纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述.pdf
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1、2 0 1 6年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AN D CE MEN T P RODUC T S 2 01 6 No 1 J a n u r a r y 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述 张广泰, 陈 浩, 郭 锐, 令 芳, 邓洋洋 ( 新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 ) 。 摘要 : 在对 国内外聚丙烯 纤维、 钢纤维、 钢一 聚 丙烯混杂纤 维和其他 纤维混凝 土的高温残余性能和抗爆裂研究 成果进行 综述的基础上 , 对 作用机理 进行 了深入分析 , 并指 出该领 域 中当前研 究所存在的若干
2、问题 , 对需要进 一步 研 究的相 关内容提 出了建议 关键词 : 纤维混凝土 ; 高温 ; 爆 裂: 机 理 Ab s t r a c t :B a s i s o n r e v i e w o f r e s e a r c h o n r e s i d u a l p r o p e r t i e s a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e a n d s p all i n g r e s i s t a n c e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r , s t e e l f i b e r ,
3、s t e e l p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d o t h e r f i b e r s c o n c r e t e a t h o me a n d a b r o a d , t h e me c h a n i s m o f fi b e r c o n c r e t e i s d e e p l y a n a l y z e d ,t h e p r o b l e ms o f c u r r e n t r e s e a r c h i n t h i s fi e l d a r e p o i n t e d
4、 o u t At t h e s a me t i me , r e c o m me n d a t i o n s f o r f u r t h e r r e s e a r c h a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s : F i b e r c o n c r e t e ; Hi g h t e mp e r a t u r e ; S p a l l i n g ; Me c h a n i s m 中图分类号 : T U 5 4 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 61 0 1 6 2 0
5、7 0前 言 。 在建筑物向超高层大跨度发展的今天 , 人们对 结构的各项性能也提出了更高要求 , 而结构 的耐火 性能则是其 中极重要 的一项 。无论是早期的伦敦大 火 , 还是近期世 贸大楼的倒塌等 , 均造成 了巨大损 失。 公安部消防局公布数据 1 : 2 0 1 4年全国共接报火 灾 3 9 5万起 , 死亡 1 8 1 7人 , 财产损失 4 3 9亿元。 上世纪 2 0年代起 , 美 、 德 、 英等 国相继开展 了 结构抗火性能研究。我国于上世纪 6 O年代开始相 关研究 , 并取得了一系列成果。目前 , 对普通混凝土 高温性能研究 已较成熟 , 但对高强高性能混凝 土材 料及
6、结构的研究还处于起步阶段。混凝土在经受高 温过程中常有爆裂发生 , 将纤维掺入混凝土 中发现 其在改善混凝 土抗高温爆裂方面有 良好表现闭 。 目 前 依据纤维弹性模量是否大于基体可分为低弹性 模量纤维 ( 聚丙烯纤维 、 纤维素纤维 、 尼龙纤维等 ) 和高弹性模量纤维 ( 钢纤维 、 玄武岩纤维 、 碳纤维 、 玻璃纤维等嘲 ) 。由于纤维 自身特性不同 , 对混凝土 高温后性能改善与作用机理也不尽相同。 1 纤维 混凝土 的高温 性 能 1 1 聚丙烯纤维 聚丙烯纤维的熔点较低 , 在改善混凝土高温性 能及抗爆裂方面有较好作用。元成方4 1 的研究表明 : 素混凝土较聚丙烯纤维混凝 土对
