纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述.pdf

2 0 1 6年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AN D CE MEN T P RODUC T S 2 01 6 No 1 J a n u r a r y 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述 张广泰， 陈 浩， 郭 锐， 令 芳， 邓洋洋 ( 新疆大学建筑工程学院， 乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 ) 。 摘要 ： 在对 国内外聚丙烯 纤维、 钢纤维、 钢一 聚 丙烯混杂纤 维和其他 纤维混凝 土的高温残余性能和抗爆裂研究 成果进行 综述的基础上 ， 对 作用机理 进行 了深入分析 ， 并指 出该领 域 中当前研 究所存在的若干 问题 ， 对需要进 一步 研 究的相 关内容提 出了建议 关键词 ： 纤维混凝土 ； 高温 ； 爆 裂： 机 理 Ab s t r a c t ：B a s i s o n r e v i e w o f r e s e a r c h o n r e s i d u a l p r o p e r t i e s a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e a n d s p all i n g r e s i s t a n c e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r ， s t e e l f i b e r ,s t e e l p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d o t h e r f i b e r s c o n c r e t e a t h o me a n d a b r o a d ， t h e me c h a n i s m o f fi b e r c o n c r e t e i s d e e p l y a n a l y z e d ，t h e p r o b l e ms o f c u r r e n t r e s e a r c h i n t h i s fi e l d a r e p o i n t e d o u t At t h e s a me t i me ， r e c o m me n d a t i o n s f o r f u r t h e r r e s e a r c h a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s ： F i b e r c o n c r e t e ； Hi g h t e mp e r a t u r e ； S p a l l i n g ； Me c h a n i s m 中图分类号 ： T U 5 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 61 0 1 6 2 0 7 0前 言 。 在建筑物向超高层大跨度发展的今天 ， 人们对 结构的各项性能也提出了更高要求 ， 而结构 的耐火 性能则是其 中极重要 的一项 。无论是早期的伦敦大 火 ， 还是近期世 贸大楼的倒塌等 ， 均造成 了巨大损 失。 公安部消防局公布数据 1 ： 2 0 1 4年全国共接报火 灾 3 9 5万起 ， 死亡 1 8 1 7人 ， 财产损失 4 3 9亿元。 上世纪 2 0年代起 ， 美 、 德 、 英等 国相继开展 了 结构抗火性能研究。我国于上世纪 6 O年代开始相 关研究 ， 并取得了一系列成果。目前 ， 对普通混凝土 高温性能研究 已较成熟 ， 但对高强高性能混凝 土材 料及结构的研究还处于起步阶段。混凝土在经受高 温过程中常有爆裂发生 ， 将纤维掺入混凝土 中发现 其在改善混凝 土抗高温爆裂方面有 良好表现闭 。 