摘要:研究了普通混凝土、聚丙烯纤维混凝、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土高温后的抗压强度、抗折强度及力学性能残余率的变化规律。结果表明，混凝土的力学性能随着温度的升高而逐渐降低;温度小于400℃时，聚丙烯纤维混凝土力学性能有所改善，温度大于400℃时，改善作用不明显;800℃时，钢纤维混凝土力学性能残余率都较高;混杂纤维混凝土抗压强度改善作用最显著，残余率最高。
关键词:高温；纤维；混凝土；力学性能
我国城市化水平的迅速提高，带动建筑业的飞速发展。房屋密集程度加大，高层超高层建筑越来越多，人口居住密度不断增大，建筑物发生火灾的概率明显加大。建筑物一旦发生了火灾，将给人民群众的生命财产和安全造成巨大的损失［1，2］。据统计，现阶段我国每年发生的火灾中，建筑火灾占火灾总数的一半以上，直接经济损失占火灾总损失的80%以上［3］。混凝土以其取材方便、制备简单、适应性强等特点，被作为结构的主导材料大量应用于土建工程中，并且还将会长期占据土木工程领域的主导地位。纤维混凝土是以混凝土为基体，以金属纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料，最常见的纤维就是钢纤维、聚丙烯纤维及二者混杂使用［4～6］。掺入的纤维可以有效地克服混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷［7，8］。聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土在工程中实际都有大量的应用，因此研究其高温后的力学性能变化十分有必要。研究普通混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土在高温后力学性能的变化及残余值，对火灾后建筑物的安全评定及加固提供指导。
1原材料及试验方法
1．1原材料
江西海螺P•O42．5普通硅酸盐水泥;江西德安碎石，5～20mm连续级配;赣江中砂，细度模数2．7，含泥量0．8%。聚丙烯纤维由长沙博赛特建筑工程材料有限公司提供，性能参数如表1所示：钢纤维来自浙江博恩金属制品有限公司，性能参数如表2所示。
1．2试验方法
抗压强度试件采用100mm×100mm×100mm模具成型，抗折强度试件采用100mm×100mm×400mm模具成型。1d后脱模，在标准养护室中养护至28d龄期进行相应测试。高温炉升温速度为10℃/min，分别升高至200℃、400℃、600℃和800℃，保持3h以保证试件内外温度一致，加热结束后自然冷却，7d后进行力学性能测试。
1．3混凝土配合比
以强度等级为C40混凝土为研究对象，研究其高温后力学性能的变化。配合比如表3所示，其中纤维量按照体积掺量掺入。
2结果与讨论
2．1纤维混凝土高温后抗压强度变化
普通混凝土及纤维混凝土在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃后抗压强度值及抗压强度残余率如图1、图2所示。如图1所示，普通混凝土及纤维混凝土抗压强度值都随着温度的升高而降低，在相同温度条件下，各组混凝土抗压强度值的大小都呈现如下规律:普通混凝土＜聚丙烯纤维混凝土＜混杂纤维混凝土＜钢纤维混凝土。如图2所示，普通混凝土及纤维混凝土抗压强度残余率都随着温度的升高而降低，在相同温度条件下，各组混凝土抗压强度残余率变化规律与强度值变化规律有所不同:普通混凝土＜聚丙烯纤维混凝土＜钢纤维混凝土＜混杂纤维混凝土。这说明纤维混凝土较普通混凝土具有更高的耐高温性能。不同温度条件下，各组混凝土受温度影响也不尽相同。200℃时，普通混凝土抗压强度残余率为79%，而纤维混凝土都保持在85%～88%之间;400℃时，普通混凝土抗压强度残余率只有54%，纤维混凝土达到70%～73%;600℃时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为38%左右，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度残余率大于50%;800℃时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为23%左右，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度仍具有33%残余。普通混凝土随着温度的增加，都呈现出明显的强度损失;当温度小于400℃时，纤维混凝土都具有很高的抗压强度残余率，当温度大于400℃时，聚丙烯纤维混凝土抗压强度残余率显著降低;钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土在不同温度条件下，都具有较高的抗压强度残余率。
