高温对聚丙烯纤维混凝土性能影响

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  摘要:随着生活水平的逐渐提高,建筑物日益大规模化和功能化,大大增加了建筑物发生火灾的可能性。在遭受火灾过程中,由于混凝土材料强度损失导致结构功能失效,甚至发生坍塌破坏。为减少火灾造成的危害,混凝土结构在火灾发生的一定时间内应保持足够的强度、刚度和完整性。纤维材料是一种在混凝土中应用的新型增强增韧材料。混凝土中加入聚丙烯纤维可以改善结构的抗火(高温)性能,较好的解决混凝土高温爆裂问,基于此,本文综述了聚丙烯纤维混凝土高温前、中、后各项性能研究现状.
  关键词:高温;聚丙烯纤维;混凝土;力学性能;爆裂性能;耐久性能
  Abstract:With the gradual improvement of living standards,buildings are becoming more and more large-scale and functional,which greatly increases the possibility of building fire. In the process of fire,the loss of strength of concrete materials leads to structural failure and even collapse. In order to reduce the damage caused by fire,concrete structures should maintain sufficient strength,stiffness and integrity during a certain period of time when fire occurs. Fiber material is a new kind of reinforcing and toughening material used in concrete. The addition of polypropylene fibers in concrete can improve the fire resistance(high temperature)performance of the structure and better solve the problem of high temperature cracking of concrete. Based on this,this paper summarizes the research status of various properties of polypropylene fibers concrete at high temperature.
  Key words:High temperature;Polypropylene fiber;Concrete;Mechanical property;Bursting performance;Durability
  引言
  在高温作用下,混凝土结构的性能比常温更为复杂。由于环境温度变化造成的动态不均匀温度场、温度与荷载的耦合作用以及混凝土材料性能的差异等都使得混凝土高温性能的试验研究和理论分析难度较大,对这方面的研究成果正处于增长趋势,混凝土结构受高温作用后的诸多问题正在解决,与普通混凝土高温性能的研究相比,纤维混凝土高温性能的研究起步较晚,多集中于纤维对混凝土抗压、抗拉等基本力学性能与耐久性方面的研究。随着纤维混凝土在实际工程中的广泛应用,聚丙烯纤维混凝土高温性能的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。[1-2]
  1 聚丙烯纤维对混凝土性能的影响
  1.1 力学性能
  权长青[3]等针对钢纤维、聚丙烯纤维、粉煤灰三种因素对混杂纤维混凝土力学性能的影响,进行正交试验设计。结果表明,纤维的掺入能显著提高混凝土的劈拉强度,纤维对混凝土抗压强度的增强效应不如劈拉强度的增强效应显著。
  周玲珠[4]等研究不同胶集比和减水剂掺量对高掺量聚丙烯纤维自密实混凝土工作性能和抗压强度的影响。结果表明,高掺量聚丙烯纤维加入降低了自密实混凝土的扩展度和抗压强度。
  宋文浚[5]进行聚丙烯短纤维水工混凝土力学性能试验。结果表明:掺聚丙烯短纤维的水工混凝土抗裂性和抗冲磨性显著增强.
  通过分析以上学者的研究发现,聚丙烯纤维能够显著提高混凝土的劈拉强度,抗裂性及抗冲磨性,对混凝土抗压强度增强作用并不显著。
  1.2耐久性能
  高全青[6]定量评价膨胀剂与纤维复合对自密实混凝土性能的影响;并与单独掺加膨胀剂与纤维的SCC的耐久性能进行对比。结果显示:纤维可以延缓混凝土表面剥落,从而减小质量损失。聚丙烯纤维早期抗裂效果优于钢纤维。
  周志云[7]等对聚丙烯纤维混凝土进行水冻和盐冻循环试验。结果显示:聚丙烯纤维的加入能提高混凝土的抗冻性和抗盐冻性.
  王晨飞[8]等采用干湿循环和快速冻融试验方法研究纤维混凝土的耐久性。结果表明:干湿循环条件下,氯离子的渗透深度随着纤维掺量的增加逐渐加深;盐冻循环条件下,混凝土的抗盐冻性能随随着纤维掺量的增加而提高。
  通过分析以上学者的研究发现,纤维的加入能延缓混凝土表面脱落,提高混凝土的抗冻性等耐久性能。
  2 高温中聚丙烯纤维混凝土性能研究
  刘鑫[9]等对基准混凝土、聚乙烯醇纤维混凝土进行了热-力耦合作用下的试验,同时采用声发射技术对试验过程进行了全程监测。结果显示:PVA纤维的掺入可以延缓混凝土的强度劣化,并增强混凝土的延性PVA纤维的掺入可以提高高温下混凝土抵抗破坏的能力。
