高溫后混凝土力學性能和耐火能力研究現狀及展望

薛晨曦 胡景蕙 楊 戈 陳瑞曉

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 引言

混凝土作為現代建筑材料的重要組成部分，具有復雜的力學特性，其強度的好壞直接影響建筑的安全使用年限。 由于混凝土內部結構致密，在高溫下極易發生爆裂，導致混凝土剝落，降低結構承載力。 尤其當發生火災時，混凝土材料的性能直接影響結構的耐火時限，對居民的生命及財產安全起到至關重要作用[1]。近年來，隨著高層建筑結構的逐漸普及，對混凝土高溫耐火性能的研究已成為重要課題之一。圖1 為火災后建筑受損情況實例。因此，對高溫后混凝土的結構安全性能必須引起足夠的重視。

圖1 建筑火災

目前，對于常溫下混凝土力學性能研究相對較多，而高溫后混凝土力學性能研究相對較少，且缺乏精細化分析[2-3]。 此外，對于為提高強度而采用外摻料的混凝土， 由于摻料不同對混凝土整體的力學性能影響有所不同， 而且在外摻料添加之后的混凝土高溫力學行為更為復雜。目前，在外摻料混凝土高溫后力學性研究能取得了一定的成果， 但由于試驗手段和方法的限制， 以及外摻料的劑量和顆粒大小等因素都制約著研究的進展。 為準確獲得高溫后混凝土力學性能的變化情況， 必須全面考慮多種條件的耦合響應，并依托新材料、新技術、先進的試驗手段來解決當前所面臨的問題， 這對于保障居民生命財產安全、 保持國民長久持續發展有著重要的戰略意義。

鑒于此，文章重點歸納總結了纖維混凝土在高溫作用后力學性能及高溫耐火的研究現狀，分析探討了混凝土高溫作用后有待解決的重點、難點問題，并對研究方向和趨勢進行展望。

1 纖維混凝土高溫特性研究

高溫后混凝土的特殊之處在于混凝土內部會產生蒸汽壓力、熱應力變化及熱開裂等一些復雜現象，必須綜合考慮混凝土內部水分蒸發量、溫度梯度、混凝土導熱系數、混凝土爆裂區域及抗壓強度損失等因素。 國外對于混凝土高溫研究始于20 世紀初期[4]。而國內在20 世紀60 年代才開始進行混凝土高溫性能的研究。 對纖維混凝土的高溫性能研究則相對滯后，主要是其影響因素多，高溫性能復雜，且缺乏一定的基礎研究[5]。 文章對常用的鋼纖維混凝土、橡膠纖維混凝土、聚丙纖維混凝土的高溫力學性能進行了系統的歸納總結。

1.1 鋼纖維混凝土

早在1907 年蘇聯學者B.П.H ekpocaB[6]便開始利用金屬纖維來增強混凝土強度。 徐曉勇等[7]通過對鋼纖維高強混凝土高溫后力學性能的試驗研究，得出摻鋼纖維的高強混凝土的抗壓強度、 抗拉強度和抗折強度均隨溫度的升高有下降趨勢。 相同溫度條件下，摻鋼纖維的高強混凝土比素高強混凝土的殘余強度要高，摻鋼纖維對殘余抗拉強度的提高最明顯，殘余抗壓強度次之，對殘余抗折強度的提高較小。 彭帥等[8]應用分離式霍普金森壓桿和電阻式高溫加熱爐對不同纖維摻量(1%，2%)的鋼纖維混凝土試件進行了不同溫度條件下(20 ℃，200 ℃，400℃，600 ℃，800 ℃)的動態壓縮試驗，試驗結果表明，鋼纖維混凝土具有明顯的應變率強化效應和溫度損傷效應。 在各試驗溫度下，鋼纖維混凝土的動態抗壓強度隨著應變率的增大而提高；同一加載速率下，鋼纖維混凝土的動態抗壓強度隨著試驗溫度的升高大幅度降低；相比于普通混凝土，鋼纖維混凝土的抗沖擊性能顯著提高。 Chen 等[9]通過SHPB 試驗裝置和工業微波加熱爐對普通混凝土進行了高溫高應變率加載試驗， 討論了溫度和應變率對混凝土材料力學性能的影響， 并給出了不同溫度條件下混凝土的動態強度增長系數與應變率的關系式。