7、 温度变化更为敏 感 。1 5 0 C 时外观均无明显变化, 但升温至 8 0 0 , 素 混凝土表面有大量贯穿裂纹并有脱落 。 而聚丙烯纤 基 金 项 目 :新 疆 维 吾 尔 自治 区 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 2 01 4 2 1 1 A0 0 6 ) 。 一 62一 维混凝土仅有少量微裂纹且外观完好。 A r a b i 认为 : 聚丙烯纤维掺量为 0 5 时高温后性能较优 且立方 体试件较圆柱体试件具有更高的残余性能。金祖权 等6 1 发现: 普通 昆 凝土与聚丙烯纤维混凝土在 2 0 0 时抗压强度分别下降了 8 和 1 6 , 4 0 0 ( 2 时强度均 有所恢
8、复 , 8 0 0 后残余抗压强度为 3 0 和 6 7 。此 外 ,聚丙烯纤维对混凝土的线膨胀系数影响较小 。 在温度从 4 0 0 上升到 8 0 O 过程中,孔隙率降低 但孔道依然可保持原有直径的 7 4 。 肖建庄17 研究 了 C 4 0 、 C 5 0 、 C 8 0 、 C 1 0 0高性能混 凝土的高温性能 , 发现混凝土抗爆裂能力随强度增 加而降低 但掺入聚丙烯纤维后均未发生爆裂 。谢 静I 8 1 研究表 明 : 长 1 5 m m、 直径 3 5 1x m 的聚丙烯纤维 较 另 外三 种 ( 8 m m、 2 5 tx m, 8 ra m、 3 5 m, 1 5 mm、
9、2 5 1 x m) 纤维对混凝土高温性能改善效果更好。牛旭婧f9 认 为:聚丙烯纤维直径为 0 8 1 mm的较 0 0 4 8 m m的对 改善混凝土高温性能效果更优。常传鹏 的研究表 明 : 在 4 0 0 ( 2 时 , 短纤 维较 长 纤维 对 混凝 土 的改善 作 用更佳 。 但经历更高温度后两种纤维改善效果差别 不大 。 B i l o d e a u ” 】 研究了水胶 比为 0 3 3的硅灰轻骨混 凝 土爆 裂性 能 , 发现 聚丙 烯 纤维 长 度 为 2 0 ra m, 掺 量 在 3 5 k g m。 时可抑制混凝土爆裂 。 但长度为 1 2 5 ra m 时仅需 1
10、5 k g m 就可抑制爆裂发生。 Mu g u me 在研 究聚丙烯纤维类 型对 高强混凝土高温性能影响时 发现 长度为 1 2 ram聚丙烯纤维较长度为 6 m m的聚 丙烯纤维降低孔隙压力效果更好。混凝 土孔隙压力 在纤维熔融瞬间或熔融后极短 的时间内便有所 降 张广泰 , 陈浩 , 郭锐 , 等 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述 低 。低熔点纤维在降低压力方面较高熔点纤维表现 更 好 。K a l i f a 1 3 1 认为 : 掺 2 k g m。 、 长度 1 2 c m、 直径 5 0 2 0 0 1 m的聚丙烯纤维能避免高性能混凝土高温 爆裂 。杜曦研究聚丙烯纤维高温后峰
11、值应变时发 现 : 掺入聚丙烯纤维后 , 峰值应变明显上升 , 较素混 凝 土可提高 4 2 9 。孙伟【 5 对 高温后混凝土采用炉 冷与水冷不同降温方式 , 均无爆裂发生 , 但 C h a n t 6 1 在 相似 试验 条 件下 却发 生 了严重 的爆 裂 现象 。 G D e b i c k i I 17 1 认为 : 在水养或采用袋子密闭养护 对混凝 土爆裂行为无 明显影 响 试件质量损失 和球 体试件 中心温度变 化与养护方式及纤维含量关 系 较小。试件尺寸可影响试件的爆裂 : 直径 1 2 c m的球 体混凝土其渗透 区域靠近中心 ,且伴有爆裂发生 。 直径 2 4 c m的试
12、件 ,其压力峰值在试件中心和表面 之间 , 且爆裂成几部分。所有试件中, 素混凝土试件 均发生爆裂 。 纤维掺量 0 5 k g m, 时 , 只有直径 1 2 c m 的试件未发生爆裂 。 直径 1 8 c m和 2 4 c m 的试件均发 生 了爆裂 。 当纤维掺量达到 1 O k g m 。 或更高时, 无论 何种尺寸试件均无爆裂现象发生。 陶津 l 8 1 研 究表 明 : 聚丙烯纤 维掺量 为 0 5 k g m 。 的 自密实混凝土在无应力水平时未发生爆裂 , 当应 力水平 为 2 0 时 , 试 件边角发生爆裂 ; 当纤维掺量 增加 到 1 0 k g m。 时 , 即使应 力水
