钢-PVA混杂纤维混凝土高温后力学性能研究_肖良丽.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023507钢-PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能研究肖良丽，陈潘红，朱志颖，杨 曌（武汉科技大学城市建设学院，430065，武汉）摘要：为了研究钢 PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能，共设计 45 个立方体试块和 45 个棱柱体试块，对其进行 20 800的高温试验，分析其高温后试块的外观特征、质量烧失率和力学性能。结果表明：随着温度的升高，混凝土发生水化反应，试块表观颜色逐渐由青灰色转向灰白色。高温后试块的质量烧失率随温度升高而降低，400 600阶段，各试块质量损失最明显；在相同温度下，掺有混杂纤维的试块的质量烧失率高于普通混凝土试块，且试块的质量烧失率随钢纤维体积掺量的增加而降低。试块的抗压强度和抗折强度受温度和纤维掺量的共同作用影响，试块的力学性能随温度的升高而降低；在相同温度下，混杂纤维总体积掺量越高，试块力学性能越好，且纤维体积掺量组合为 0.1%PVA 纤维和 1.4%钢纤维时试块力学性能最好。通过对试验结果的回归分析，分别建立了混杂纤维混凝土试块相对抗压强度和相对抗折强度与温度的关系曲线及关系式。关键词：钢纤维；PVA 纤维；质量烧失率；抗压强度；抗折强度中图分类号：TU 398.9 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0507-06MEcHANicAl propErTiEs oF sTEEl-pvA HyBriD FiBEr coNcrETE AFTEr HiGH TEMpErATurEXIAO Liang-li,CHEn Pan-hong,ZHU Zhi-ying,YAnG Zhao(Department of Civil Engineering,School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,430065,Wuhan,China)Abstract:In order to study the mechanical properties of steel-PVA hybrid fiber concrete after high temperature,a total of 45 cubic specimens and 45 prism specimens were designed and subjected to high temperature tests from 20 to 800.Then the appearance characteristics,mass loss and mechanical properties of the specimens after high temperature were analyzed.The results showed that the apparent color of the specimens gradually changed from greenish gray to grayish white with the increase of temperature and the hydration reaction of concrete.The mass loss of specimens decreased with the increase of temperature,and the mass loss of each specimen was most obvious in the stage of 400 600 .At the same temperature,the mass loss of specimens decreased gradually with the increase of fiber content.The mechanical properties of the specimens were affected by the