目 前 依据纤维弹性模量是否大于基体可分为低弹性 模量纤维 ( 聚丙烯纤维 、 纤维素纤维 、 尼龙纤维等 ) 和高弹性模量纤维 ( 钢纤维 、 玄武岩纤维 、 碳纤维 、 玻璃纤维等嘲 ) 。由于纤维 自身特性不同 ， 对混凝土 高温后性能改善与作用机理也不尽相同。 1 纤维 混凝土 的高温 性 能 1 1 聚丙烯纤维 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4 1 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 。1 5 0 C 时外观均无明显变化， 但升温至 8 0 0 ， 素 混凝土表面有大量贯穿裂纹并有脱落 。 而聚丙烯纤 基 金 项 目 ：新 疆 维 吾 尔 自治 区 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 2 01 4 2 1 1 A0 0 6 ) 。 一 62一 维混凝土仅有少量微裂纹且外观完好。 A r a b i 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 1 发现： 普通 昆 凝土与聚丙烯纤维混凝土在 2 0 0 时抗压强度分别下降了 8 和 1 6 ， 4 0 0 ( 2 时强度均 有所恢复 ， 8 0 0 后残余抗压强度为 3 0 和 6 7 。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 4 0 0 上升到 8 0 O 过程中，孔隙率降低 但孔道依然可保持原有直径的 7 4 。 肖建庄17 研究 了 C 4 0 、 C 5 0 、 C 8 0 、 C 1 0 0高性能混 凝土的高温性能 ， 发现混凝土抗爆裂能力随强度增 加而降低 但掺入聚丙烯纤维后均未发生爆裂 。谢 静I 8 1 研究表 明 ： 长 1 5 m m、 直径 3 5 1x m 的聚丙烯纤维 较 另 外三 种 ( 8 m m、 2 5 tx m， 8 ra m、 3 5 m， 1 5 mm、 2 5 1 x m) 纤维对混凝土高温性能改善效果更好。牛旭婧f9 认 为：聚丙烯纤维直径为 0 8 1 mm的较 0 0 4 8 m m的对 改善混凝土高温性能效果更优。常传鹏 的研究表 明 ： 在 4 0 0 ( 2 时 ， 短纤 维较 长 纤维 对 混凝 土 的改善 作 用更佳 。 但经历更高温度后两种纤维改善效果差别 不大 。 B i l o d e a u ” 】 研究了水胶 比为 0 3 3的硅灰轻骨混 凝 土爆 裂性 能 ， 发现 聚丙 烯 纤维 长 度 为 2 0 ra m， 掺 量 在 3 5 k g m。 时可抑制混凝土爆裂 。 但长度为 1 2 5 ra m 时仅需 1 5 k g m 就可抑制爆裂发生。 Mu g u me 在研 究聚丙烯纤维类 型对 高强混凝土高温性能影响时 发现 长度为 1 2 ram聚丙烯纤维较长度为 6 m m的聚 丙烯纤维降低孔隙压力效果更好。混凝 土孔隙压力 在纤维熔融瞬间或熔融后极短 的时间内便有所 降 张广泰 ， 陈浩 ， 郭锐 ， 等 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述 低 。低熔点纤维在降低压力方面较高熔点纤维表现 更 好 。K a l i f a 1 3 1 认为 ： 掺 2 k g m。 、 长度 1 2 c m、 直径 5 0 2 0 0 1 m的聚丙烯纤维能避免高性能混凝土高温 爆裂 。杜曦研究聚丙烯纤维高温后峰值应变时发 现 ： 掺入聚丙烯纤维后 ， 峰值应变明显上升 ， 较素混 凝 土可提高 4 2 9 。孙伟【 5 对 高温后混凝土采用炉 冷与水冷不同降温方式 ， 均无爆裂发生 ， 但 C h a n t 6 1 在 相似 试验 条 件下 却发 生 了严重 的爆 裂 现象 。 G D e b i c k i I 17 1 认为 ： 在水养或采用袋子密闭养护 对混凝 土爆裂行为无 明显影 响 试件质量损失 和球 体试件 中心温度变 化与养护方式及纤维含量关 系 较小。试件尺寸可影响试件的爆裂 ： 直径 1 2 c m的球 体混凝土其渗透 区域靠近中心 ，且伴有爆裂发生 。 