张秀芝，董青，刘辉，张国栋

（1.济南大学材料科学与工程学院，山东济南 250022；2.山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，山东济南 250022；3.山东营特建设项目咨询有限公司，山东济南 250014）

第15届全国纤维混凝土学术会议论文

钢纤维-聚丙烯纤维混杂混凝土耐高温性能研究

张秀芝1，2，董青3，刘辉1，张国栋1

（1.济南大学材料科学与工程学院，山东济南 250022；2.山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，山东济南 250022；3.山东营特建设项目咨询有限公司，山东济南 250014）

通过对C35和C70两个强度等级的纤维增强混凝土试件高温试验，研究了不同温度后混凝土的质量损失、力学性能、表观及微观特征．结果表明：C70高强混凝土比C35混凝土耐高温性能要差，其在600℃左右时会发生爆裂，而聚丙烯-钢纤维可以有效改善混凝土的抗高温爆裂性，使C70混杂纤维增强混凝土直至800℃未出现爆裂；随所受温度的升高混凝土的强度损失率和质量损失率均增加，但C35的强度损失率高于C70混凝土．相同温度下，与掺加单一纤维相比混杂纤维的加入提高了混凝土高温后强度；有机纤维高温融化后所留下的气孔可以卸载部分膨胀压力，而无机纤维则在较高的温度下使混凝土保持完整性．

聚丙烯纤维；钢纤维；混杂纤维；高温；力学性能；质量损失

0 引言

近年来建筑物发生火灾事件屡见不鲜，给人们的生命和财产安全造成了巨大的损害．人们在关注消防安全的同时，对于建筑物火灾后的性能也极为关注．作为主要建筑结构材料的混凝土，其本身并非可燃材料，但其在高温环境中会发生一系列的物理和化学变化，导致材料的性能劣化从而影响工程的安全性，因此，对混凝土的耐高温性能进行研究具有非常重要的现实意义．国内外针对高温作用后混凝土在微观结构组成上的改变、宏观性能的变化以及如何提高混凝土的耐高温力学性能等方面已经做了大量的研究工作[1-2]．钢纤维（SF）和聚丙烯纤维（PPF）是最常用的两种混凝土增强纤维．有研究表明，聚丙烯纤维能有效减少或消除混凝土遭受火灾高温时的爆裂，缓解了混凝土试件的表面劣化程[3-4]．而掺入钢纤维可以有效改善混凝土的机械强度，提高韧性，抑制裂缝的产生和发展等性能[5]，但对高强混凝土抗火性能的改善效果并不显著．为减少混凝土遭受高温时高强混凝土的爆裂并更加有效利用钢纤维/高强混凝土的优异性能，高丹盈等研究了聚丙烯纤维和钢纤维混杂对高强混凝土高温性能的影响[6-7]，ZhengWZ等研究了聚丙烯纤维和钢纤维对活性粉末混凝土高温强度的影响[8]．

虽然聚丙烯纤维和钢纤维对混凝土都可以起到增强、增韧和阻裂的效果，但是作为不同化学组成和物理性能的两种纤维，其在混凝土中效能发挥的程度与时间各不相同，因此可以通过两者混杂的方法，即在不同温度、不同时间和不同的尺寸上改善混凝土性能．本文中通过对掺有单一或混杂纤维的两种强度混凝土进行高温试验，研究了温度、纤维体积分数和混凝土基体强度对聚丙烯-钢纤维混凝土表观特征、质量损失及力学性能的影响．

1 实验

1.1 原材料

水泥（C）：42.5级普通硅酸盐水泥；矿渣：S95级，比表面积495 m2/kg；细集料：天然河砂，细度模数2. 8；粗集料：5～25mm连续级配石灰岩碎石；减水剂：聚羧酸系高效减水剂；纤维：江苏省建筑科学研究院生产混凝土专用聚丙烯纤维（PPF）和钢纤维（SF），性能指标如表1．

