韋 敏

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產

高溫后鋼纖維混凝土研究綜述

韋 敏

（廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004）

由于鋼纖維對混凝土力學性能有顯著的改善作用，鋼纖維混凝土(SFRC)越來越受到人們的關注。另外，建筑火災時刻威脅著人們的生命財產安全，對SFRC在火災發(fā)生時的性能退化展開研究具有重要意義。本文總結分析了近年來高溫后鋼纖維混凝土物理力學性能的研究成果，包括高溫后試件表觀形態(tài)、抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、韌性。

鋼纖維混凝土；高溫后；力學性能

0 引言

混凝土是世界上使用最為廣泛的建筑材料，在未來很長一段時間內，混凝土結構仍將是土木工程中重要的結構形式?；炷链嘈暂^大，抗拉強度和抗剪能力較低，這使得混凝土非常容易開裂。由于鋼纖維對混凝土內部裂縫擴展的阻裂作用,SFRC相較于普通混凝土具有更優(yōu)越的力學性能。包括較高的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度和抗沖擊性能和能力吸收能力[1]。另一方面，建筑火災事故近年來呈現出多發(fā)趨勢，在極端情況下混凝土結構會突然倒塌，對人民生命財產造成巨大損失。研究SFRC在火災情況下的性能變化對火災中混凝土結構響應的預測具有重要意義。因此，對SFRC在火災高溫下力學性能的改變展開研究具有重要的意義。本文對現有的高溫后SFRC性能研究成果進行了總結及分析，以期為相關領域的研究人員提供參考和借鑒。

1 高溫后鋼纖維混凝土物理性能

對于小試件的耐火性研究，廣泛采用高溫試驗來模擬火災工況，根據混凝土材料在高溫后的性能變化情況來反映火災對混凝土產生的影響。在大多數報道的研究中，溫度以恒定的速度升高，加熱速率大部分為不超過10℃/min。高溫作用下，混凝土內部發(fā)生了一系列的物理變化及化學反應，隨著經歷最高溫度的升高，在試件表面表現為顏色的變化、裂縫的出現。

根據王懷亮[2]等人的研究，常溫下SFRC試件表面顏色為淺灰色，經歷最高溫為200°C和400°C的試件，表面顏色逐步加深。600°C時，試件表面呈現棕灰色，并且可以觀察到裂縫的出現。800°C后，試件呈灰白色，表面出現大量的不規(guī)則裂縫。此外，鋼纖維的摻入對混凝土裂縫的數量、寬度產生了明顯影響。高溫后無纖維混凝土的最大裂縫寬度為0.345mm，而摻量為1.5%的SFRC最大表面裂縫寬度僅為0.07mm。

裂縫的產生是高溫過程中混凝土試件內部水蒸氣未及時逸出而產生的蒸汽壓力、骨料與水泥基質間因熱膨脹系數的不同而產生的膨脹差異以及試件內溫度梯度的存在等多方面因素綜合作用的結果。鋼纖維的優(yōu)良導熱性及在混凝土中的三維亂向分布有效地降低了試件內部的溫度梯度，對裂縫的產生及發(fā)展起到了抑制作用,有效減小了混凝土表面裂縫寬度。

2 高溫后鋼纖維混凝土力學性能

2.1 抗壓強度

抗壓強度是混凝土最基本的力學性質，眾多學者對高溫后SFRC的抗壓強度進行了研究。王懷亮等人[13]的試驗研究結果表明，在400℃前，混凝土抗壓強度下降緩慢，400℃后抗壓強度下降程度增快，鋼纖維的摻入明顯提高了高溫后輕骨料混凝土的抗壓強度，且抗壓強度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大。

張彥春[3]對高溫后的SFRC進行了試驗研究，結果顯示，SFRC抗壓強度在300℃后較常溫下?lián)p失了近20%，在溫度高于500℃后，抗壓強度下降程度增大。在經歷900℃后，抗壓強度僅為常溫下的40%。與無纖維混凝土相比，高溫后SFRC的抗壓強度要高出5~30個百分點。

Chen[4]對高溫后鋼纖維再生混凝土抗壓強度的研究結果顯示，混凝土抗壓強度在200℃前下降緩慢，400℃后下降幅度增大。在200℃、400℃、600℃后，無纖維混凝土的抗壓強度分別為常溫下的81%、47%、21%，而鋼纖維摻量1%的再生混凝土分別為88%、74%、50%。鋼纖維的摻入總體上降低了高溫后再生混凝土的抗壓強度損失率，尤其是在400℃和600℃后。

多數學者報道了鋼纖維對高溫后混凝土抗壓強度的有益影響[5]。總的來說，混凝土抗壓強度在400℃~500℃后會大幅下降，相對于素混凝土，高溫后SFRC的抗壓強度損失更小。