直径 2 4 c m的试件 ，其压力峰值在试件中心和表面 之间 ， 且爆裂成几部分。所有试件中， 素混凝土试件 均发生爆裂 。 纤维掺量 0 5 k g m， 时 ， 只有直径 1 2 c m 的试件未发生爆裂 。 直径 1 8 c m和 2 4 c m 的试件均发 生 了爆裂 。 当纤维掺量达到 1 O k g m 。 或更高时， 无论 何种尺寸试件均无爆裂现象发生。 陶津 l 8 1 研 究表 明 ： 聚丙烯纤 维掺量 为 0 5 k g m 。 的 自密实混凝土在无应力水平时未发生爆裂 ， 当应 力水平 为 2 0 时 ， 试 件边角发生爆裂 ； 当纤维掺量 增加 到 1 0 k g m。 时 ， 即使应 力水平达到 4 0 ， 仍无 爆裂发生 。B e r t i l P e r s s o n I 9 1 试验表 明： 在室内 自密实 混凝土和室外 自密实混凝土中分别掺人 0 7 k g m ， 和 1 4 k w m 的聚丙 烯纤 维 能够 避免 爆裂 发生 。 王飞剑【 砌 发现 ： 聚丙烯纤维混凝 土在常温和高 温后较普通混凝土均具有更高的导热系数 ， 且两者 差值范围为 4 3 4 。 I v a n I2 1 认 为 ： 气 渗性能与压汞法所 得的参数有 较好相关性 ， 可较好反 映材料孑 L 隙的连通性能。柳 献9 9 1 研究表明： 自密实混凝土在 5 o 0 高温下发生爆 裂 ， 而掺人 聚丙烯纤维后则无爆裂现象。通过汞压 力测孔法测定表明 ： 1 3 0 4 0 0 C 区间内的孑 L 隙半径仍 处于同样量级 ， 但孔隙体积随温度升高而变大。在 2 0 0 时纤维对气渗性能提高最为显著。进入 4 0 0 0 ( 2 及 更 高 温度 时 ， 这一优 势 逐 渐减 小 。2 0 0 时素混 凝 土的相对渗透系数几乎无变化 ， 而纤维混凝 土的则 有显著突变 ， 其宏观表现为抗压强度更高。 元成 方2 3 1 发现 ： 混凝 土 在经 历 2 0 8 0 0 过 程 中 其 最可几 孔隙从 3 0 n m左右逐 渐上升到 3 0 0 n m左 右 ， 且呈现z b：f L 向大孑 L 转变趋势 。聚丙烯纤维混凝 土在 常温下较素混凝土呈现小孔更少 大孔更 多的 现象 。高温后 由于小孑 L 减少大孔增多 且孔 隙贯通 性增加 ， 故比表面积呈下降趋势。 李 杰 青 研 究 表 明 ： 聚 丙 烯 纤 维可 使 牺 牲 混 凝 土高温后残余抗压强度提高 5 8 ， 且减少混凝土 的疏松 面积 ，同时也使得 与素混凝土基体 中大 于 l O l m 的介 观 孔 和 宏 观 孔 的 总 孔 隙率 的差 异 从 4 0 0 C 时 的 1 2 上升 到 l 0 0 0 时 的 l 1 5 。 宁艳 红 发现 ： 聚丙烯纤 维体积率 小于 0 1 时 。 无论何种含湿量的混凝土高温后的渗透系数均 小于素混凝土 ， 但在更高掺量时 ， 则有相反的结论 。 A l b e r t 发现 ： 掺 2 k g m 聚丙烯纤维的混凝土经 受 2 0 0 ：E 与 6 0 0 C 高温后 ， 其渗透性系数较素混凝土 分别上升 了 8 5 和降低了 2 0 。 李 明星 2 v l 研究表明： 纤维素纤维混凝土高温后残余抗压强 度随氯离子 扩散系数 的增大而减小 。 张戈2 8 1 研究表明 ： 聚丙烯纤 维可有效减轻混凝土高温后冻融损伤。 赵毅 2 9 1 发现 ： 混凝土中掺人 0 6 k g m s 聚丙烯纤维 ，高温后碳化深 度最小 ， 但掺量过高会促进混凝土高温后碳化。 鞠峰3 0 1 认为 ： 在高强混凝土 中掺入引气剂不能 避免爆裂 ， 且会 降强度 ， 但掺入纤维则能避免混凝 土的高温爆裂。 A b d u l l a h3 1 1 研究表明 ： 引气剂掺入聚 丙烯 纤维 混凝 土有 助 于改善 高温爆 裂性 能 A l i B e h n o o d t 3 2 1研究认为： 掺入硅粉虽然能够改善常温时 混凝土性能 但经历 6 0 0 后其强度损失较无硅粉 混凝土要大。在温度达到 1 0 0 C 时， 纤维混凝土与素 混凝土的残余抗压强度相差不大 ， 但是纤维混凝土 的抗拉强度损失较素混凝土更多。 P h a n t 3 1 发现 ： 掺 1 5 k g m。 