2．2纤维混凝土高温后抗折强度变化
普通混凝土及纤维混凝土在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃后抗折强度值及抗压强度残余率如图3、图4所示。如图3所示，各组混凝土抗折强度值都随着温度的升高而降低，在相同温度条件下，各组混凝土抗折强度值的大小与抗压强度具有相同规律，不同的是，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度明显高于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土。如图4所示，各组混凝土抗折强度残余率都随着温度的升高而降低;200℃、400℃和600℃条件下，各组混凝土抗折强度残余率规律相同:混杂纤维混凝土＜钢纤维混凝土＜普通混凝土＜聚丙烯纤维混凝土，温度为800℃时为:普通混凝土＜聚丙烯纤维混凝土＜混杂纤维混凝土＜钢纤维混凝土。钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度在各个温度条件下都明显大于普通混凝土及聚丙烯纤维混凝土;聚丙烯纤维的掺入使得混凝土抗折强度略有增长，但不明显;钢纤维和混杂纤维显著增加了混凝土的抗折强度。在800℃条件下，钢纤维混凝土的抗折强度仍大于7MPa，与20℃时普通混凝土抗折强度相差不大(8．3MPa)。
2．3机理分析
混凝土及纤维混凝土在高温后力学性能发生明显变化，究其原因主要分为以下两方面:一是混凝土自身原因，另一个是不同种类纤维的理化性能不同。200℃时，自由水和物理结合水逸出，Aft发生分解，水化产物有所减少，水泥浆的热膨胀，会导致骨料水泥浆体界面处原始裂纹的发展，从而导致混凝土强度衰减［9，］。400℃左右时，水泥浆体中的水化硅酸钙和水化铝酸钙开始脱水，同时大量水蒸气的外逸冲刷和挤胀作用，又扩大了裂纹和孔隙，使水泥浆体中孔隙平均尺寸和微裂纹迅速增大，混凝土力学性能进一步降低。500℃时，水泥石中的氢氧化钙晶体受热分解，引起吸热反应，孔隙含量急剧增加［10］;硅质骨料中的二氧化硅晶体发生相而体积膨胀，骨料体积的增加使得骨料与水泥浆体之间的裂缝增大。600℃时，孔隙水完全失去，混凝土宏观破坏开始，因而其力学性能大幅下降，在600～700℃之间C－S－H凝胶分解［11］。800℃时石灰岩骨料膨胀、开裂，并产生二氧化碳气体，混凝土强度进一步降低。聚丙烯纤维熔点较低(168℃)，在高温下熔解而失去作用，但因其液态体积远小于固态所占空间，于是形成众多小孔隙，并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小且量又多，使得混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道，从而缓解了由于水分膨胀所形成的分压，使内部压力大大降低，从而降低了水蒸气的冲刷和挤胀作用，降低裂纹的扩展［12］。因此在温度小于400℃时，聚丙烯纤维混凝土强度显著大于普通混凝土。钢纤维熔点高，自身力学性能受温度影响较小，另外，钢纤维的桥接作用和阻裂作用限制了混凝土在温度急剧变化和高温环境下产生的体积变化，减轻了混凝土内部微缺陷的引发和扩展，使混凝土在高温条件下表现出较好的力学性能［13］。
3结论
(1)混凝土及纤维混凝土的抗压强度、抗折强度及其残余率都随着温度的升高而降低。(2)纤维的掺入对混凝土高温力学性能具有改善作用，聚丙烯纤维在温度不超过400℃时改善作用显著，钢纤维在800℃时改善作用仍明显。(3)混杂纤维混凝土高温后抗压强度残余率最高。
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作者：郑腰华 单位：江西铁建工程检测有限公司
