出進(jìn)行表觀顏色、裂紋分布等特征觀察并拍照、稱重、然后進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)．力學(xué)性能測試依據(jù)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行．

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維對混凝土高溫后力學(xué)性能的影響

混凝土作為結(jié)構(gòu)材料其最重要的性能是它的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)歷高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度損失率變化見圖1．

圖1 混凝土高溫處理后抗壓強(qiáng)度損失率Fig.1Loss rate of compressive strength under elevated temperatures treatment

由圖1可以看出，不論是C35還是C70混凝土，隨著暴露溫度的增加強(qiáng)度下降，強(qiáng)度損失率增加，即混凝土暴露在高溫下性能劣化．高溫作用后混凝土強(qiáng)度降低是由其微觀結(jié)構(gòu)變化而造成的．混凝土是由水泥石、骨料及不同尺寸的孔隙組成．混凝土被加熱后，首先在100～110℃時(shí)，毛細(xì)水等游離水脫出，然后是水化硅酸鈣凝膠體(C-S-H)中結(jié)晶水開始脫水，同時(shí)C-S-H開始產(chǎn)生收縮使水泥石收縮與熱膨脹相互平衡，在280～330℃時(shí)，水化鋁酸三鈣開始脫水，收縮進(jìn)一步增大，在400～450℃，Ca OH2開始脫水，從而形成CaO致使收縮進(jìn)一步增大．隨著脫水作用的出現(xiàn)，材料收縮的發(fā)生，材料構(gòu)成也發(fā)生變化，C-S-H失水結(jié)構(gòu)會變形，特別是Ca OH2失水生成CaO，當(dāng)重新冷卻后，水化形成Ca OH2體積膨脹也會使高溫后混凝土進(jìn)一步的破壞．

在200℃，C35混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率約為15%，這是因?yàn)樵?00℃以下，僅僅是自由水的汽化和水化硅酸鈣凝膠體(C-S-H)中結(jié)晶水開始脫水，同時(shí)C-S-H開始產(chǎn)生收縮使水泥石收縮與熱膨脹相互平衡，而這并不能使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞．在400～800℃范圍內(nèi)，由于水化產(chǎn)物分解，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失嚴(yán)重，強(qiáng)度損率失最大達(dá)到60%以上．隨著暴露溫度的增加，水泥水化產(chǎn)物中的C-S-H凝膠孔中的水脫除，超過500℃時(shí)凝膠發(fā)生龜裂；同時(shí)，氫氧化鈣發(fā)生脫水分解，水化產(chǎn)物晶格被破壞，使得水泥石的體積發(fā)生收縮，強(qiáng)度降低．混凝土中的集料也會隨著溫度不斷升高而發(fā)生膨脹，水泥石與集料界面發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致水泥石開裂．

C70混凝土比C35混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，孔隙率更小，內(nèi)部游離的水份較少，在200℃以下，由于水汽化產(chǎn)生的壓力達(dá)不到對混凝土的破壞，因此強(qiáng)度幾乎不衰減．當(dāng)溫度達(dá)200～400℃時(shí)，C35與C70混凝土強(qiáng)度損失率相接近，均是由于水化產(chǎn)物的分解導(dǎo)致．而高于400℃時(shí)，強(qiáng)度下降十分明顯，其內(nèi)部發(fā)生的物理化學(xué)變化與普通混凝土相同，但是由于其孔隙過少，內(nèi)部壓力更大導(dǎo)致破壞明顯增大，達(dá)到800℃之后，強(qiáng)度殘余僅有45 MPa，損失率為40.6%．

兩種強(qiáng)度等級的混雜纖維增強(qiáng)混凝土在600～800℃范圍內(nèi)，殘余強(qiáng)度明顯高于不摻纖維和摻加單一纖維時(shí)同強(qiáng)度等級的混凝土，強(qiáng)度損失率小，即聚丙烯與鋼纖維混雜明顯提高了混凝土的耐高溫性能．當(dāng)僅添加聚丙烯纖維時(shí)，由于PPF熔點(diǎn)低，纖維熔化后留下的孔洞可以起到緩解內(nèi)外壓力差的作用，從而提高了混凝土耐高溫性能，但是效果并不是非常顯著；鋼纖維在混凝土中可以起到粘結(jié)、固定、導(dǎo)熱及緩解溫度差的作用，對于C35混凝土性能影響較大，但對于C70混凝土效果不是非常明顯．當(dāng)兩種纖維混雜時(shí)，互補(bǔ)缺陷，在不同時(shí)間層次、不同溫度范圍內(nèi)提高混凝土的耐高溫性能．

2.2 纖維對混凝土高溫后質(zhì)量損失率的影響

混凝土中的膠結(jié)材料為水泥石，在高溫下水泥石會產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)變化，內(nèi)部水分汽化，水化產(chǎn)物在不同的溫度下會發(fā)生分解，因此，質(zhì)量會產(chǎn)生變化．混凝土在高溫作用后的質(zhì)量損失率如圖2所示．