聚丙烯纤维可使混凝 土 内部最 大蒸汽压力从 2 1 M P a降到 1 4 2 MP a ； 掺 量 3 k g m 时 ， 蒸汽压降至 0 6 6 MP a 。G Ma z z u c c o I 利 用数值模拟表 明：聚丙烯纤维掺量在 3 k g m 时 ， 混 凝土高温后的蒸汽压力约是不掺人纤维的 1 3 。 P i e t r o L u r a【 通 过在 聚丙 烯 自密实 混凝 土 中加 入高 吸水聚合物( S AP ) 降低纤维用量 ， 并依然保证 自密实混凝土 的特性 。对预应力板进行试验时发 现 ， 加入 S A P后构件升温速率较基准组有所减缓。 T o r o p o v s 在试件 中加人高吸水树脂 和聚丙烯 纤维 ， 发现试件的温度分布与是否掺聚丙烯纤维关 系不大。在掺纤维试件 中， 湿度廓线较为均匀 ， 表明 有 效减 少 了热应 力 和蒸 汽 压 。无 纤 维试 件 中 。 湿 度 廓线有明显突变。 闫倩倩【 轫 采用 区别于高温炉 内加热方法 ， 用更 接 近火 灾 现 场 的 明火对 混 凝 土板 进行 火 灾 试 验 结 果显示 ： 普 通混凝 土在升温与降温过程 中 裂缝宽 度 由 0 7 mm增大到 1 m m， 且 深度较大 ； 掺聚丙烯纤 维后 ， 裂缝深度仅为 0 4 0 6 m m。 上述研究表明 ： 适量聚丙烯纤维高温熔融蒸发 可降低基体 内蒸汽压 ， 从 而有效阻止混凝土的高温 爆 裂 。聚 丙 烯纤 维 在改 善 混凝 土 抗 压强 度 、 降低 蒸 一 6 3 2 0 1 6年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 7期 汽压、 抑制爆裂等方面已形成共识。 1 2钢纤维 G M C h e n t 8 】 研究表明 ： 与普通混凝 土高温后变 化相似 ，再生混凝土高温后表面颜色有所改变 ， 且 有 肉眼可见的裂纹 ， 加入钢纤维 的再生混凝土较素 再 生 混凝 土 具有 更小 的裂纹 ， 且 钢 纤维 掺 量 的增 加 可显著降低裂缝宽度。 J i h w a n K i m f 3 9 】研究表明 ： 试件在经历高温后其抗 拉强度损失率较抗压强度损失率更大 ， 但是断裂能 量损失率则相对较低 。 且试件对钢纤维的体积率和 长径 比的变化较 纤维 的形状 变化 更为 敏感 。 赵军 研究表明： 混凝土在 4 0 0 C 之前无爆裂发 生 ， 4 0 0 C 一 6 0 0 时仅有素混凝土发生爆裂 在 6 0 0 ( 2 后 ， 钢 纤维 混 凝 土也 出现 爆 裂现 象 。高 超 研 究 发 现 ： 6 0 0 C以后 钢 纤 维 昆凝 土 的 相 对 抗 折 强 度 为 8 l 。而素混凝土的相对抗折强度 已降至 5 9 ， 但 8 0 0 c ( = 后相对抗折强度均较低 。张彦春_4 2 l研究表明 ： 钢纤 维混凝土其 在经历 5 0 0 C 时抗 剪强度损 失很 小 ， 9 0 0 C 后 ， 依然有 4 0 的残余抗剪强度。 王邦 4 3 】 发 现 ： 钢纤维对钢筋与混凝土高温后极 限黏结强度提 高可达 6 7 5 ， 但对初始黏结强度有不利影响。 杨欢 研究表明 ： 钢纤维可 明显改善再 生混凝 土高温后 的抗压强度 、 弹性模量 、 能量吸收能力 ， 对 能量吸收能力的改善最为显著 在研究切 口梁高温 后 断 裂能得 出经济合 理 的掺 量 为 1 。A L a u 研究 认 为 ： 在经历高温后 ， 初始饱和度为 1 0 0 的试件较 饱 较初 始 饱 和 度 为 2 0 的试 件 抗 压 强 度 低 5 1 2 MP a 。混凝 土 在经历 1 2 0 0 C 后 ， 其 强度 有所 回升 。 高温后 钢纤维混凝土的弹性模量较素混凝土 的弹 性模量高 出 2 6 G P a 。 J a n B e d n 4 6 l 研究表明： 钢纤维 混凝土板经历高温时， 变形可达到 3 0 0 mm， 为其跨度 的十分之一 在 5 0 0 C 时的延性较 2 0 和 6 0 0 C 时均 要更高 。 陈强 在水 胶 比为 0 2的 活性 粉末 混 凝 土 中掺 人体积率为 2 0 的钢纤维 ， 试件爆裂的临界湿含量 在 2 5 5 O 。