13、平达到 4 0 , 仍无 爆裂发生 。B e r t i l P e r s s o n I 9 1 试验表 明: 在室内 自密实 混凝土和室外 自密实混凝土中分别掺人 0 7 k g m , 和 1 4 k w m 的聚丙 烯纤 维 能够 避免 爆裂 发生 。 王飞剑【 砌 发现 : 聚丙烯纤维混凝 土在常温和高 温后较普通混凝土均具有更高的导热系数 , 且两者 差值范围为 4 3 4 。 I v a n I2 1 认 为 : 气 渗性能与压汞法所 得的参数有 较好相关性 , 可较好反 映材料孑 L 隙的连通性能。柳 献9 9 1 研究表明: 自密实混凝土在 5 o 0 高温下发生爆 裂 ,
14、 而掺人 聚丙烯纤维后则无爆裂现象。通过汞压 力测孔法测定表明 : 1 3 0 4 0 0 C 区间内的孑 L 隙半径仍 处于同样量级 , 但孔隙体积随温度升高而变大。在 2 0 0 时纤维对气渗性能提高最为显著。进入 4 0 0 0 ( 2 及 更 高 温度 时 , 这一优 势 逐 渐减 小 。2 0 0 时素混 凝 土的相对渗透系数几乎无变化 , 而纤维混凝 土的则 有显著突变 , 其宏观表现为抗压强度更高。 元成 方2 3 1 发现 : 混凝 土 在经 历 2 0 8 0 0 过 程 中 其 最可几 孔隙从 3 0 n m左右逐 渐上升到 3 0 0 n m左 右 , 且呈现z b:f
15、L 向大孑 L 转变趋势 。聚丙烯纤维混凝 土在 常温下较素混凝土呈现小孔更少 大孔更 多的 现象 。高温后 由于小孑 L 减少大孔增多 且孔 隙贯通 性增加 , 故比表面积呈下降趋势。 李 杰 青 研 究 表 明 : 聚 丙 烯 纤 维可 使 牺 牲 混 凝 土高温后残余抗压强度提高 5 8 , 且减少混凝土 的疏松 面积 ,同时也使得 与素混凝土基体 中大 于 l O l m 的介 观 孔 和 宏 观 孔 的 总 孔 隙率 的差 异 从 4 0 0 C 时 的 1 2 上升 到 l 0 0 0 时 的 l 1 5 。 宁艳 红 发现 : 聚丙烯纤 维体积率 小于 0 1 时 。 无论何种含
16、湿量的混凝土高温后的渗透系数均 小于素混凝土 , 但在更高掺量时 , 则有相反的结论 。 A l b e r t 发现 : 掺 2 k g m 聚丙烯纤维的混凝土经 受 2 0 0 :E 与 6 0 0 C 高温后 , 其渗透性系数较素混凝土 分别上升 了 8 5 和降低了 2 0 。 李 明星 2 v l 研究表明: 纤维素纤维混凝土高温后残余抗压强 度随氯离子 扩散系数 的增大而减小 。 张戈2 8 1 研究表明 : 聚丙烯纤 维可有效减轻混凝土高温后冻融损伤。 赵毅 2 9 1 发现 : 混凝土中掺人 0 6 k g m s 聚丙烯纤维 ,高温后碳化深 度最小 , 但掺量过高会促进混凝土
17、高温后碳化。 鞠峰3 0 1 认为 : 在高强混凝土 中掺入引气剂不能 避免爆裂 , 且会 降强度 , 但掺入纤维则能避免混凝 土的高温爆裂。 A b d u l l a h3 1 1 研究表明 : 引气剂掺入聚 丙烯 纤维 混凝 土有 助 于改善 高温爆 裂性 能 A l i B e h n o o d t 3 2 1研究认为: 掺入硅粉虽然能够改善常温时 混凝土性能 但经历 6 0 0 后其强度损失较无硅粉 混凝土要大。在温度达到 1 0 0 C 时, 纤维混凝土与素 混凝土的残余抗压强度相差不大 , 但是纤维混凝土 的抗拉强度损失较素混凝土更多。 P h a n t 3 1 发现 : 掺
18、 1 5 k g m。 聚丙烯纤维可使混凝 土 内部最 大蒸汽压力从 2 1 M P a降到 1 4 2 MP a ; 掺 量 3 k g m 时 , 蒸汽压降至 0 6 6 MP a 。G Ma z z u c c o I 利 用数值模拟表 明:聚丙烯纤维掺量在 3 k g m 时 , 混 凝土高温后的蒸汽压力约是不掺人纤维的 1 3 。 P i e t r o L u r a【 通 过在 聚丙 烯 自密实 混凝 土 中加 入高 吸水聚合物( S AP ) 降低纤维用量 , 并依然保证 自密实混凝土 的特性 。对预应力板进行试验时发 现 , 加入 S A P后构件升温速率较基准组有所减缓。
19、T o r o p o v s 在试件 中加人高吸水树脂 和聚丙烯 纤维 , 发现试件的温度分布与是否掺聚丙烯纤维关 系不大。在掺纤维试件 中, 湿度廓线较为均匀 , 表明 有 效减 少 了热应 力 和蒸 汽 压 。无 纤 维试 件 中 。 湿 度 廓线有明显突变。 闫倩倩【 轫 采用 区别于高温炉 内加热方法 , 用更 接 近火 灾 现 场 的 明火对 混 凝 土板 进行 火 灾 试 验 结 果显示 : 普 通混凝 土在升温与降温过程 中 裂缝宽 度 由 0 7 mm增大到 1 m m, 且 深度较大 ; 掺聚丙烯纤 维后 , 裂缝深度仅为 0 4 0 6 m m。 上述研究表明 : 适量聚