2.2 抗拉強度

對于混凝土，抗拉強度與微裂紋的產生和擴展密切相關。在混凝土中加入鋼纖維可以有效地抑制裂縫的產生和拓展，鋼纖維的橋接作用使混凝土抗拉強度得到顯著提高。Gao[6]對高溫后鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度展開的試驗研究表明，400℃前SFRC的抗拉強度下降緩慢，400℃后下降速率顯著增大。在經歷800℃后，SFRC的抗拉強度為常溫下的37%。Chen[7]的研究顯示，無纖維混凝土在經歷400℃和600℃后劈裂抗拉強度僅為常溫下的39%和18%，而鋼纖維摻量0.6%的SFRC則分別為87%和59%。Zheng[8]也報道了鋼纖維對高溫后混凝土抗拉強度的積極作用，在800℃后，摻量3%的SFRC比摻量為1%和2%的SFRC具有更大的殘余劈裂抗拉強度。

相比于受壓，混凝土在受拉時對高溫引起的裂縫更為敏感。鋼纖維的存在不僅對微裂縫的形成和發(fā)展起到了抑制作用，還在混凝土受荷時延緩了宏觀裂縫的出現，從而提高了高溫后混凝土的抗拉強度。

2.3 彈性模量

混凝土的彈性模量一般取決于材料的各組分組成和過渡區(qū)的性質，由于高溫下微觀結構的變化和化學鍵的斷裂，混凝土的彈性模量明顯下降。Chen[4]對高溫前后鋼纖維再生混凝土的研究表明，在常溫及200℃后，摻量1.5%的SFRC的彈性模量分別為20.89GPa和16.46GPa，低于素再生混凝土的27.23GPa和19.07GPa。這是由于鋼纖維對再生混凝土密實度造成的不利影響所致。但在經歷400℃和600℃后，摻量1.5%的SFRC的彈性模量分別為6.21GPa和2.06GPa，高于素再生混凝土的5.37GPa和0.74GPa。Poon[5]對高溫后纖維混凝土展開了試驗研究。結果顯示，在經歷600℃和800℃后，無纖維混凝土的彈性模量僅為常溫下的47%和26%，而SFRC則為55%和33%，這表明鋼纖維的摻入減緩了高溫后混凝土彈性模量的損失。Yemark等人[9]報道，與普通混凝土相比，在經歷600℃的高溫后，無纖維混凝土和SFRC的彈性模量分別為常溫下的30%和35%。在經歷750℃后，SFRC的彈性模量為常溫下的27%，明顯高于無纖維混凝土的14%。

研究顯示，鋼纖維的摻入對高溫后混凝土的彈性模量產生了積極作用。高溫后混凝土彈性模量的降低主要是因為高溫對混凝土造成了損傷，混凝土內部產生了微裂縫及孔隙，混凝土結構的疏松使彈性模量有所降低。如前所述，鋼纖維的存在對由高溫造成的微裂縫及孔隙有抑制作用，從而SFRC內部的疏松程度較無纖維混凝土更低，擁有更高的彈性模量。

2.4 韌性

韌性是指材料在受荷時的能量吸收能力，通過應力-應變全曲線所包絡的面積大小來表征韌性高低。Chen[4]的研究中采用“應力截斷法”對高溫后再生混凝土的韌性進行了研究。結果顯示，無論是否摻入鋼纖維，再生混凝土的韌性隨著經歷最高溫度的提高呈現出逐漸下降的趨勢，在400℃后下降尤為明顯。但是，在經歷最高溫度相同的情況下，隨著鋼纖維的摻量從0%提高到1.5%，再生混凝土的能量吸收能力逐漸得到明顯提高。Poon[5]則采用“應變截斷法”對高溫后鋼纖維高性能混凝土的韌性進行了計算，結果表明，無纖維高性能混凝土在經歷600℃和800℃后的韌性分別為0.29MPa和0.18MPa，鋼纖維摻量為1%鋼纖維高性能混凝土則分別為0.41MPa和0.24MPa，由此可見，鋼纖維的摻入顯著提高了高性能混凝土的能力吸收能力。Ahmad[10]等人對高溫前后鋼纖維高性能混凝土的研究則顯示，高溫后所有鋼纖維高性能混凝土的韌性均為常溫下的兩倍以上，且隨著暴露在高溫下時間的延長，混凝土韌性以遞減的速率增加。此外，隨著鋼纖維摻量的增大，高溫前后鋼纖維高性能混凝土的韌性亦逐漸增長。

由上述可知，鋼纖維顯著提高了高溫后混凝土的韌性，且隨著鋼纖維摻量的增大，韌性亦不斷增大。

3 總結

研究SFRC在高溫后的性能變化對火災情況下混凝土結構響應的預測具有重要意義。相較于無纖維混凝土，由于鋼纖維對高溫過程中混凝土內部裂縫的產生和發(fā)展所起到的抑制作用，高溫后SFRC的裂縫數量和裂縫寬度更少、更小。鋼纖維的摻入對高溫后混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量和韌性都有提高作用，提高程度則取決于鋼纖維的摻量。

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韋敏（1994.04- ），男，漢族，廣西永?？h人，碩士研究生，研究方向：混凝土新材料及新材料結構。

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