combined effect of temperature and fiber content,and the mechanical properties of the specimens decreased with the increase of temperature.At the same temperature,the higher the fiber content,the better the mechanical properties of the specimens,and the best mechanical properties of the specimens were obtained when the fiber combination was 0.1%PVA fiber and 1.4%steel fiber.Through regression analysis of the test results,the relative compressive strength and relative flexural strength of hybrid fiber concrete specimens versus temperature curves and relational equations were established,respectively.Keywords:steel fiber;PVA fiber;mass loss;compressive strength;flexural strength近年来，频繁发生的建筑火灾对人们的生活和经济都带来了巨大的影响和损失。在火灾情况下，混凝土的力学性能随着温度的升高呈现逐渐劣化的趋势，持续的高温导致混凝土出现爆裂现象，其结构完整性遭到破坏1。为了能有效提高混凝土的耐高温性能，学者们在混凝土中掺入纤维来防止混凝土高温爆裂和减少混凝土高温损伤2-6。掺入钢纤维可以提高高温后混凝土的抗拉、抗弯和抗剪强度，对混凝土的徐变有抑制作用，但其造价高、耐久性差7-9；聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA），其自身具有较高的抗拉强度和弹性模量，但在韧性和自重等方面存在缺陷10-12。赵燕茹等13发现玄武岩纤维的掺入可以提高高温后混凝土的抗压强度，而抗折强度随着温度的升收稿日期：20221201基金项目：湖北省自然科学基金项目（2019CFB540）作者简介：肖良丽（1973），女，湖北麻城人，副教授，博士，e-mai：.建 筑 技 术第 54 卷第 4 期508高而降低。故掺入一种纤维虽然能提高混凝土的力学性能，有效抑制混凝土表面裂缝的产生和扩展，但同时也存在着一定的局限性。基于此，国内外研究学者对混杂纤维混凝土的高温性能展开了研究。腾晓丹等14对高温后掺有钢纤维和高强高模量聚乙烯纤维混凝土的力学性能进行研究。研究表明：钢纤维和高模量聚乙烯纤维的掺入能有效提高混凝土的抗压强度，500时，混杂纤维混凝土的相对抗压强度最大。Sanchayan 等15研究了高温后掺有钢纤维和 PVA 纤维的活性粉末混凝土的力学性能，发现在 300前，含有混杂纤维的试件的抗压强度增加，300后试件抗压强度急剧下降；试件经历高温后（最高可达 700）易发生爆裂现象，但在活性粉末混凝土中掺入钢 PVA 混杂纤维对其高温爆裂有一定的抑制作用，且钢 PVA 混杂纤维体积掺量为 2%时效果最好。陈晨等16研究了混杂纤维体积掺量对高温后（20、200、400、600、800）高性能混凝土力学性能影响。研究结果表明：随着玄武岩纤维和 PVA 纤维体积掺量的增加，试件的抗压强度逐渐增大，当玄武岩纤维 0.3%、PVA 纤维 0.3%、矿渣微粉 10%时效果最佳。Zheng 等17对高温后钢 聚丙烯混杂纤维活性粉末混凝土的力学性能和微观结构进行研究。研究结果表明：掺有混杂纤维的活性粉末混凝土的抗压强度随温度的升高先增大后降低；钢纤维的掺入可以有效提高试块的抗压强度，聚丙烯纤维对高温后试块的抗压强度有积极影响。本课题组18前期研究了不同混杂纤维体积率（0、0.9%、1.5%）对GFRP 筋混杂纤维混凝土短柱轴心受压性能的影响，发现钢 PVA 混杂纤维可以有效提高 GFRP 筋混凝土短柱承载力。