混杂纤维活性粉末混凝土耐高温性能研究

高卫平

(新疆希尔路桥工程有限公司，新疆　乌鲁木齐　830011)



混杂纤维活性粉末混凝土耐高温性能研究

高卫平

(新疆希尔路桥工程有限公司，新疆乌鲁木齐830011)

高卫平(1973—)，工程师，主要从事路桥工程施工及管理工作。

摘要：为了研究钢纤维、聚丙烯纤维混杂对活性粉末混凝土耐高温性能的影响，文章通过试验研究了钢纤维和聚丙烯纤维单掺、混杂对混凝土经受高温后的抗压强度和抗折强度的影响。结果表明：单掺两种纤维时，混凝土抗压强度和抗折强度都随温度的升高表现出先增大后减小的变化趋势；钢纤维能显著提高混凝土经受高温后的强度，且掺量越多提高幅度越大，而聚丙烯纤维只是在温度高于200℃时才对活性粉末混凝土的耐高温性能有改善作用；纤维混杂显著提高了混凝土的耐高温性能，钢纤维对经受高温后的抗折强度和抗拉强度的改善效果远大于聚丙烯纤维。

关键词：活性粉末混凝土；钢纤维；聚丙烯纤维；纤维混杂；耐高温性能；抗压强度；抗折强度

0引言

活性粉末混凝土是由石英粉、水泥、硅灰和高效减水剂等材料混合后，采用适当的养护工艺制成的一种超高性能水泥基复合材料[1-2]。由于其自身的优势，活性粉煤混凝土的使用范围越来越广，被应用于高层建筑结构的范例越来越多[3-4]。但是，一旦发生火灾，由于活性粉末混凝土密实度更大、强度更高[5-6]，在高温下发生破坏的可能性更大，因此对人民生命财产安全造成的威胁也更大。目前国内学者对活性粉末混凝土的研究主要集中于力学性能和耐久性方面。对活性粉末混凝土的高温抗爆裂性能研究较少。本文通过试验研究了钢纤维和聚丙烯单掺、混掺对活性粉末混凝土经受高温后抗压强度和抗折强度的影响，为进一步研究活性粉末混凝土的性能提供新的参考。

1原材料

水泥选用陕西秦岭有限公司生产的P.O 42.5水泥，其物理力学性能见表1；矿物外掺料分别为硅灰和矿渣粉，两者的比表面积分别为20 890 m2/kg和4 750 cm2/g，其化学组成见表2；石英砂粒径范围为0.16～1.25 mm；钢纤维采用钢丝，聚丙烯纤维为长坚聚丙烯纤维；减水剂选用高效聚羧酸系减水剂。混凝土配合比如表3所示。进行高温试验时，先将试件放入温度为90 ℃的混凝土加速养护箱中养护3 d，再在标准养护室养护60 d，等其晾干后放入可调温的高温加热箱中进行加热，加热至规定温度后将试件取出，自然冷却至室温后再进行强度测试。

表1　水泥的物理力学性能表

表2　矿物外掺料的化学组成(%)数值表

表3　混凝土配合比(kg/m3)数值表

2钢纤维和聚丙烯纤维单掺时混凝土耐高温性能

要研究两种纤维混掺时活性粉末混凝土的耐高温性能，必须先研究两种纤维单掺时对混凝土耐高温性能的影响，以便初步确定两种纤维混掺时的相对比例。分别控制钢纤维掺量为0%、1%、2%和3%，聚丙烯纤维掺量为0.1%、0.2%和0.3%，测定经受不同程度的高温后两种粉末混凝土的抗压强度和抗折强度，试验结果分别如图1和图2所示。

(a)钢纤维活性粉末混凝土

(b)聚丙烯纤维活性粉末混凝土

从图1可以看出，随着温度的升高，两种活性粉末混凝土的抗压强度都出现先增大后减小的变化规律，当温度达到一定值时混凝土的抗压强度出现最大值，钢纤维活性粉末混凝土和聚丙烯纤维活性粉末混凝土抗压强度达到最大值时对应的温度分别为400 ℃和300 ℃。解释其原因为：由于活性粉末混凝土中富含硅灰、矿渣等活性掺和料，当温度区域较低时，随着温度的升高掺和料的活性逐渐增强，同时激发水泥的水化反应和火山灰效应逐渐增强，从而使混凝土抗压强度得到提高；而当温度超过一定值时，高温造成的混凝土内部损伤加剧，水泥凝胶体逐渐解体，与纤维之间的粘结力逐渐丧失，纤维的增强作用急剧减小，导致混凝土抗压强度大幅降低；当温度>200 ℃时，随着两种纤维掺量的增多，两种活性粉末混凝土的抗压强度逐渐升高，其中，当钢纤维和聚丙烯纤维掺量分别达到2%和0.2%之后，再增加纤维掺量引起的抗压强度的增长程度并不明显。

(a)钢纤维活性粉末混凝土

(b)聚丙烯纤维活性粉末混凝土

从图2可以看出，两种活性粉末混凝土抗折强度随温度变化的规律与抗压强度相似，只是两者到达最大值时对应的温度不同，钢纤维活性粉末混凝土和聚丙烯纤维活性粉末混凝土抗折强度最大时对应的温度分别为200 ℃和300 ℃。钢纤维的掺入能明显改善混凝土高温后的抗折强度，且掺量越多改善效果越好。这主要是因为钢纤维具有良好的导热性能，混凝土加热时热量通过钢纤维传导使混凝土以最快的速度达到内外温度的均匀和平衡，减小了温度应力，抑制了高温下混凝土体积的变化，因此抗折强度提高。聚丙烯纤维的熔点为165 ℃，当温度低于其熔点时，聚丙烯纤维未熔化，而与混凝土基体相比，聚丙烯纤维模量较小，因此聚丙烯纤维掺量越大抗压和抗折强度越小；而当温度>165 ℃时，聚丙烯纤维熔化，使混凝土内部出现大量的连通孔隙，高温引起的蒸汽能快速排到混凝土外部，减小了高温对混凝土的内部损伤，因此PPF掺量越多，抗压和抗折强度越大。

