探究鋼纖維混凝土高溫應力損傷性能

鄒浩

（江西建工第三建筑有限責任公司）

引言：材料的高溫性能是結構抗火性能研究的基礎。從20世紀中期以來，許多學者對混凝土經歷高溫后的力學性能進行了研究，對素混凝土在火災時或高溫后力學強度及變形性能的變化規律、混凝土的微觀變化、破壞機理等提出了各自的結論和見解。由于混凝土各組分的熱性能不同，而且各組分的性能與水分、孔結構也具有很大的關系，因此混凝土的抗火能力是一個非常復雜問題。隨著高強混凝土和高性能混凝土應用的不斷增加，對其耐火性能的研究也日益活躍起來。

一、纖維混凝土的高溫性能

（一）聚丙烯纖維

作為一種新型結構材料，鋼纖維混凝土具有明顯的增強（主要是抗拉、抗折、抗剪強度）、增韌、阻裂作用，雖然只有20多年的歷史，但是發展異常迅速。在建筑工程中，鋼纖維混凝土主要用于內部懸臂結構、結構框架節點、剛性屋面等，遠不如素混凝土普及，因而對其耐火性能的研究也開展得很少。然而，噴射鋼纖維混凝土已成功應用于隧道工程中，從應用于我國一些隧道的情況來看，已經取得了很好的使用效果。隧道中由于車輛故障等原因，可能發生火災，當進行災后評估、鑒定時有必要了解鋼纖維混凝土高溫后性能的變化情況。另外，橋梁構件中應用鋼纖維混凝土也較多，而橋梁建設過程中模板失火、使用過程中橋上或橋下由于交通事故造成車輛起火等事故也時有發生[1]。此時，也很有必要了解鋼纖維混凝土的高溫性能，從而為災后處理工作提供必要的數據。聚丙烯纖維的熔點較低，在改善混凝土高溫性能及抗爆裂方面有較好作用。元成方的研究表明：素混凝土較聚丙烯纖維混凝土對溫度變化更為敏感。150℃時外觀均無明顯變化，但升溫至800℃，素混凝土表面有大量貫穿裂紋并有脫落，而聚丙烯纖維混凝土僅有少量微裂紋且外觀完好。Arabi[5]認為：聚丙烯纖維摻量為0.5%時高溫后性能較優，且立方體試件較圓柱體試件具有更高的殘余性能。金祖權等[6]發現：普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土在200℃時抗壓強度分別下降了8%和16%，400℃時強度均有所恢復，800℃后殘余抗壓強度為30%和67%。此外，聚丙烯纖維對混凝土的線膨脹系數影響較小，在溫度從400℃上升到800℃過程中，孔隙率降低，但孔道依然可保持原有直徑的74%。

（二）混雜纖維

由于聚丙烯與鋼纖維不同的理化特性，其對混凝土高溫作用亦不相同，當二者共同工作時，則有更為優異的表現?？盗x榮試驗表明：聚丙烯纖維摻入到鋼纖維混凝土后對其高溫后殘余斷裂能影響不大，但鋼纖維摻入到聚丙烯纖維混凝土中能有效提高混凝土高溫后的殘余斷裂能。楊學超研究表明：高溫后采用水淬冷的混凝土較自然冷卻的滲透性系數要更大，且這種差異隨溫度升高呈現擴大趨勢。鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土無論何種冷卻方式，其面層滲透系數相對內部滲透系數的差值較素混凝土均有所降低。

二、原材料及試驗方法

（一）原材料及配合比

配制C60等級的鋼纖維混凝土時所采用的原材料為：P·O42.5級水泥；石灰石質碎石，粒徑為5~20mm；普通江砂，細度模數為2.8；自來水；聚羧酸系高效減水劑。銑削型鋼纖維的外形尺寸為0.5mm×1.2mm×35mm。為了研究不同鋼纖維體積摻量對鋼纖維混凝土高溫應力損傷的影響，設計鋼纖維的體積摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2%。

（二）試驗方法

測試鋼纖維混凝土抗壓及劈拉強度的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試件采用試驗室振動臺振動成型，標準養護28d后移出，為避免鋼纖維混凝土含水率的不同對試驗結果造成影響，在對鋼纖維混凝土進行加熱之前，對其烘干。鋼纖維混凝土經歷不同高溫后，導致混凝土內部存在溫度差，從而產生溫度應力，當溫度應力超過混凝土的極限抗拉強度時，混凝土出現開裂。在火災試驗中，通常采用圖1所示的標準火災曲線ISO834進行抗火性試驗。本試驗中為了研究不同溫度對混凝土造成的損傷，沒有采用標準火災曲線，設計混凝土的加熱溫度分別為200、400、600、800℃。預先將高溫爐加熱到指定溫度后將試件放入，恒溫1h后爐內自然冷卻[2]。

三、試驗結果與分析

（一）抗壓強度

經過實驗研究后可以發現當高溫作用使鋼纖維混凝土的抗壓強度下降且所受最高溫度越高，其殘余抗壓強度越低；溫度低于400℃時，強度下降較緩，而高于400℃后下降較大。隨著纖維摻量的增加，強度損失率逐漸降低。其抗壓強度與所受溫度的關系同文獻中素混凝土的結果相似。對試驗結果的分析機理一般可歸結為：溫度較低時（T＜150℃），水泥石內部的水分主要以游離水的逸出為主，適當的高溫可促使未水化的水泥顆粒進一步水化，使凝膠結構更加致密。

（二）劈拉強度

與抗壓強度相比，劈拉強度隨溫度升高呈均勻下降。這是由于溫度不相容性在混凝土內產生了微裂縫及大裂縫，鋼纖維對其有一定的抑制作用，但隨著所受溫度的升高，混凝土基體強度及對鋼纖維的黏結強度明顯變弱，從而劈拉強度下降。隨著鋼纖維體積摻量的增加使鋼纖維混凝土的劈拉強度較素混凝土有較大提高。經過大量試驗研究表明，鋼纖維混凝土抗拉強度與劈拉強度之間具有如下關系：ft=0.85fts

四、溫度應力模擬

（一）計算模型

以600℃下鋼纖維摻量2%為例分析混凝土試件內部的溫度應力。本試驗模擬的混凝土實體為10mm×100mm×100mm的立方體試件。立方體從幾何形狀來講滿足對稱條件外壁受到相同的溫度荷載和邊界條件，即荷載與邊界條件也是對稱的[3]。

（二）加載與求解

首先進行溫度場分析，屬于瞬態分析；初始溫度為20℃；邊界條件：空氣溫度為600℃，空氣對流系數為110W/（m2·℃）。計算時間：1800s，每一時間子步為120s。溫度求解結束后將單元類型由溫度轉化為結構，根據對稱性確定邊界條件，將上面計算的溫度場結果導入，施加溫度荷載。計算時間：1800s，每一時間子步為120s。

結語：經過研究發現鋼纖維混凝土高溫后的抗壓強度隨所受最高溫的升高而緩慢下降，400℃以后下降稍快。與素混凝土相比，其殘余抗壓強度率可比后者高達30%左右。因此，施工人員在對鋼纖維混凝土進行施工運用時需要積極的運用其特性保證將鋼纖維混凝土的性能發揮到最大。