目前，虽然对混杂纤维混凝土高温性能试验研究较多，但其试验离散性较大，没有形成较为完善的相关理论，且对于高温后钢 PVA 混杂纤维混凝土的力学性能试验研究较少。基于此，从高温后混杂纤维混凝土的外观、质量损失、抗压强度和抗折强度等方面研究温度与钢 PVA 混杂纤维体积掺量对混凝土高温后力学性能的影响。1 试验概况1.1 原材料试验采用的普通硅酸盐水泥为华新牌 PO 42.5型 号，混 凝 土 配 合 比：水 泥 水 砂 石 子=1.0 0.54 1.73 3.05，其 设 计 强 度 等 级 为C30；中砂为细骨料以及粒径不大于20 mm的粗骨料。钢纤维采用铣削波浪形，PVA 纤维成束状单丝型，如图 1 所示。纤维的主要参数见表 1。根据不同混杂纤维体积掺量的试验分组见表 2，3 种试块的混凝土配合比见表 3。其中钢 PVA 混杂纤维的掺量依据上述研究综述和课题组前期研究成果分为 3 组，分别是0、0.9%、1.5%。（a）（b）图 1 纤维的外观形状（a）钢纤维；（b）PVA 纤维表 1 纤维的主要参数纤维类型 长度/mm等效直径/mm长径比密度/(g/cm3)抗拉强度/MPa钢纤维300.4757.80865PVA 纤维120.031387.11.31 600表 2 试验分组编号PVA 纤维体积掺量/（%）钢纤维体积掺量/（%）混杂纤维总体积掺量/（%）NC000NCP1S80.10.80.9NCP1S140.11.41.5表 3 混凝土配合比 (kg/cm3)编号强度等级密度水泥水砂msNCC302 40038020565700NCP1S8C302 50039621468462.41.3NCP1S14C302 500396214684109.01.31.2 试验设计依据 CECS 132009纤维混凝土试验方法标 准19，设计尺寸为 100 mm100 mm100 mm 的立方体的抗压强度试块及 100 mm100 mm400 mm 棱柱体的抗折强度试块，每组各 3 个，共计 90 个试块。试块在标准养护室中养护 28 d 后取出进行高温试验。将试块放入高温电阻炉内以 5/min 的升温速率加热到目标温度（20、200、400、600、800）后保持恒温 1 h，炉内自然冷却至室温后进行加载试验。1.3 试验设备高温试验中加热装置采用箱式工业电阻炉，最高温度达 1 200。试块的抗压强度试验采用绍兴市肯特机械电子有限公司浙江大学联合研制的 2 000 kN 数显式压力试验机，加载速度以 0.3 MPa/s 连续均匀加2023 年 2 月509肖良丽，等：钢 PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能研究载。试块的抗折强度试验在 1 000 kN 液压伺服万能试验机上进行，加载速度为 0.05 MPa/s。整个试验设备如图 2 所示。高温炉压力试验机（抗压试验）万能试验机（抗折试验）数据接收装置图 2 试验设备图2 高温试验结果与分析2.1 高温后试块外观特征不同温度条件下普通混凝土与混杂纤维混凝土的表观形貌如图 3 所示。经历 200高温后的试块颜色呈青灰色，与常温相似，其中 NCP1S8、NCP1S14 边角处有少量未熔化的 PVA 纤维，表面无明显裂缝产生，外观完整。20200400600800NC NCP1S8 NCP1S14图 3 高温后试块外观变化400后，试块颜色由青灰色逐渐转化为鹅黄色，无裂纹产生，敲击质地较硬。试块历经 600后颜色呈深灰色，表面可见少量不规则微裂纹，敲击质地清脆，NCP1S14 表面裂纹最少。800后，试块颜色呈灰白色，表面出现大量不规则微裂纹，边角易磕碎。在相同温度下，NC 的表面损伤程度比混杂纤维混凝土试块更为严重，这表明在混凝土中掺入钢纤维和PVA 纤维能抑制混凝土裂缝的产生和扩张。2.2 高温后立方体试块质量烧失率质量烧失率（简称烧失率），计算公式如式（1）所示。混凝土经历高温后质量的变化可以间接反映其内部结构的变化情况。I=m1m2 m1100%（1）式中：m1为试块在 20下的质量（kg），m2为试块经历目标温度后的质量（kg）。由图 4（a）可见，随着温度的升高，试块的质量烧失率逐渐增大。在 200前，3 种试块在相同温度下的质量烧失率相差不大。