韦 敏

Cement and concrete production 水泥与混凝土生产

高温后钢纤维混凝土研究综述

韦 敏

（广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）

由于钢纤维对混凝土力学性能有显著的改善作用，钢纤维混凝土(SFRC)越来越受到人们的关注。另外，建筑火灾时刻威胁着人们的生命财产安全，对SFRC在火灾发生时的性能退化展开研究具有重要意义。本文总结分析了近年来高温后钢纤维混凝土物理力学性能的研究成果，包括高温后试件表观形态、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、韧性。

钢纤维混凝土；高温后；力学性能

0 引言

混凝土是世界上使用最为广泛的建筑材料，在未来很长一段时间内，混凝土结构仍将是土木工程中重要的结构形式。混凝土脆性较大，抗拉强度和抗剪能力较低，这使得混凝土非常容易开裂。由于钢纤维对混凝土内部裂缝扩展的阻裂作用,SFRC相较于普通混凝土具有更优越的力学性能。包括较高的抗压强度、抗拉强度、抗折强度和抗冲击性能和能力吸收能力[1]。另一方面，建筑火灾事故近年来呈现出多发趋势，在极端情况下混凝土结构会突然倒塌，对人民生命财产造成巨大损失。研究SFRC在火灾情况下的性能变化对火灾中混凝土结构响应的预测具有重要意义。因此，对SFRC在火灾高温下力学性能的改变展开研究具有重要的意义。本文对现有的高温后SFRC性能研究成果进行了总结及分析，以期为相关领域的研究人员提供参考和借鉴。

1 高温后钢纤维混凝土物理性能

对于小试件的耐火性研究，广泛采用高温试验来模拟火灾工况，根据混凝土材料在高温后的性能变化情况来反映火灾对混凝土产生的影响。在大多数报道的研究中，温度以恒定的速度升高，加热速率大部分为不超过10℃/min。高温作用下，混凝土内部发生了一系列的物理变化及化学反应，随着经历最高温度的升高，在试件表面表现为颜色的变化、裂缝的出现。

根据王怀亮[2]等人的研究，常温下SFRC试件表面颜色为浅灰色，经历最高温为200°C和400°C的试件，表面颜色逐步加深。600°C时，试件表面呈现棕灰色，并且可以观察到裂缝的出现。800°C后，试件呈灰白色，表面出现大量的不规则裂缝。此外，钢纤维的掺入对混凝土裂缝的数量、宽度产生了明显影响。高温后无纤维混凝土的最大裂缝宽度为0.345mm，而掺量为1.5%的SFRC最大表面裂缝宽度仅为0.07mm。

裂缝的产生是高温过程中混凝土试件内部水蒸气未及时逸出而产生的蒸汽压力、骨料与水泥基质间因热膨胀系数的不同而产生的膨胀差异以及试件内温度梯度的存在等多方面因素综合作用的结果。钢纤维的优良导热性及在混凝土中的三维乱向分布有效地降低了试件内部的温度梯度，对裂缝的产生及发展起到了抑制作用,有效减小了混凝土表面裂缝宽度。

2 高温后钢纤维混凝土力学性能

2.1 抗压强度

抗压强度是混凝土最基本的力学性质，众多学者对高温后SFRC的抗压强度进行了研究。王怀亮等人[13]的试验研究结果表明，在400℃前，混凝土抗压强度下降缓慢，400℃后抗压强度下降程度增快，钢纤维的掺入明显提高了高温后轻骨料混凝土的抗压强度，且抗压强度随着钢纤维体积掺量的增加而增大。

张彦春[3]对高温后的SFRC进行了试验研究，结果显示，SFRC抗压强度在300℃后较常温下损失了近20%，在温度高于500℃后，抗压强度下降程度增大。在经历900℃后，抗压强度仅为常温下的40%。与无纤维混凝土相比，高温后SFRC的抗压强度要高出5~30个百分点。

Chen[4]对高温后钢纤维再生混凝土抗压强度的研究结果显示，混凝土抗压强度在200℃前下降缓慢，400℃后下降幅度增大。在200℃、400℃、600℃后，无纤维混凝土的抗压强度分别为常温下的81%、47%、21%，而钢纤维掺量1%的再生混凝土分别为88%、74%、50%。钢纤维的掺入总体上降低了高温后再生混凝土的抗压强度损失率，尤其是在400℃和600℃后。

多数学者报道了钢纤维对高温后混凝土抗压强度的有益影响[5]。总的来说，混凝土抗压强度在400℃~500℃后会大幅下降，相对于素混凝土，高温后SFRC的抗压强度损失更小。

2.2 抗拉强度

对于混凝土，抗拉强度与微裂纹的产生和扩展密切相关。在混凝土中加入钢纤维可以有效地抑制裂缝的产生和拓展，钢纤维的桥接作用使混凝土抗拉强度得到显著提高。Gao[6]对高温后钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度展开的试验研究表明，400℃前SFRC的抗拉强度下降缓慢，400℃后下降速率显著增大。在经历800℃后，SFRC的抗拉强度为常温下的37%。Chen[7]的研究显示，无纤维混凝土在经历400℃和600℃后劈裂抗拉强度仅为常温下的39%和18%，而钢纤维掺量0.6%的SFRC则分别为87%和59%。Zheng[8]也报道了钢纤维对高温后混凝土抗拉强度的积极作用，在800℃后，掺量3%的SFRC比掺量为1%和2%的SFRC具有更大的残余劈裂抗拉强度。

