高溫后鋼纖維混凝土研究綜述

韋 敏

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產(chǎn)

高溫后鋼纖維混凝土研究綜述

韋 敏

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

由于鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能有顯著的改善作用，鋼纖維混凝土(SFRC)越來越受到人們的關(guān)注。另外，建筑火災(zāi)時(shí)刻威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)SFRC在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的性能退化展開研究具有重要意義。本文總結(jié)分析了近年來高溫后鋼纖維混凝土物理力學(xué)性能的研究成果，包括高溫后試件表觀形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、韌性。

鋼纖維混凝土；高溫后；力學(xué)性能

0 引言

混凝土是世界上使用最為廣泛的建筑材料，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)仍將是土木工程中重要的結(jié)構(gòu)形式?；炷链嘈暂^大，抗拉強(qiáng)度和抗剪能力較低，這使得混凝土非常容易開裂。由于鋼纖維對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫擴(kuò)展的阻裂作用,SFRC相較于普通混凝土具有更優(yōu)越的力學(xué)性能。包括較高的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能和能力吸收能力[1]。另一方面，建筑火災(zāi)事故近年來呈現(xiàn)出多發(fā)趨勢，在極端情況下混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)突然倒塌，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。研究SFRC在火災(zāi)情況下的性能變化對(duì)火災(zāi)中混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)的預(yù)測具有重要意義。因此，對(duì)SFRC在火災(zāi)高溫下力學(xué)性能的改變展開研究具有重要的意義。本文對(duì)現(xiàn)有的高溫后SFRC性能研究成果進(jìn)行了總結(jié)及分析，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考和借鑒。

1 高溫后鋼纖維混凝土物理性能

對(duì)于小試件的耐火性研究，廣泛采用高溫試驗(yàn)來模擬火災(zāi)工況，根據(jù)混凝土材料在高溫后的性能變化情況來反映火災(zāi)對(duì)混凝土產(chǎn)生的影響。在大多數(shù)報(bào)道的研究中，溫度以恒定的速度升高，加熱速率大部分為不超過10℃/min。高溫作用下，混凝土內(nèi)部發(fā)生了一系列的物理變化及化學(xué)反應(yīng)，隨著經(jīng)歷最高溫度的升高，在試件表面表現(xiàn)為顏色的變化、裂縫的出現(xiàn)。

根據(jù)王懷亮[2]等人的研究，常溫下SFRC試件表面顏色為淺灰色，經(jīng)歷最高溫為200°C和400°C的試件，表面顏色逐步加深。600°C時(shí)，試件表面呈現(xiàn)棕灰色，并且可以觀察到裂縫的出現(xiàn)。800°C后，試件呈灰白色，表面出現(xiàn)大量的不規(guī)則裂縫。此外，鋼纖維的摻入對(duì)混凝土裂縫的數(shù)量、寬度產(chǎn)生了明顯影響。高溫后無纖維混凝土的最大裂縫寬度為0.345mm，而摻量為1.5%的SFRC最大表面裂縫寬度僅為0.07mm。

裂縫的產(chǎn)生是高溫過程中混凝土試件內(nèi)部水蒸氣未及時(shí)逸出而產(chǎn)生的蒸汽壓力、骨料與水泥基質(zhì)間因熱膨脹系數(shù)的不同而產(chǎn)生的膨脹差異以及試件內(nèi)溫度梯度的存在等多方面因素綜合作用的結(jié)果。鋼纖維的優(yōu)良導(dǎo)熱性及在混凝土中的三維亂向分布有效地降低了試件內(nèi)部的溫度梯度，對(duì)裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展起到了抑制作用,有效減小了混凝土表面裂縫寬度。

2 高溫后鋼纖維混凝土力學(xué)性能

2.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本的力學(xué)性質(zhì)，眾多學(xué)者對(duì)高溫后SFRC的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究。王懷亮等人[13]的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在400℃前，混凝土抗壓強(qiáng)度下降緩慢，400℃后抗壓強(qiáng)度下降程度增快，鋼纖維的摻入明顯提高了高溫后輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大。

張彥春[3]對(duì)高溫后的SFRC進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，SFRC抗壓強(qiáng)度在300℃后較常溫下?lián)p失了近20%，在溫度高于500℃后，抗壓強(qiáng)度下降程度增大。在經(jīng)歷900℃后，抗壓強(qiáng)度僅為常溫下的40%。與無纖維混凝土相比，高溫后SFRC的抗壓強(qiáng)度要高出5~30個(gè)百分點(diǎn)。

Chen[4]對(duì)高溫后鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度的研究結(jié)果顯示，混凝土抗壓強(qiáng)度在200℃前下降緩慢，400℃后下降幅度增大。在200℃、400℃、600℃后，無纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為常溫下的81%、47%、21%，而鋼纖維摻量1%的再生混凝土分別為88%、74%、50%。鋼纖維的摻入總體上降低了高溫后再生混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率，尤其是在400℃和600℃后。

多數(shù)學(xué)者報(bào)道了鋼纖維對(duì)高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度的有益影響[5]?？偟膩碚f，混凝土抗壓強(qiáng)度在400℃~500℃后會(huì)大幅下降，相對(duì)于素混凝土，高溫后SFRC的抗壓強(qiáng)度損失更小。