3混杂纤维活性粉末混凝土耐高温性能

为了研究纤维混杂效应对活性粉末混凝土耐高温性能的影响，测定3%钢纤维+0.1%聚丙烯纤维(A)、3%钢纤维+0.2%聚丙烯纤维(B)和1%SF+0.2%聚丙烯纤维(C)三种混杂纤维混凝土经受高温后的强度，结果如表4所示。

表4　混杂纤维活性粉末混凝土的耐高温性能表

从表4可以看出，纤维混杂后混凝土的抗压强度随温度的升高表现出先增大后减小的变化规律，当温度为400 ℃时混杂纤维粉末混凝土的抗压强度达到最大值。相同条件下，钢纤维掺量越大抗压强度越高。这是因为钢纤维能抑制由高温造成的混凝土内部裂缝的扩展，且掺量越多抑制效果越好。当温度<700 ℃时，聚丙烯纤维掺量越大抗压强度越小，而当温度>700 ℃时，聚丙烯纤维掺量越大抗压强度越大。这主要是因为，当温度<700 ℃时，虽然钢纤维对抗压强度有较大贡献，但此时聚丙烯纤维熔化产生的缺陷严重影响了抗压强度；而当温度>700 ℃时，高温蒸汽急需排出混凝土外部，此时聚丙烯纤维对混凝土高温损伤的改善起主导作用，因此聚丙烯纤维掺量越大抗压强度越大。

三种混杂纤维混凝土的抗折强度和随着温度的升高逐渐降低，当聚丙烯纤维掺量都为0.2%，且SF掺量由1%提高至3%时，高温后混凝土的抗折强度大幅提高，表明钢纤维对活性粉末混凝土高温后的抗折强度具有显著的影响。当钢纤维掺量一定时，聚丙烯纤维对抗折强度的影响很小，只有在温度达到500 ℃以后才会对其有改善作用。

4结语

(1)纤维单掺时，随着温度的升高活性粉末混凝土的抗压强度和抗折强度都表现出先增大后减小的变化规律，当温度分别为400 ℃和300 ℃时，钢纤维活性粉煤混凝土和聚丙烯纤维活性粉末混凝土的抗压强度有最大值，抗折强度最大时对应的温度分别为200 ℃和300 ℃。

(2)钢纤维能明显提高活性粉末混凝土高温后的强度，显著抑制活性粉末混凝土的高温爆裂，且掺量越大抑制效果越好；而聚丙烯纤维只是在温度>200 ℃时，对混凝土的耐高温性能有改善作用，当温度<200 ℃时，反而对高温后的强度产生不利影响。

(3)随着温度的升高，混杂纤维活性粉末混凝土的抗压强度表现出先增大后减小的变化趋势，而抗折强度逐渐降低；钢纤维对活性粉末混凝土高温后的抗折强度具有显著的影响，而聚丙烯纤维对抗折强度的影响较小。

参考文献

[1]胡曙光，彭艳周，陈凯，等.掺钢渣活性粉末混凝土的制备及其变形性能[J].武汉理工大学学报，2009，31(1)：26-33.

[2]刘永道，孙克平，杨文，等.170MPa免蒸养活性粉末混凝土的制备与试验研究[J].混凝土与水泥制品，2013(9)：13-16.

[3]谢友均，刘宝举，龙广成.掺超细粉煤灰活性粉末混凝土的研究[J].建筑材料学报，2001，4(3)：280-284.

[4]朱英磊.活性粉末混凝土的性能研究及应用[J].混凝土，2000(7)：31-33.

[6]刘娟红，王栋民，宋少民，等.大掺量矿粉活性粉末混凝土性能与微结构研究[J].武汉理工大学学报，2008，30(11)：54-57.

Research on High-temperature Resistance Performance of Hybrid-fiber Reactive Powder Concrete

GAO Wei-ping

(Xinjiang Xi’er Road and Bridge Engineering Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830011)

Abstract：In order to study the effect of steel fiber and polypropylene fiber hybrid on the high-temperature resistance performance of reactive powder concrete，this article，through the experiments，studied the effect on the compressive strength and flexural strength of concrete after the high temperatures by the individual addition and hybrid mixing of steel fiber and polypropylene fiber.The results showed that：when individually adding these two fibers，the compressive strength and flexural strength of concrete exhibited the changing trend of first increase and then decrease with the increasing temperature；the steel fiber can significantly improve the strength of concrete after subjected to high temperatures，and the more addition content，the greater the increase rate，while the polypropylene fibers can improve the high-temperature resistance performance of reactive powder concrete only when the temperature is above 200 ℃；the fiber hybrid significantly improved the high temperature resistance performance of concrete，and the steel fiber had much greater improving effect on the tensile strength and flexural strength after subjected to high temperatures than polypropylene fibers.

Keywords：Reactive powder concrete；Steel fiber；Polypropylene fiber；Fiber hybrid；High-temperature resistance performance；Compressive strength；Flexural strength

收稿日期：2016-01-30

文章编号：1673-4874(2016)02-0013-04

中图分类号：U415.6

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.003

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