20、丙烯纤维高温熔融蒸发 可降低基体 内蒸汽压 , 从 而有效阻止混凝土的高温 爆 裂 。聚 丙 烯纤 维 在改 善 混凝 土 抗 压强 度 、 降低 蒸 一 6 3 2 0 1 6年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 7期 汽压、 抑制爆裂等方面已形成共识。 1 2钢纤维 G M C h e n t 8 】 研究表明 : 与普通混凝 土高温后变 化相似 ,再生混凝土高温后表面颜色有所改变 , 且 有 肉眼可见的裂纹 , 加入钢纤维 的再生混凝土较素 再 生 混凝 土 具有 更小 的裂纹 , 且 钢 纤维 掺 量 的增 加 可显著降低裂缝宽度。 J i h w a n K i m f 3
21、9 】研究表明 : 试件在经历高温后其抗 拉强度损失率较抗压强度损失率更大 , 但是断裂能 量损失率则相对较低 。 且试件对钢纤维的体积率和 长径 比的变化较 纤维 的形状 变化 更为 敏感 。 赵军 研究表明: 混凝土在 4 0 0 C 之前无爆裂发 生 , 4 0 0 C 一 6 0 0 时仅有素混凝土发生爆裂 在 6 0 0 ( 2 后 , 钢 纤维 混 凝 土也 出现 爆 裂现 象 。高 超 研 究 发 现 : 6 0 0 C以后 钢 纤 维 昆凝 土 的 相 对 抗 折 强 度 为 8 l 。而素混凝土的相对抗折强度 已降至 5 9 , 但 8 0 0 c ( = 后相对抗折强度均较
22、低 。张彦春_4 2 l研究表明 : 钢纤 维混凝土其 在经历 5 0 0 C 时抗 剪强度损 失很 小 , 9 0 0 C 后 , 依然有 4 0 的残余抗剪强度。 王邦 4 3 】 发 现 : 钢纤维对钢筋与混凝土高温后极 限黏结强度提 高可达 6 7 5 , 但对初始黏结强度有不利影响。 杨欢 研究表明 : 钢纤维可 明显改善再 生混凝 土高温后 的抗压强度 、 弹性模量 、 能量吸收能力 , 对 能量吸收能力的改善最为显著 在研究切 口梁高温 后 断 裂能得 出经济合 理 的掺 量 为 1 。A L a u 研究 认 为 : 在经历高温后 , 初始饱和度为 1 0 0 的试件较 饱 较
23、初 始 饱 和 度 为 2 0 的试 件 抗 压 强 度 低 5 1 2 MP a 。混凝 土 在经历 1 2 0 0 C 后 , 其 强度 有所 回升 。 高温后 钢纤维混凝土的弹性模量较素混凝土 的弹 性模量高 出 2 6 G P a 。 J a n B e d n 4 6 l 研究表明: 钢纤维 混凝土板经历高温时, 变形可达到 3 0 0 mm, 为其跨度 的十分之一 在 5 0 0 C 时的延性较 2 0 和 6 0 0 C 时均 要更高 。 陈强 在水 胶 比为 0 2的 活性 粉末 混 凝 土 中掺 人体积率为 2 0 的钢纤维 , 试件爆裂的临界湿含量 在 2 5 5 O 。但
24、该掺量下无法避免低水胶 比( 0 1 6 和 0 1 8 ) 爆裂发生。 金凤杰【镐 】研究表 明: 加载速率对其动态抗压强 度起强化效应而温度则起弱化效应。素混凝土的动 态抗压强度增长因子低于钢纤维混凝土。 李旭东t4 9 1 研究表明 : 3 0 0 C 高温后 , 钢纤维橡胶 混凝土的残余劈拉强度可达 9 8 , 而普通混凝土为 6 8 , 橡胶混凝 土仅 为 5 7 , 在 经历 6 0 0 C高温后 , 钢纤维橡胶混凝土依然可以达到 5 3 , 而普通混凝 土为 2 4 , 橡胶混凝土则为 1 9 。 燕兰5 o 1 研究表明 : 高温下纳米 S i O 可有效改善 6 4 基体结构
25、 , 增加钢纤维与胶凝 材料 的黏结力 , 改善 高温后抗压强度与劈裂抗拉强度。杨少伟 5 1 结合应 变直测技术 研究 了钢纤维活性粉末混凝土高温后 的动态压缩性能 , 结果表明 : 钢纤维活性粉末混凝 土的峰值应力受温度影响较大 在 4 0 0 C 和 8 0 0 C 时 较常温时分别下降了 3 8 和 7 3 。 王志坤 5 2 研 究表 明: 钢纤维混凝土高温下 的裂 纹产生与发展需要吸收更多的能量 , 较普通混凝土 具 有 更 高 的能 量 密 度 。S i d e r i s K 5 3 研 究 表 明 : 3 8 0 5 8 0 C 是高性能混凝土易发生爆裂的温度 区间 , 钢纤
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