0 200 400 600 800 1 000108642温度/质量烧失率/%NCNCP1S8NCP1S14（a）0 0.9 1.5 1086420混杂纤维总体积掺量/%质量烧失率/%20200400600800（b）图 4 不同影响因素下试块的质量烧失率（a）目标温度，（b）混杂纤维总体积掺量此阶段试块的质量损失主要是混凝土内部自由水的蒸发造成的20。在 400 600，试块的质量烧失率迅速增加。因为此阶段中试块质量损失主要来源是混凝土内部水化物分解以及水分蒸发，同时混杂纤维混凝土试块中因 PVA 纤维熔化，混凝土内部孔隙增大，加速水分蒸发。600 800后试块质量烧失率增加缓慢，曲线较为平缓，因为此时大部分水化物、钙化物即将分解完成，试块水分蒸发殆尽。从 图 4（b）可 见，试 块 历 经 不 同 温 度 后 质量烧失率随着混杂纤维总体积掺量的变化。在20 400，曲线较为平缓，纤维体积率的增加对试块质量烧失率的影响并不明显。400 800，曲线先增加后减小，相同温度下，NCP1S8 质量烧失率最大，NC 质量烧失率最小。主要原因包括以下两个方面：一方面，400后，PVA 纤维因其低熔点融化后在混凝土内部形成较多的孔隙，水蒸气通过这些孔建 筑 技 术第 54 卷第 4 期510隙加速逸出，造成部分质量损失。另一方面，钢纤维的增韧阻裂作用减少了混凝土表面剥落，使得在同样温度下，NCP1S8 质量烧失率最大。在 PVA 纤维体积掺量一定的情况下，试件经历高温后，钢纤维体积掺量越多，试块质量烧失率越低。3 试块抗压强度试验结果与分析3.1 破坏形态经历相同高温后立方体试块的破坏形态有一定的区别，如图 5 所示。20 400后，试块的端部约束效应明显，破坏后最终呈正倒相接的四角锥状，混杂纤维混凝土试块由于钢纤维的桥接阻裂作用，四角锥状更明显。600 800后，随着荷载的增加，试块表面裂缝不断延伸并扩展，直至混凝土试块被压破坏，且 NCP1S14 试块完整性最好。经历相同温度后，混杂纤维混凝土试块破坏后的完整性优于普通混凝土试块，且在PVA纤维一定的情况下，钢纤维掺量越多，试块被压破坏后完整性越好。因为钢纤维具有高弹性模量的刚性纤维，在混凝土中可发挥其增韧阻裂作用，与混凝土间的桥接作用，抑制混凝土裂缝产生和延伸。NC NCP1S8 NCP1S1420200400600800图 5 试块受压破坏形态3.2 试块抗压强度变化与普通混凝土相同，抗压强度是评定高温后混杂纤维混凝土残余强度的有效方法之一，图 6（a）反映了各试块经历不同温度后抗压强度的变化。当试块经历 200、400、600、800后，NC试块的抗压强度较20（常温）分别下降了6.7%、21.9%、36.8%、51.2%；NCP1S8 试块抗压强度较20（常温）分别下降了 6.8%、16.1%、30.8%、49.2%；NCP1S14 试块抗压强度较 20（常温）分别下降了 8.2%、19.4%、26.4%、44.0%。可以看出，随着目标温度的升高，各试块的抗压强度呈现降低的趋势，并且以 400为分界线，400后各试块抗压强度下降速率明显增大。0 200 400 600 800 1 00040302010温度/抗压强度/MPaNCNCP1S8NCP1S14（a）0 0.9 1.54030201020200400600800混杂纤维总体积掺量/%抗压强度/MPa（b）图 6 不同影响因素下试块的抗压强度（a）目标温度，（b）混杂纤维总体积掺量主要原因是当温度达到 400时，混凝土中胶凝材料的水化硅酸钙和水化铝酸钙发生脱水21，蒸汽的大量逸出，混凝土内部孔隙增加，从而使得混凝土强度明显下降。如图 6（b）所示，各试块抗压强度随混杂纤维总体积掺量的增加而增大。三类试块经历相同温度后（20、200、400、600、800），试块 NCP1S8 抗 压 强 度 较 NC 提 高 了 6.6%、6.7%、14.6%、16.8%、10.9%；试 块 NCP1S14 抗 压 强 度较 NC 提 高 了 14.9%、13.1%、18.8%、33.9%、31.9%。可以看出，经历相同高温后混杂纤维混凝土试块的抗压强度高于普通混凝土试块，呈现的变化规律为：NCP1S14NCP1S8NC。主要原因是 PVA 纤维熔点低，在高温作用后熔化失去作用，在混凝土内部形成众多孔隙，一方面为水蒸气的逸出提供通道，另一方面降低了因水分蒸发而形成的内部压力。