但该掺量下无法避免低水胶 比( 0 1 6 和 0 1 8 ) 爆裂发生。 金凤杰【镐 】研究表 明： 加载速率对其动态抗压强 度起强化效应而温度则起弱化效应。素混凝土的动 态抗压强度增长因子低于钢纤维混凝土。 李旭东t4 9 1 研究表明 ： 3 0 0 C 高温后 ， 钢纤维橡胶 混凝土的残余劈拉强度可达 9 8 ， 而普通混凝土为 6 8 ， 橡胶混凝 土仅 为 5 7 ， 在 经历 6 0 0 C高温后 ， 钢纤维橡胶混凝土依然可以达到 5 3 ， 而普通混凝 土为 2 4 ， 橡胶混凝土则为 1 9 。 燕兰5 o 1 研究表明 ： 高温下纳米 S i O 可有效改善 6 4 基体结构 ， 增加钢纤维与胶凝 材料 的黏结力 ， 改善 高温后抗压强度与劈裂抗拉强度。杨少伟 5 1 结合应 变直测技术 研究 了钢纤维活性粉末混凝土高温后 的动态压缩性能 ， 结果表明 ： 钢纤维活性粉末混凝 土的峰值应力受温度影响较大 在 4 0 0 C 和 8 0 0 C 时 较常温时分别下降了 3 8 和 7 3 。 王志坤 5 2 研 究表 明： 钢纤维混凝土高温下 的裂 纹产生与发展需要吸收更多的能量 ， 较普通混凝土 具 有 更 高 的能 量 密 度 。S i d e r i s K 5 3 研 究 表 明 ： 3 8 0 5 8 0 C 是高性能混凝土易发生爆裂的温度 区间 ， 钢纤 维不能阻止爆裂的发生 ， 但能提高爆裂发生的初始 温度。 周衡5 4 1 研究表明 ： 钢纤维较强导热能力能缓解 升温与降温过程 中混凝土的温度应力损伤 此外 ， 钢纤维的加筋作用能延缓混凝土的裂缝开展 。采用 自然降温、 洒水降温 、 淬冷降温后 ， 抗渗性能逐渐变 差 ， 但温度在 6 0 0 C 时 降温速率对抗渗性能的影响 减弱。 O g u z D t i g e n c i t5 建议钢纤维掺量 1 较合适 ， 但 龄期 7 d的 昆 凝 土经 受 超过 I O 0 0 C 高温 后 钢 纤 维 的作用逐渐消失 。任纬航 研究表 明： 采用压力为 8 MP a的水枪降温方式对钢纤维混凝土 的损伤较纤 维素混凝土和普通混凝土损伤要小 。 上述研究表明： 钢纤维可增加基体 自身的黏聚 力且 由于其 自身较好的导热性 能可改善温度应力 带来的损伤。钢纤维虽可提高混凝土高温爆裂发生 的温度 ， 但不能避免爆裂 的发生 。适量矿物掺合料 可有效提高钢纤维对混凝土高温后的改善能力。 1 _ 3 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5 7 1 试验表 明 ： 聚丙烯纤维掺人 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 5 8 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 。钢一 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。研究 还表 明 ， 聚合物浸渍修复混凝土效果受纤维影响不大。 李海艳 5 9 1 研究表 明： 聚丙烯纤维体积率在 0 3 时才 能防止爆裂发生 ， 且与钢纤维共 同作用时抑爆 效果更优 。钢纤维活性粉末混凝土较聚丙烯纤维活 性粉末混凝土和素 活性粉末 昆凝土对试件尺寸效 应 更为 敏感 。 李晗6 O l 研究表明 ： 混杂纤维混凝 土抗压强度 与 张广泰 ， 陈浩 ， 郭锐 ， 等 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述 轴心抗压强度随温度升高均呈先降低再有所恢复 ， 然 后再 降低 的现象 。8 0 0 C 后 残余 抗压 强度 约 为 6 0 。在建立的高温后抗压强度与轴心抗压强度计 算模 型中，钢纤维的影响系数均大于聚丙烯纤维 。 研究还表明 ： 混杂纤维混凝土经历高温后 的抗压强 度 比随基体强度等级 的提高而 出现先增大后 减小 的现 象 。 高 丹盈 【6 - 6 2 研究 表 明 ： 素 混凝 土在 6 0 0 C 时发 生 爆裂 ，而聚丙烯一 钢纤维混凝土在 8 0 0 ( 2 时仍完整 ， 但研究也表 明 ： 1 0 0 m mx 1 0 0 m mx 4 0 0 m m的试件无论 是否掺纤维 ， 均未发生爆裂 。