表1 聚丙烯纤维和钢纤维性能指标Tab.1Performance of the steel fiber and polypropylene fiber

2.2 配合比

试验设计了C35和C70两种强度等级的8组混凝土配合比，聚丙烯纤维（PPF）体积掺量为0.1%，钢纤维（SF）体积掺量为0.5%，具体配合比见表2．

表2 实验用混凝土配合比Tab.2Mix proportion of concrete

1.3 试验方法

实验按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》拌制混凝土，每组成型5组100 mm ×100 mm×100 mm尺寸的混凝土试块，放入标准养护室内（温度20℃±2℃，相对湿度95%RH以上）养护至规定龄期后取出晾干，分别进行20℃、200℃、400℃、600℃、800℃温度实验．高温采用箱式电阻炉，400℃以下升温速率为10℃/min，400～800℃升温速率为5℃/min，达到目标温度后保温2 h后停止加热，试件自然冷却后，取出进行表观颜色、裂纹分布等特征观察并拍照、称重、然后进行强度实验．力学性能测试依据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行．

2 结果与讨论

2.1 纤维对混凝土高温后力学性能的影响

混凝土作为结构材料其最重要的性能是它的抗压强度，经历高温后混凝土抗压强度损失率变化见图1．

图1 混凝土高温处理后抗压强度损失率Fig.1Loss rate of compressive strength under elevated temperatures treatment

由图1可以看出，不论是C35还是C70混凝土，随着暴露温度的增加强度下降，强度损失率增加，即混凝土暴露在高温下性能劣化．高温作用后混凝土强度降低是由其微观结构变化而造成的．混凝土是由水泥石、骨料及不同尺寸的孔隙组成．混凝土被加热后，首先在100～110℃时，毛细水等游离水脱出，然后是水化硅酸钙凝胶体(C-S-H)中结晶水开始脱水，同时C-S-H开始产生收缩使水泥石收缩与热膨胀相互平衡，在280～330℃时，水化铝酸三钙开始脱水，收缩进一步增大，在400～450℃，Ca OH2开始脱水，从而形成CaO致使收缩进一步增大．随着脱水作用的出现，材料收缩的发生，材料构成也发生变化，C-S-H失水结构会变形，特别是Ca OH2失水生成CaO，当重新冷却后，水化形成Ca OH2体积膨胀也会使高温后混凝土进一步的破坏．

在200℃，C35混凝土的抗压强度损失率约为15%，这是因为在200℃以下，仅仅是自由水的汽化和水化硅酸钙凝胶体(C-S-H)中结晶水开始脱水，同时C-S-H开始产生收缩使水泥石收缩与热膨胀相互平衡，而这并不能使混凝土结构产生严重的破坏．在400～800℃范围内，由于水化产物分解，混凝土结构强度损失严重，强度损率失最大达到60%以上．随着暴露温度的增加，水泥水化产物中的C-S-H凝胶孔中的水脱除，超过500℃时凝胶发生龟裂；同时，氢氧化钙发生脱水分解，水化产物晶格被破坏，使得水泥石的体积发生收缩，强度降低．混凝土中的集料也会随着温度不断升高而发生膨胀，水泥石与集料界面发生破坏，最终导致水泥石开裂．

C70混凝土比C35混凝土内部结构更致密，孔隙率更小，内部游离的水份较少，在200℃以下，由于水汽化产生的压力达不到对混凝土的破坏，因此强度几乎不衰减．当温度达200～400℃时，C35与C70混凝土强度损失率相接近，均是由于水化产物的分解导致．而高于400℃时，强度下降十分明显，其内部发生的物理化学变化与普通混凝土相同，但是由于其孔隙过少，内部压力更大导致破坏明显增大，达到800℃之后，强度残余仅有45 MPa，损失率为40.6%．

两种强度等级的混杂纤维增强混凝土在600～800℃范围内，残余强度明显高于不掺纤维和掺加单一纤维时同强度等级的混凝土，强度损失率小，即聚丙烯与钢纤维混杂明显提高了混凝土的耐高温性能．当仅添加聚丙烯纤维时，由于PPF熔点低，纤维熔化后留下的孔洞可以起到缓解内外压力差的作用，从而提高了混凝土耐高温性能，但是效果并不是非常显著；钢纤维在混凝土中可以起到粘结、固定、导热及缓解温度差的作用，对于C35混凝土性能影响较大，但对于C70混凝土效果不是非常明显．当两种纤维混杂时，互补缺陷，在不同时间层次、不同温度范围内提高混凝土的耐高温性能．

2.2 纤维对混凝土高温后质量损失率的影响

混凝土中的胶结材料为水泥石，在高温下水泥石会产生一系列的物理、化学变化，内部水分汽化，水化产物在不同的温度下会发生分解，因此，质量会产生变化．混凝土在高温作用后的质量损失率如图2所示．