2.2 抗拉強(qiáng)度

對(duì)于混凝土，抗拉強(qiáng)度與微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展密切相關(guān)。在混凝土中加入鋼纖維可以有效地抑制裂縫的產(chǎn)生和拓展，鋼纖維的橋接作用使混凝土抗拉強(qiáng)度得到顯著提高。Gao[6]對(duì)高溫后鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度展開的試驗(yàn)研究表明，400℃前SFRC的抗拉強(qiáng)度下降緩慢，400℃后下降速率顯著增大。在經(jīng)歷800℃后，SFRC的抗拉強(qiáng)度為常溫下的37%。Chen[7]的研究顯示，無纖維混凝土在經(jīng)歷400℃和600℃后劈裂抗拉強(qiáng)度僅為常溫下的39%和18%，而鋼纖維摻量0.6%的SFRC則分別為87%和59%。Zheng[8]也報(bào)道了鋼纖維對(duì)高溫后混凝土抗拉強(qiáng)度的積極作用，在800℃后，摻量3%的SFRC比摻量為1%和2%的SFRC具有更大的殘余劈裂抗拉強(qiáng)度。

相比于受壓，混凝土在受拉時(shí)對(duì)高溫引起的裂縫更為敏感。鋼纖維的存在不僅對(duì)微裂縫的形成和發(fā)展起到了抑制作用，還在混凝土受荷時(shí)延緩了宏觀裂縫的出現(xiàn)，從而提高了高溫后混凝土的抗拉強(qiáng)度。

2.3 彈性模量

混凝土的彈性模量一般取決于材料的各組分組成和過渡區(qū)的性質(zhì)，由于高溫下微觀結(jié)構(gòu)的變化和化學(xué)鍵的斷裂，混凝土的彈性模量明顯下降。Chen[4]對(duì)高溫前后鋼纖維再生混凝土的研究表明，在常溫及200℃后，摻量1.5%的SFRC的彈性模量分別為20.89GPa和16.46GPa，低于素再生混凝土的27.23GPa和19.07GPa。這是由于鋼纖維對(duì)再生混凝土密實(shí)度造成的不利影響所致。但在經(jīng)歷400℃和600℃后，摻量1.5%的SFRC的彈性模量分別為6.21GPa和2.06GPa，高于素再生混凝土的5.37GPa和0.74GPa。Poon[5]對(duì)高溫后纖維混凝土展開了試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，在經(jīng)歷600℃和800℃后，無纖維混凝土的彈性模量僅為常溫下的47%和26%，而SFRC則為55%和33%，這表明鋼纖維的摻入減緩了高溫后混凝土彈性模量的損失。Yemark等人[9]報(bào)道，與普通混凝土相比，在經(jīng)歷600℃的高溫后，無纖維混凝土和SFRC的彈性模量分別為常溫下的30%和35%。在經(jīng)歷750℃后，SFRC的彈性模量為常溫下的27%，明顯高于無纖維混凝土的14%。

研究顯示，鋼纖維的摻入對(duì)高溫后混凝土的彈性模量產(chǎn)生了積極作用。高溫后混凝土彈性模量的降低主要是因?yàn)楦邷貙?duì)混凝土造成了損傷，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫及孔隙，混凝土結(jié)構(gòu)的疏松使彈性模量有所降低。如前所述，鋼纖維的存在對(duì)由高溫造成的微裂縫及孔隙有抑制作用，從而SFRC內(nèi)部的疏松程度較無纖維混凝土更低，擁有更高的彈性模量。

2.4 韌性

韌性是指材料在受荷時(shí)的能量吸收能力，通過應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€所包絡(luò)的面積大小來表征韌性高低。Chen[4]的研究中采用“應(yīng)力截?cái)喾ā睂?duì)高溫后再生混凝土的韌性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，無論是否摻入鋼纖維，再生混凝土的韌性隨著經(jīng)歷最高溫度的提高呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，在400℃后下降尤為明顯。但是，在經(jīng)歷最高溫度相同的情況下，隨著鋼纖維的摻量從0%提高到1.5%，再生混凝土的能量吸收能力逐漸得到明顯提高。Poon[5]則采用“應(yīng)變截?cái)喾ā睂?duì)高溫后鋼纖維高性能混凝土的韌性進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，無纖維高性能混凝土在經(jīng)歷600℃和800℃后的韌性分別為0.29MPa和0.18MPa，鋼纖維摻量為1%鋼纖維高性能混凝土則分別為0.41MPa和0.24MPa，由此可見，鋼纖維的摻入顯著提高了高性能混凝土的能力吸收能力。Ahmad[10]等人對(duì)高溫前后鋼纖維高性能混凝土的研究則顯示，高溫后所有鋼纖維高性能混凝土的韌性均為常溫下的兩倍以上，且隨著暴露在高溫下時(shí)間的延長，混凝土韌性以遞減的速率增加。此外，隨著鋼纖維摻量的增大，高溫前后鋼纖維高性能混凝土的韌性亦逐漸增長。

由上述可知，鋼纖維顯著提高了高溫后混凝土的韌性，且隨著鋼纖維摻量的增大，韌性亦不斷增大。

3 總結(jié)

研究SFRC在高溫后的性能變化對(duì)火災(zāi)情況下混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)的預(yù)測具有重要意義。相較于無纖維混凝土，由于鋼纖維對(duì)高溫過程中混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展所起到的抑制作用，高溫后SFRC的裂縫數(shù)量和裂縫寬度更少、更小。鋼纖維的摻入對(duì)高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和韌性都有提高作用，提高程度則取決于鋼纖維的摻量。

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韋敏（1994.04- ），男，漢族，廣西永?？h人，碩士研究生，研究方向：混凝土新材料及新材料結(jié)構(gòu)。

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1007-6344（2021）01-0021-02