圖2 高溫處理后混凝土質(zhì)量損失率Fig.2Mass loss rate of the concrete after high temperatures

由圖2可知，混凝土質(zhì)量損失率隨著溫度的增加而增大，在200℃以下，主要是因?yàn)檩^大孔隙內(nèi)自由水的流失及部分水化產(chǎn)物的分解而導(dǎo)致的．當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始分解，結(jié)合水失去，水化產(chǎn)物分解從而導(dǎo)致質(zhì)量損失．對于聚丙烯纖維混凝土，由于PPF熔點(diǎn)低，當(dāng)溫度達(dá)熔點(diǎn)以上便有PPF熔化分解，因此，不論是C35還是C70聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失率均高于其它種類的混凝土．對于低強(qiáng)等級的混凝土來說，孔隙率大，游離水多，摻加鋼纖維后鋼纖維的導(dǎo)熱性使混凝土表面與內(nèi)部溫度差減小，因此內(nèi)部混凝土水分以及水化產(chǎn)物分解較普通混凝土快，所以質(zhì)量損失率也較未摻加鋼纖維的大．而高強(qiáng)混凝土中鋼纖維所起的導(dǎo)熱性能不明顯，因此質(zhì)量損失率不如低強(qiáng)度混凝土明顯．聚丙烯-鋼纖維混雜在一定程度上降低了混凝土的質(zhì)量損失率，這不僅由于PP纖維的熔解釋放了混凝土內(nèi)外壓力差，還因?yàn)槔w維能起到連接破損水泥石組織、緩解溫度差等作用．通過纖維混雜技術(shù)，C35強(qiáng)度混凝土質(zhì)量損失率降低了約6%，C70強(qiáng)度混凝土質(zhì)量損失率減少約2%．

2.3 混雜纖維混凝土高溫后微觀結(jié)構(gòu)變化

圖3 C35纖維混凝土800℃高溫破壞微觀結(jié)構(gòu)Fig.3Microstructure of the hybrid fiber reinforced concrete after high temperatures

由圖3可以看出，混凝土受高溫作用后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯被破壞，結(jié)構(gòu)疏松，有許多的大孔洞存在．鋼纖維在混凝土受高溫破壞后，粘結(jié)在水泥石內(nèi)部，鋼纖維的彈性模量很高，還能起到增強(qiáng)材料的作用．鋼纖維的導(dǎo)熱系數(shù)在260～340 W/(m·K)范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)，在混雜纖維混凝土受熱過程中，能夠憑借其優(yōu)良的導(dǎo)熱優(yōu)勢，緩解混凝土內(nèi)外部分的溫度差，減少熱脹冷縮帶來的破壞力，從而提高混雜纖維混凝土的耐高溫性能．聚丙烯纖維在熔融時(shí)吸收部分熱量，緩解了混凝土由于溫度變化而產(chǎn)生的體積膨脹，更為重要的是其熔融產(chǎn)生的細(xì)小孔隙與混凝土外加劑產(chǎn)生的毛細(xì)孔及本身自帶的微觀封閉孔隙組成一個(gè)良好的散熱解壓通道[9-10]．高溫造成混凝土內(nèi)部水分氣化產(chǎn)生的氣壓便可通過這個(gè)通道進(jìn)行釋放，減少來自壓力差的破壞．聚丙烯纖維和鋼纖維共同作用使混凝土耐高溫性能增加，因此混雜纖維混凝土試件整體結(jié)構(gòu)較完整．

3 結(jié)論

1）經(jīng)過高溫暴露后，C35和C70混凝土的強(qiáng)度損失率隨著溫度的增加而增大；將體積百分?jǐn)?shù)為0.1%的聚丙烯纖維與0.5%的鋼纖維混雜摻入混凝土后可以有效降低強(qiáng)度損失率．

2）混凝土的質(zhì)量損失率同樣隨著溫度的增加而增大，但混雜纖維可以有效降低混凝土的質(zhì)量損失率，使得C35和C70強(qiáng)度混凝土質(zhì)量損失率分別減少了約6%和2%．

3）聚丙烯纖維熔融時(shí)吸收熱量，且其熔融后留下的孔洞可以緩解混凝土內(nèi)部水汽化時(shí)產(chǎn)生的壓力，而鋼纖維的耐高溫性及其阻裂性則使混凝土在高溫中保持一定的完整性和強(qiáng)度，因此混雜纖維混凝土的耐高溫性能得到提高．

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[責(zé)任編輯 楊屹夏紅梅]

Performance of steel-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete after being exposed to high temperature

ZHANG Xiuzhi1,2，DONG Qing3，LIU Hui1，ZHANG Guodong1

(1.School of Materials Science and Engineering,University of Jinan,Shandong Jinan 250022,China;2.Provincial Key Laboratory ofPreparationandMeasurementofBuildingMaterials,UniversityofJinan,ShandongJinan250022,China;3.ShandongInternational Project Management Co Ltd,Shandong Jinan 250014,China)

Through the high-temperature test of C35 and C70 fibre reinforced concrete,mass loss,mechanical property, apparent andmicroscopiccharacteristicswerestudied.Theresults showthatresistance to high temperatureofC70concrete is less than C35 concrete and it bursts at about 600℃.Polypropylene-steel fiber can effectively improve resistance to high temperature burst of concrete and make C70 hybrid fiber reinforced concrete doesn't burst until 800℃;Strength loss rate and mass loss rate increase with the rise of temperature,but strength loss rate of C35 concrete is higher than that of C70 concrete.Comparingwith singlefiber,hybrid fiber increase thestrengthofconcreteafterbeing exposed to high temperature at the same temperature;Pores caused by organic fiber melting can unload partof the inflation pressure and inorganic fiber make concrete to keep the overall integrity at higher temperatures.

polypropylene fiber;steel fiber;hybrid fiber;high temperature;mechanical property;mass loss

TU528.572

A

1007-2373(2015)04-0101-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.020

2014-09-15

國家自然科學(xué)基金（51208227）；高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2013CEM003）

張秀芝（1974-），女（漢族），副教授，zhangxz74@126.com．