图2 高温处理后混凝土质量损失率Fig.2Mass loss rate of the concrete after high temperatures

由图2可知，混凝土质量损失率随着温度的增加而增大，在200℃以下，主要是因为较大孔隙内自由水的流失及部分水化产物的分解而导致的．当温度继续升高时，混凝土内部结构开始分解，结合水失去，水化产物分解从而导致质量损失．对于聚丙烯纤维混凝土，由于PPF熔点低，当温度达熔点以上便有PPF熔化分解，因此，不论是C35还是C70聚丙烯纤维增强混凝土的质量损失率均高于其它种类的混凝土．对于低强等级的混凝土来说，孔隙率大，游离水多，掺加钢纤维后钢纤维的导热性使混凝土表面与内部温度差减小，因此内部混凝土水分以及水化产物分解较普通混凝土快，所以质量损失率也较未掺加钢纤维的大．而高强混凝土中钢纤维所起的导热性能不明显，因此质量损失率不如低强度混凝土明显．聚丙烯-钢纤维混杂在一定程度上降低了混凝土的质量损失率，这不仅由于PP纤维的熔解释放了混凝土内外压力差，还因为纤维能起到连接破损水泥石组织、缓解温度差等作用．通过纤维混杂技术，C35强度混凝土质量损失率降低了约6%，C70强度混凝土质量损失率减少约2%．

2.3 混杂纤维混凝土高温后微观结构变化

图3 C35纤维混凝土800℃高温破坏微观结构Fig.3Microstructure of the hybrid fiber reinforced concrete after high temperatures

由图3可以看出，混凝土受高温作用后，内部结构明显被破坏，结构疏松，有许多的大孔洞存在．钢纤维在混凝土受高温破坏后，粘结在水泥石内部，钢纤维的弹性模量很高，还能起到增强材料的作用．钢纤维的导热系数在260～340 W/(m·K)范围内，远远高于水泥石的导热系数，在混杂纤维混凝土受热过程中，能够凭借其优良的导热优势，缓解混凝土内外部分的温度差，减少热胀冷缩带来的破坏力，从而提高混杂纤维混凝土的耐高温性能．聚丙烯纤维在熔融时吸收部分热量，缓解了混凝土由于温度变化而产生的体积膨胀，更为重要的是其熔融产生的细小孔隙与混凝土外加剂产生的毛细孔及本身自带的微观封闭孔隙组成一个良好的散热解压通道[9-10]．高温造成混凝土内部水分气化产生的气压便可通过这个通道进行释放，减少来自压力差的破坏．聚丙烯纤维和钢纤维共同作用使混凝土耐高温性能增加，因此混杂纤维混凝土试件整体结构较完整．

3 结论

1）经过高温暴露后，C35和C70混凝土的强度损失率随着温度的增加而增大；将体积百分数为0.1%的聚丙烯纤维与0.5%的钢纤维混杂掺入混凝土后可以有效降低强度损失率．

2）混凝土的质量损失率同样随着温度的增加而增大，但混杂纤维可以有效降低混凝土的质量损失率，使得C35和C70强度混凝土质量损失率分别减少了约6%和2%．

3）聚丙烯纤维熔融时吸收热量，且其熔融后留下的孔洞可以缓解混凝土内部水汽化时产生的压力，而钢纤维的耐高温性及其阻裂性则使混凝土在高温中保持一定的完整性和强度，因此混杂纤维混凝土的耐高温性能得到提高．

[1]吕天启，赵国藩，林志伸，等．高温后静置混凝土的微观分析[J]．建筑材料学报，2003，6（2）：135-141．

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[3]王平，肖建庄，陈瑞生．聚丙烯纤维对高性能混凝土高温后力学性能的影响试验研究[J]．工业建筑，2005，35（11）：67-77．

[4]柳献，袁勇，叶光，De Schutter Greert．聚丙烯纤维高温阻裂机理[J]．同济大学学报（自然科学版），2007，35（7）：959-964．

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[责任编辑 杨屹夏红梅]

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

国家自然科学基金（51208227）；高性能土木工程材料国家重点实验室（2013CEM003）

张秀芝（1974-），女（汉族），副教授，zhangxz74@126.com．