  蔣滨[10]对普通强度等级混凝土及不同掺钢量纤维混凝土的高温后力学性能进行试验研究。结果表明:随着温度的升高,高温后混凝土试件的抗压强度和声波传播速度逐渐降低,并且下降趋势随着温度的升高而加剧;不同钢纤维掺量对高温后混凝土试块抗压强度有一定影响。   常传鹏[11]等对聚丙烯纤维混凝土和素混凝土抗压强度进行试验研究。结果表明:无论纤维混凝土还是素混凝土抗压强度均随温度升高逐渐降低,且纤维的含量在一定范围内对混凝土强度影响较小。
  王海[12]等通过掺加改性聚丙烯纤维和聚丙烯混杂纤维混凝土在400℃和800℃高温后的质量损失及残余抗压强度对比,结果表明::改性聚丙烯纤维的掺加可以有效提高混凝土的耐高温性能,随着纤维掺量的增加,高温后混凝土的质量损失和抗压强度损失均减少,且聚丙烯纤维的掺加可以有效降低混凝土发生爆裂的可能性。
  通过分析以上学者的研究发现,聚丙烯纤维能提高混凝土的耐高溫性能,但在高温下一定范围内对混凝土强度影响较小。
  3 高温后聚丙烯纤维混凝土性能研究
  3.1 高温后聚丙烯纤维混凝土力学性能的研究
  谢静[13]对掺聚丙烯纤维的HSC高温后抗压性能进行研究。建立了立方体抗压强度、轴心抗压强度与高温灼烧温度的关系式。同时探讨了试件尺寸对高温前后立方体抗压强度的影响等。
  郭瑞晋[14]对温度、冷却方式、纤维掺量、纤维长度、直径对高温后聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量的影响结果进行总结。从整体来看温度的升高,强度、弹性模量下降;从纤维掺量、长度、直径来看,纤维掺量、长度、直径增加,混凝土强度、弹性模量下降。
  F.B. Varona [15] 研究普通和高强度纤维增强混凝土的试验结果,并在高温下进行了试验。这些结果与以前的研究有很好的相关性,并得到了描述高温下抗压强度和抗折强度演变的方程。
  总结以上纤维混凝土高温后力学性能的研究文献,其研究内容主要集中于纤维混凝土高温后的抗压强度、抗折强度、弹性模量、残余抗压强度和残余劈拉强度等基本力学性能,研究表明,随着纤维混凝土所受温度的升高,其抗压强度、劈拉强度逐渐减小,弹性模量呈下降趋势,适宜掺量和长度下,聚丙烯纤维既可明显提高高强混凝土的残余抗压强度,有利于改善高强混凝土的高温韧性。
  3.2 高温后聚丙烯纤维混凝土损伤特征的研究
  元成方[16]等对高温后聚丙烯纤维混凝土的表观损伤、内部损伤以及微观形貌进行分析,深入研究聚丙烯纤维混凝土的高温损伤特征。结果表明:聚丙烯纤维可以有效改善混凝土的高温性能,抑制混凝土裂缝的产生和发展。
  Albert N,Noumowe[17]等人研究了高温后高性能混凝土的渗透性能。结果表明:200℃高温下,纤维混凝土的渗透性大于不掺纤维的混凝土;在600℃高温下,纤维混凝土的渗透性与未经受高温的素混凝土相当。
  王静[18]研究不同温度作用下聚丙烯纤维混凝土的表观损伤特征,分析高温作用后聚丙烯纤维混凝土的质量、抗压强度、吸水率及动弹性模量的变化规律。研究结果表明:聚丙烯纤维可以改善混凝土的高温爆裂性能,高温后各项性能均优于普通混凝土。
  总结以上纤维混凝土高温后损伤特征的研究文献,经历最高温度越高,混凝土表观损伤越严重,聚丙烯纤维可以有效改善混凝土的高温性能,抑制了混凝土裂缝的产生和发展。聚丙烯纤维混凝土在经历高温后内部纤维熔化,留下大量空隙,使得混凝土高温后的力学性能进一步恶化。
  3.3 高温后聚丙烯纤维混凝土爆裂性能的研究
  洪亚强[19]对聚丙烯纤维及改性玻璃纤维进行高温研究,结果显示:在混凝土中掺入聚丙烯纤维及改性玻璃纤维均可增强混凝土抗爆裂性能。
  高丹盈[20]对聚丙烯-钢纤维混杂混凝土高温性能进行了研究,发现混凝土经历的最高温度越高,其表观劣化越严重,混杂纤维能有效抑制高强混凝土的高温爆裂。
  孙蓓[21]对抗高温爆裂混凝土的研发,进行了瞬间高温下超高强混凝土抗爆裂性能的研究。结果显示:聚丙烯纤维单掺或与钢纤维复掺均能提高抗爆裂性能;骨料种类和含湿量对爆裂性能影响均不显著。
  王珍[22]分析混凝土高温爆裂机理,总结了在聚丙烯纤维对高性能混凝土的高温性能、耐久性能的影响研究成果,为深入研究聚丙烯纤维高性能混凝上的耐火性能提供参考依据。
  总结以上研究文献,由于高温环境下纤维由于自身熔融后的消散或逸出,留下的空隙可以为水蒸气溢出提供通道,从而有利于提升再生混凝土的高温防爆裂能力,纤维对混凝土高温后的爆裂性能得到了有效的改善。
  4 结论
  (1)聚丙烯纤维的加入能很好的提高混凝土的爆裂性能及耐久性能,对部分力学性能也有提高;
  (2)聚丙烯纤维的加入能很好的提高混凝土在经受高温作用后的力学性能及抗冻性能;
  (3)国内外对于聚丙烯纤维混凝土力学性能研究内容主要集中于纤维混凝土高温后的抗压强度、抗折强度、弹性模量、残余抗压强度和残余劈拉强度等基本力学性能;
  (4)国内外对于纤维混凝土高温后损伤特征的研究主要集中于纤维混凝土高温后的混凝土本身裂缝、孔隙、表层脱落等表观特征、内部损伤特征以及通过质量、强度、弹性模量、耐久性、质量损失、抗压强度、吸水率等特性;
  (5)总体而言,国内外对于聚丙烯混凝土材料在热-力耦合作用下的研究较少,主要集中在高温爆裂及高温后混凝土材料性能的研究,未能反映聚丙烯纤维混凝土在火灾条件下的真实情况。国内外对于高温后损伤特征多在于基本力学性能及表观损伤研究,对高温中损伤特征研究较少。
  参考文献
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  基金项目:本文系扬州大学2018年度大学生科创基金项目,项目编号:x20180360
  (作者单位:扬州大学 建筑科学院工程学院)
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