1.2 橡膠纖維混凝土

Eldin 和Senouci 首次把廢舊輪胎顆粒作為混凝土骨料加入混凝土中，通過試驗研究闡述了橡膠混凝土的特性，并且提出一種分析方法對橡膠混凝土的強度進行預測[10]。 而國內關于橡膠混凝土的研究是開始于20 世紀80 年代， 由天津大學朱涵教授等進行了原創性開發，并在道路、房建等方面取得了初步的應用[11]。 李麗娟等[12]對高強橡膠混凝土進行了高溫試驗，并利用掃描電鏡觀察了高溫作用后橡膠水泥漿體的微觀結構變化。 結果表明：500 ℃作用后高強橡膠混凝土強度下降幅度較小， 而800℃作用后高強橡膠混凝土強度下降較大；當橡膠摻量為1%（質量分數）時，粒徑1.20 mm 的橡膠粉有利于改善高強混凝土高溫下的爆裂缺陷。 韓陽等[13]通過對三種不同橡膠摻量的混凝土試件進行高溫試驗，試驗結果表明，高溫作用后，橡膠集料改性混凝土的各項力學指標衰減隨橡膠摻量的增加而增大，隨受熱溫度的升高而增大，500 ℃高溫作用后出現陡降。 Yesilata B 等[14]發現，摻入67.2 kg/m3橡膠的混凝土隔熱性能比普通混凝土提高18.52%。

1.3 聚丙烯纖維混凝土

杜曦等[15]對120 塊不同聚丙烯纖維摻量的混凝土立方體試件進行高溫后力學性能試驗研究，試驗結果表明，隨著溫度的升高聚丙烯纖維混凝土與普通混凝土一樣， 彈性模量與抗壓強度都呈下降趨勢，并且在300 ℃以后顯著降低，而峰值應變上升。在相同溫度下，隨著纖維摻量的增加混凝土試件的抗壓強度與彈性模量下降，峰值應變升高。 基于試驗建立了不同摻量下聚丙烯纖維混凝土的相對抗壓強度隨溫度變化的關系式。 Hsie Machine[16]得出在混凝土中摻入不同含量的聚丙烯纖維均降低了混凝土的抗拉、抗壓強度等力學性能。常傳鵬等[17]通過對高溫后的聚丙烯纖維混凝土和素混凝土抗壓強度的試驗研究，研究結果表明，無論纖維混凝土還是素混凝土抗壓強度均隨溫度升高逐漸降低，且纖維的含量在一定范圍內對混凝土強度影響較小。元成方等[18]通過對高溫后聚丙烯纖維混凝土的表觀損傷、內部損傷及微觀形貌進行分析，結果表明：經歷最高溫度越高，混凝土表觀損傷越嚴重；聚丙烯纖維可以改善混凝土的高溫性能，抑制混凝土裂縫的產生和發展；經歷相同的溫度時，聚丙烯纖維摻量越高，混凝土內部裂縫越少且貫通性越低；經歷高溫作用后，水泥水化產物出現分層及裂紋，混凝土內部孔隙增多、微裂縫增大且逐漸貫通。 隨著溫度的升高，混凝土開裂進一步加劇，裂縫變寬且貫通性增強，孔隙直徑增大。

2 結論與展望

對國內外普通混凝土和摻加纖維混凝土結構體系的耐火理論及試驗研究進行了簡要闡述，分析了目前急需解決的重點和難點問題。

1）將鋼纖維、廢輪胎、聚丙烯纖維添加至混凝土中，一方面實現了廢舊鋼材、廢輪胎、聚丙烯的無污染化處理和循環利用，另一方面可以提高混凝土的抗滲、抗爆裂以及隔熱等性能。 但目前無論是橡膠混凝土、鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土的應用還處于初始發展階段（橡膠混凝土路面和民用建筑物樓板等的應用處于試驗階段，橡膠混凝土軌枕已開始工業化生產），其研究也多集中于強度、耐久性能和抗爆裂性能等使用性能方面。 對宏觀乃至微觀性能進行系統研究，建立完善的理論體系和試驗研究方法，才能從根本上解決橡膠混凝土研究和應用中存在的問題，推動其廣泛應用。

2）混凝土內摻加纖維材料技術經過一定時間段的發展，已被證實摻加纖維材料可以明顯提高力學特性，且在高層中逐漸被推廣應用。 目前，研究成果主要集中于高溫中或高溫后纖維混凝土宏觀性質上，對于混凝土高溫后微觀角度研究還很少見，并且目前對摻加纖維顆粒大小、纖維長度及摻量還存在爭議。 因此引入科學配比概念，定量分析適用于高溫后合理摻料劑量-溫度、摻料纖維長度-溫度的統一表達式， 適用于提高鋼筋-混凝土結構體系的耐火理論體系具有極其重大的現實意義， 對科技、環保、安全及混凝土結構的高效服役具有重要的發展意義。

3）混凝土結構體系火災高溫作用后，除了受到蒸汽壓力產生爆裂及混凝土內部導熱等作用外，還需要承受混凝土與鋼筋錨固黏結力的影響，除了考慮結構本身的力學特性，還需要綜合研究內部包裹體的復雜力學特性及產生爆裂區域和水-熱-力的耦合效應。 能夠準確表達高溫作用后混凝土內部熱-力特性和混凝土與鋼筋黏結特性，這對沿混凝土溫度場的分布變化也是一種挑戰，需進一步深入探究。