另外，钢纤维的熔点高，其自身的桥接和阻裂作用能抑制混凝土表明裂缝的扩展，从而提高了混凝土的强度。表明钢纤维和 PVA 纤维的混杂掺入可提高高温后混凝土的抗压强度，且混杂纤维总体积掺量越多，效果越明显。此外，根据试验数据，将 NC、NCP1S8、NCP1S14 试块的相对抗压强度按混杂纤维总体积掺量的不同进行拟合，得到的拟合曲线如图 7 所示，关系式见（2）（4）。2023 年 2 月511肖良丽，等：钢 PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能研究fcuT/fcu=101.990.494T2105T2 Vf=0 （2）fcuT/fcu=100.160.0218T5105T2 Vf=0.9 （3）fcuT/fcu=100.130.0346T2105T2 Vf=1.5 （4）式中：fcuT/fcu为相对抗压强度，%；fcuT 为经历目标温度 T 后混凝土试块的抗压强度，MPa；fcu为常温时混凝土试块的抗压强度，MPa；T为目标温度，；Vf为混杂纤维总体积掺量，%，其中 Vf=0、Vf=0.9、Vf=1.5 分别表示试块 NC、NCP1S8、NCP1S14 中钢纤维和 PVA 纤维体积掺量的总和。0 200 400 600 800 1 00012010080604020温度/相对抗压强度/%NCNCP1S8NCP1S14图 7 高温后试块的相对抗压强度4 试块抗折强度试验结果与分析4.1 裂缝观测通过裂缝观测仪观察试件的微观裂缝，如图 8所示。由图 8 可知，随着荷载的增加，试块裂缝宽度逐渐增大，达到峰值荷载时，普通混凝土试块发出响声后瞬间断裂，而混杂纤维混凝土试块并未断裂。表明钢 PVA 混杂纤维可增强混凝土高温后的韧性。随着温度的升高，试块裂缝宽度呈增大趋势。在200 400，混杂纤维体积掺量越大，试块裂缝宽度越小，用裂缝观测仪观测裂缝时可清晰看见拉扯的PVA 纤维；600 800，试块裂缝宽度不断增加，此时未见 PVA 纤维，钢纤维发挥主要作用，抑制混凝土裂缝扩展。经历相同温度后，试块裂缝宽度随混杂纤维体积掺量增加呈现减少。表明在混凝土中掺入钢 PVA 混杂纤维可抑制混凝土裂缝的扩展和延伸。4.2 试块抗折强度变化抗折强度对于评定高温后混凝土构件或结构的受力（如受弯）和变形（如开裂）等是十分重要的。图9（a）为不同混杂纤维体积掺量下各试块抗折强度与温度的变化曲线，可以看出高温后各试块的抗折强度随温度的升高均呈降低的趋势。在 200前，试块抗折强度下降幅度较小。在20 200，混凝土中的自由水和结合水逐渐蒸发，内部的水泥砂浆和骨料间的粘结应力增强，内部结构较密实，导致试块抗折强度缓慢下降。200后，试NC NCP1S8 NCP1S14200400600800图 8 试块裂缝宽度0 200 400 600 800 1 0008642温度/抗折强度/MPaNCNCP1S8NCP1S14（a）0 0.9 1.5108642020200400600800混杂纤维总体积掺量/%抗折强度/MPa（b）图 9 不同影响因素下试块的抗折强度（a）目标温度；（b）混杂纤维总体积掺量块抗折强度明显下降。随着温度的升高，水泥浆体中水化硅酸钙和水化铝酸钙脱水，二氧化硅晶体膨胀，石灰岩骨料膨胀开裂，并产生二氧化碳气体，混凝土裂缝不断扩展并延伸，使得混凝土强度进一步降低。当目标温度升至 800后，混凝土表面裂缝相互贯通，各试块的抗折强度均在 3.3 MPa 以下。图 9（b）为不同温度下各试块的抗折强度随混杂纤维总体积掺量的变化曲线，其变化趋势与抗压强度类似，随着纤维体积的增加，曲线呈现上升趋势。经历 200 800后，各试块的抗折强度均呈现为NCNCP1S8NCP1S14，即混杂纤维混凝土试块展建 筑 技 术第 54 卷第 4 期512现出更好的耐高温性能。随着混杂纤维总体积掺量的增加，抗折强度逐渐增大，当混杂纤维总体积掺量为1.5%，即 PVA 纤维和钢纤维体积掺量为 0.1%和 1.4%时效果最佳。根据试验数据得到相对抗折强度随温度变化的关系曲线，如图 10 所示，由图 10 可得到三类试块相对抗折强度与温度的拟合关系式（5）（7）。