相比于受压，混凝土在受拉时对高温引起的裂缝更为敏感。钢纤维的存在不仅对微裂缝的形成和发展起到了抑制作用，还在混凝土受荷时延缓了宏观裂缝的出现，从而提高了高温后混凝土的抗拉强度。

2.3 弹性模量

混凝土的弹性模量一般取决于材料的各组分组成和过渡区的性质，由于高温下微观结构的变化和化学键的断裂，混凝土的弹性模量明显下降。Chen[4]对高温前后钢纤维再生混凝土的研究表明，在常温及200℃后，掺量1.5%的SFRC的弹性模量分别为20.89GPa和16.46GPa，低于素再生混凝土的27.23GPa和19.07GPa。这是由于钢纤维对再生混凝土密实度造成的不利影响所致。但在经历400℃和600℃后，掺量1.5%的SFRC的弹性模量分别为6.21GPa和2.06GPa，高于素再生混凝土的5.37GPa和0.74GPa。Poon[5]对高温后纤维混凝土展开了试验研究。结果显示，在经历600℃和800℃后，无纤维混凝土的弹性模量仅为常温下的47%和26%，而SFRC则为55%和33%，这表明钢纤维的掺入减缓了高温后混凝土弹性模量的损失。Yemark等人[9]报道，与普通混凝土相比，在经历600℃的高温后，无纤维混凝土和SFRC的弹性模量分别为常温下的30%和35%。在经历750℃后，SFRC的弹性模量为常温下的27%，明显高于无纤维混凝土的14%。

研究显示，钢纤维的掺入对高温后混凝土的弹性模量产生了积极作用。高温后混凝土弹性模量的降低主要是因为高温对混凝土造成了损伤，混凝土内部产生了微裂缝及孔隙，混凝土结构的疏松使弹性模量有所降低。如前所述，钢纤维的存在对由高温造成的微裂缝及孔隙有抑制作用，从而SFRC内部的疏松程度较无纤维混凝土更低，拥有更高的弹性模量。

2.4 韧性

韧性是指材料在受荷时的能量吸收能力，通过应力-应变全曲线所包络的面积大小来表征韧性高低。Chen[4]的研究中采用“应力截断法”对高温后再生混凝土的韧性进行了研究。结果显示，无论是否掺入钢纤维，再生混凝土的韧性随着经历最高温度的提高呈现出逐渐下降的趋势，在400℃后下降尤为明显。但是，在经历最高温度相同的情况下，随着钢纤维的掺量从0%提高到1.5%，再生混凝土的能量吸收能力逐渐得到明显提高。Poon[5]则采用“应变截断法”对高温后钢纤维高性能混凝土的韧性进行了计算，结果表明，无纤维高性能混凝土在经历600℃和800℃后的韧性分别为0.29MPa和0.18MPa，钢纤维掺量为1%钢纤维高性能混凝土则分别为0.41MPa和0.24MPa，由此可见，钢纤维的掺入显著提高了高性能混凝土的能力吸收能力。Ahmad[10]等人对高温前后钢纤维高性能混凝土的研究则显示，高温后所有钢纤维高性能混凝土的韧性均为常温下的两倍以上，且随着暴露在高温下时间的延长，混凝土韧性以递减的速率增加。此外，随着钢纤维掺量的增大，高温前后钢纤维高性能混凝土的韧性亦逐渐增长。

由上述可知，钢纤维显著提高了高温后混凝土的韧性，且随着钢纤维掺量的增大，韧性亦不断增大。

3 总结

研究SFRC在高温后的性能变化对火灾情况下混凝土结构响应的预测具有重要意义。相较于无纤维混凝土，由于钢纤维对高温过程中混凝土内部裂缝的产生和发展所起到的抑制作用，高温后SFRC的裂缝数量和裂缝宽度更少、更小。钢纤维的掺入对高温后混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量和韧性都有提高作用，提高程度则取决于钢纤维的掺量。

[1]N. V. Chanh. Steel fiber reinforced concrete[J]. Faculty of Civil Eng, Ho Chi Min City University of Technology, 2004, p. 108-16.

[2]王怀亮,朱建威. 高性能轻骨料混凝土高温后受压本构关系研究[J]. 建筑结构学报, 2019, 40(11):200-209.

[3]张彦春, 胡晓波, 白成彬, 等. 钢纤维混凝土高温后力学强度研究[J]. 混凝土, 2001, (9): 50-53.

[4]G. M. Chen, Y. H. He, H. Yang, et al. Compressive behavior of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete after exposure to elevated temperatures[J]. Construction and Building Materials, 2014, 71:1-15.

[5]C. S. Poon, Z. H. Shui, L. Lam, et al. Compressive behavior of fiber reinforced high-performance concrete subjected to elevated temperatures[J]. Cement and Concrete Research, 2004, 34(12).

[6]D. Gao, D. Yan, X. Li, et al. Splitting strength of GGBFS concrete incorporating with steel fiber and polypropylene fiber after exposure to elevated temperatures[J]. Fire Saf. J, 2012, 54: 67-73.

[7]B. Chen, J. Liu. Residual strength of hybrid-fber-reinforced high-strength concrete after exposure to high temperatures[J], Cem. Concr. Res, 2004, 34:1065-1069.

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韦敏（1994.04- ），男，汉族，广西永福县人，硕士研究生，研究方向：混凝土新材料及新材料结构。

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1007-6344（2021）01-0021-02