矿渣微粉可提高混凝 土高温后弯 曲性能 ， 聚丙烯与钢纤维均可有效提高 高温后弯曲性能， 且两种纤维混杂时效果更佳。 Mi t s u T a t e o 6 3 1在 H S C中掺加体积率 0 O 5 0 5 0 ， 长 度 5 - 4 0 mm， 直 径 5 5 0 0 1x m 的有 机 纤 维 ， 并掺人适量玻璃纤 维 、 钢纤维等 ， 发现两种纤维 比 例为 1 ： 0 2 2 0时 具有较好的抑爆效果 。 李翔宇删认为 ： 纤维混凝土各高温阶段 质量损 失来源如下 ： 1 0 0 C 内来源于毛细孔 中可蒸发水的散 失 ： 1 0 0 2 0 0 ( 2 来源于水分的持续蒸发 、聚丙烯纤维 的熔融蒸发以及钙矾石晶体分解 ： 2 0 0 4 0 0 ( 2 来源于 胶凝水的散失 ： 4 0 0 6 0 0 来源于水泥氢氧化物 中化 学结合水 的分解 ； 6 0 0 8 0 0 C 来源于石灰石 的分解 ， 掉皮 、 缺角等损失。由于钢纤维 的导热系数较高和 聚丙 烯纤维熔融蒸发后 留下 的孔 隙均促进基体水 分 的分解 和蒸发，故钢纤维混凝土与聚丙烯纤维混 凝土 4 0 0 C 高温后的烧失率均有所增大。 刘锋嘲研究表明： 高强混凝土 、 钢纤维橡胶粉高 强混凝土在高温下均有爆裂发生 ， 橡胶 粉高强混凝 土与聚丙烯纤维橡胶粉高强混凝 土并未 发生爆裂 现象 ， 聚丙烯纤维与钢纤维复掺到橡胶粉混凝土中 可大幅提高高温后的峰值强度 。 朋改非嘲研究表 明： 孔粗化效应与微裂缝对混 杂纤 维混凝土 的劈裂抗拉强度较抗压 强度影 响更 大 ， 对断裂能 的影响则介于二者之间。一定掺量范 围 内变 化 的 聚丙 烯 纤 维在 钢 一 聚丙 烯 纤 维混 凝 土 中 对高温后断裂能影响较小。 杨淑慧 研究发现 ： 钢纤维掺量 固定 的混凝土 高温后 的烧失率 随聚丙烯纤维掺量的增加而增大 。 当聚丙烯纤维掺量固定时 ， 钢纤维掺量 的增加亦会 增 加烧 失 率 董香军 6 8 1 研究发现 ：钢一 聚丙烯纤维混凝 土 9 0 0 C 高温后 较普通混凝土的极 限抗弯强度有显著 改善 。钢纤维经历高温后其表面氧化并膨胀变粗 ， 其氧化层 由于内应力的存在而脱落 。梁在经受低于 6 0 0 C 高温时 ， 其破坏截面上 的钢纤维几乎全部被拔 出。在经历 9 0 0 ( 2 以上高温时 ， 破坏截面上 的纤维则 几乎 全 部被 拉 断 。采 用 明火 试验 时 ， 由 于恒 温 时 间 短 试件受热不均匀 ， 故较高温炉升温方式有更高 的残余性能。Ya n 6 9 1 将钢一 聚丙烯纤维复掺入混凝土 隧道管片 中 在高温下所有掺入纤维 的构件均无剥 落现象 ， 但无纤维 的构件均出现大面积的剥落 。邓 文忠 研究钢一 聚丙烯纤维活性粉末混凝土高温性 能发现 ， 聚丙烯纤维掺量较少时 ， 高温后混凝土表 面裂缝少而大 ， 且存在 少量网状龟裂缝 ； 当掺量增 大时裂缝呈现多而小 ， 试块完整性较好。 K a z u o 7 】 研究认为 ： 持温过程加载与 自然冷却后 再加载两种方式对聚丙烯纤维混凝土和素混凝土 的断裂韧性影响较小 但对钢纤维混凝土 的断裂韧 性影响较大 ， 自然冷却后再加载较持温加载具有更 大的断裂能。高温后混杂纤维的断裂能是素混凝土 与聚丙烯纤维混凝土 1 9倍以上 。 上述研究表 明， 聚丙烯纤维在基体 中的乱向无 序 分布 。 在 熔 融 后 留下 大 量 贯 穿 通 道 ， 促进 蒸 汽 的 散失。钢纤维通过其较好的导热能力使基体内外部 温度更 易趋 于一致 从而减少应力损伤 ， 二者共 同 工作效果更优 ， 且可适当降低纤维的掺量。 1 4 其他 纤 维 程博17 2 1 研究表明 ： 聚丙烯腈纤维混凝土 的弹性 模量在 4 0 0 ( 2 之 内下降较平缓 ，而普通混凝土下降 较快。8 0 0 ( 2 以上时 ， 纤维混凝土的弹性模量依然高 于普通混凝土 。 范 林 飞7 3 】认 为 ： 掺 0 1 的碳 纤 维能 较好 改 善 混 凝土的高温动态力学性能 ， 在 冲击荷载与温度共同 作用下 ， 呈现出边缘脱落破坏 、 留芯破坏 、 碎裂破坏 和粉碎破坏 四种典型破坏形态 。