fcfT/fcf=101.650.025 6T7105T2 Vf=0 （5）fcfT/fcf=100.750.007 5T8105T2 Vf=0.9 （6）fcfT/fcf=100.260.000 8T9105T2 Vf=1.5 （7）式中：fcfT/fcf为相对抗折强度，%；fcfT 为经历目标温度 T 后混凝土试块的抗折强度，MPa；fcf为常温时混凝土试块的抗折强度，MPa。0 200 400 600 800 1 000温度/相对抗折强度/%NCNCP1S8NCP1S1412010080604020图 10 试块高温后相对抗折强度5 结论（1）随着温度的不断升高，混杂纤维混凝土试块外观颜色从青灰色向灰白色转变且温度越高其外观劣化越严重。与普通混凝土试块相比，混杂纤维混凝土试块表面的裂缝少且短，钢纤维和 PVA 纤维能抑制裂缝的产生和扩展。（2）试块的质量烧失率随温度的升高逐渐增大，在 400 600阶段，试块质量损失最严重，并且在相同高温后，NC 试块质量烧失率最小，NCP1S14 试块质量烧失率最大。（3）各试块的抗压强度随温度的升高而降低，400后，混凝土内部水分蒸发以及 PVA 纤维的熔化导致试块抗压强度明显降低。经历相同温度后，普通混凝土试块抗压强度低于掺有混杂纤维的混凝土试块，且混杂纤维总体积掺量越大，抗压强度越高，钢纤维起到了较好的增韧效果。（4）与抗压强度相似，各试块的抗折强度随温度的升高不断降低，200后试块抗折强度大幅度下降。在相同温度下，普通混凝土试块的抗折强度低于混杂纤维混凝土试块。钢 PVA 混杂纤维的掺入明显提高了混凝土的抗弯拉性能，并且随着钢 PVA 混杂纤维总体积掺量的增加，试块的抗折强度越高。（5）各试块高温后的力学性能受温度和混杂纤维总体积掺量的共同作用影响，在混凝土中掺入钢 PVA 混杂纤维可以提高高温后混杂纤维混凝土的力学性能，纤维组合为 0.1%PVA 纤维和 1.4%钢纤维时提升效果最好。参考文献1 DONG H,CAO W,BIAN J,et al.The Fire Resistance Performance of Recycled Aggregate Concrete Columns with Different Concrete Compressive StrengthsJ.Materials(Basel),2014,7(12):7843-7860.2 SAFDAR R S,ALI Q L,BABAR A,et al.Mechanical Properties of HybridSteelGlass Fiber-Reinforced Reactive Powder Concrete AfterExposure to Elevated TemperaturesJ.The Arabian Journal for Science and Engineering.Section B,Engineering,2020,45(5):4285-4300.3 朱柏衡,刘华新.高温后混杂纤维再生混凝土力学性能试验研究J.铁道科学与工程学报,2021,18(6):1479-1485.4 VARONA F B,BAEZA F J,BRU D,et al.Influence of high temperature on the mechanical properties of hybrid fibre reinforced normal and high strength concreteJ.Construction and Building Materials,2018,159:73-82.5 邓宗才,王辉,刘岩.生态钢纤维混凝土弯曲韧性和断裂性能 J.建筑科学与工程学报,2017,34(2):111-118.6 柳根金,丁一宁.纤维对混凝土筒体高温下变形的影响 J.建筑材料学报,2018,21(5):786-790.7 朱德,韩阳,沈雷,等.高温后钢纤维混凝土热学性能试验研究J.消防科学与技术,2020,39(11):1477-1481.8 ABBASS W,KHAN M I,MOURAD S.Evaluation of mechanical properties of steel fiber reinforced concrete 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