孙长征 发现 ： 掺 0 3 碳纤维 。 1 0 0 0 ( 2 持温 3 0 m i n后 ， 纤维对砂浆性能 依然有较好的改善作用。H a r u n 阑研究认为： 常温下 掺 1 O 的硅粉和 0 5 的碳纤维 砂浆的抗压强度更 好 ， 但掺 1 0 硅粉和 1 碳纤维对抗折强度更有利。 加入高弹性模量的碳纤 维后可 以缓解 因温度 变化 而导 致 的温度 应力 和混 凝 土体积 收缩 。 任 韦波 分 析高 温后 玄武 岩 纤维 混凝 土 冲击 破 碎特征发现 ， 由于玄武岩纤维在混凝土中的均匀乱 向分布支撑体系， 6 0 0 C 后的损伤较素混凝土小 。陈 炜 研究表明 ： 玄武岩纤维混凝土与高强混凝土的 峰值应变均随温度升高而增大 且掺人玄武岩纤维 后增幅最高可达 1 5 3 5 。 但 8 0 0 ( 2 后 ， 玄武岩纤维混 凝土与高强混凝土峰值韧性均出现剧烈下降。 邓文博 研究 了陶瓷纤维混凝土高温后的抗压 强度 ， 表 明在 4 0 0 C 之前的劣化程度较小 且相对于 2 0 0 C 下 相 对抗 压 强 度 为 0 8 -8 在 4 0 0 ( 2 时 出现 上 升 一 65 2 0 1 6年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 7期 现象 ， 为常温时的 0 9 6 。 M i t s u o 7 9 1 研究表明 ： 在 4 0 0 C时普通混凝土表 面 已严重损伤 ， 最大剥落深度达 7 ram， 但聚丙烯纤维 、 黄麻纤维、 聚乙烯醇纤维试件仍保持完整 。 2混凝土高温作用机理 2 1 高强高性能混凝土爆裂机理 目前对高强高性 能混凝 土高温爆裂破坏机理 尚无统一的合理解释圈 国内外现在主要有三种理 论 ： 蒸汽压机理 、 热应力机理、 热开裂机理。 ( 1 ) 蒸汽压机理 ： 混凝 土经受 高温其内部 所含 水分蒸发成水蒸汽 由于混凝 土的热惰性 。 一部分 蒸汽散失到空气中 ，另外一部分 向低 温区移动 ， 从 而在某一较冷区域凝结成水至饱和 ， 混凝土表面由 于湿气迁移形成的干燥 区并向饱和区靠近 ， 形成饱 和 界 面 ， 由 于饱 和 区水 无 法 透 过饱 和界 面 ， 热 膨 胀 的蒸汽与空气致使压力越来越大 ， 当超过基体开裂 强度时 ， 引发混凝土爆裂 。 ( 2 ) 热应力机理 ： 混凝土属热惰性复合材料 ， 经 历高温时 ， 热量无法及 时均匀传导 ， 从 而积 聚产生 温度梯度 ， 伴随温度梯度扩大产生的热应力也逐渐 增大 ， 最终引发基体爆裂 。 ( 3 ) 热开裂机理 ： 由于混凝土属于非均匀复合 材料 ， 且材料 自身力学与热力学的差异以及升温过 程中的温度不均匀性 导致基体开裂位置 的随机 性 。该 机理 强调 基质 与骨料 热变 形不 匹配 以及温 度 梯度诱发的裂缝对混凝土爆裂的影响。 2 2 纤维混凝土高温作用机理 B e n t z 。 3 依据 “ 逾渗理论” 认为 ： 高温下 ， 材料 的 密实性会 因骨料界面出现孔隙粗化现象 而降低 ； 聚 丙烯纤维由于 自身较低的熔点( 1 6 0 E 左右) ， 在熔融 蒸发后 留下的细小通道为蒸汽膨胀提供 了空间 ， 由 于众多通道相互贯穿 从而与外界形成连通空间 ， 蒸汽压力便可从通道中蒸发散失 。纤维越长越容易 形成连通通道 ， 抗爆裂性就越突出。牛旭婧 9 l 认为 ： 粗细纤维共 同作用时 ， 粗纤维熔融作为 干路 ， 细纤 维作为支路 ， 混杂时的改善作用更佳 。初始应力抑 制混凝土 内部损伤发展 的同时也抑制了蒸汽 的散 发。升温速率过快可导致混凝土在更深处具有较 高的孔隙压力 依据蒸汽压理论 ， 低渗透性混凝土 更容易发生爆裂 ， 因此 ， 当纤维掺量低 于某一水平 时 ， 依然会发生爆裂。掺量 1 O k g m 时 ， 高温时纤维 熔融蒸发后 ， 其渗透 系数 明显增大 ， 文献【 8 5 】 表明： 渗 透系数大于 5 x l O 5 m2 的混凝土 ， 高温后爆裂几率很 低 。高温后聚丙烯纤维混凝土的孔隙率较普通混凝 土 明显 增 大 ， 这是 造成 高 温下 高 性 能混 凝土 衰 减更 为严重 的原因， 此外 ， 当混凝土发生烧结现象后 ， 强 6 6 度受孔隙率的影响将会大大减小。在采用水淬冷【 5 1 或水枪 喷射降温5 6 1 时， 由于急剧降温造成试件产生 温度应力 ， 会进一步削弱试件残余性能。 高温下混凝土 中钢纤维的桥接作用会降低基 体体积变化 ， 减轻混凝土微裂缝 的发展 ， 缓解混凝 土劣 化 ， 此外 ， 由于 钢 纤 维 呈 三维 乱 向分 布 且 自身 导热性较高 ， 使 昆 凝 土内外温度一致 ， 减少 了温度 应力带来的损伤。但钢纤维与混凝土的热膨胀系数 不同，升温过程 中钢纤维附近逐渐产生微裂缝 当 恢复至室温时二者又收缩 ， 从而造成钢纤维与基 体 间的黏结力变差 。钢纤维虽可提高混凝土的爆裂温 度但其对孔隙压力释放不利 ， 故仍会发生爆裂 而 聚丙烯纤维与钢纤维共 同作用时 ， 由于不 同的改善 作用协同工作 ， 故对混凝土高温后 的损伤改善能力 要优于不掺或单掺纤维的混凝土。 3结语 ( 1 ) 纤维混凝土在经历高温过程 中其损伤呈三 阶段 变化 ： 较 低 温 度 ( 2 0 0 C 以 内 ) 时 的较 小 损 伤 ； 温 度稍高( 2 0 0 4 0 0 C) 时的损伤有所减小甚至恢复提 高 ； 更高温度( 高于 4 0 0 ) 损伤加剧并不可恢复。 ( 2 ) 含湿量 、 孔隙率 、 升温方式 与速率 、 降温方 式等对混凝土中蒸汽压的形成与扩散均有影响 。 聚 丙烯纤维的加入有助于蒸汽压的释放。 ( 3 ) 聚丙烯纤维和钢纤维单掺或复掺均可有效 改善混凝土高温性能 且复掺的改善效果更佳。 ( 4 ) 不同冷却方式对混凝土高温后损伤影 响较 大 ， 故火灾现场救援时采取合适的降温救援方式可 减少二次损伤。 ( 5 ) 目前对纤维混凝土高温性能的研究多集 中 于单因素 ， 与实际建筑物常处于复杂环境下折耦合 作用相差较大。学者们模拟高温升温方式多为箱式 电阻炉升温 。 而此种升温方式有别于火灾现场的快 速升温或爆炸造成的瞬间高温。混凝土属于复合材 料 ， 其高温损伤涉及 物理 和化学变化 ， 需借助仪器 设备 对高 温 中与高温 后微 细观 演变 规律进 行研 究 。 参考文献 ： 1 1张樵苏 2 0 1 4年全 国火 灾伤 亡人 数 同 比下 降， 2 0 1 5 0 2 1 3 h t t p ： ne ws x i nh u a ne t c o rn l e ga l 2 01 5 0 2 1 1 3 el 1 1 43 68 3 2 0 h t m f 2 1 王里， 刘红彬， 鞠杨， 等 高强高性能混凝土高温爆裂机理研究 进展 J 力学与实践， 2 0 1 4 ， 3 0 ( 4 ) ：4 0 3 - 4 1 2 I 3 黄承逵 纤维混凝土结构【 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 4 4 】 元成方， 高丹盈， 赵毅 聚丙烯纤维混凝土高温损伤研究【 J 1 混 凝土。 2 0 1 4 ( 1 ) ： 6 1 6 4 5 A r a b i N S A l Q a d i ， S l e i m a n M A 1 Z a i d y e e n E f f e c t o f fi b e r c o nt e n t a n d s p e c i me n s ha pe o n r e s i d u a l s t r e ng t h o f po l y p r o p y l e n e fib e r s e l f -c o mpa c t i n g c o nc r e t e e x po s e d t o e l e v a t e d t e mp e r a 。 t u r e J E n g i n e e r i n g S c i e n - c e s ， 2 0 1 4 ， 2 6 ： 3 3 - 3 9 张广泰 ， 陈浩 ， 郭锐 ， 等 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述 6 1 金祖 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n e e t e a t