赵军，邱计划，高丹盈

（郑州大学，河南　郑州　450002）

摘自《第十二届全国纤维混凝土学术会议论文集》

摘要：通过对高温后聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土力学性能的试验研究，探讨了聚丙烯纤维高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度在不同温度下的变化规律，分析了聚丙烯纤维高强混凝土的抗爆裂机理。研究结果表明，聚丙烯纤维高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度随温度的升高而降低，在400℃以内降低幅度较小，400℃以后显著降低。聚丙烯纤维能够显著改善高强混凝土的抗爆裂性能。

关键词：高温；高强；聚丙烯纤维；力学性能；爆裂

随着科学技术进步和国民经济蓬勃发展，城市化进程逐步加快，建筑业也日新月异，建筑高层化、房屋密度大是当代建筑的一大特点。同时，由于人们生活水平的提高，燃气、电气和新型建材的广泛使用，使建筑结构的火灾问题日益突出，严重危害着国家和人民的生命财产安全。因此，研究遭受火灾高温作用后的混凝土及其结构的性能显得尤为重要。

高强混凝土是一种低渗透性、低孔隙率、含水量小的脆性材料，在抗火性能上与普通混凝土类似，但是由于其自身的密实性、低渗透性，在受火温度达到一定程度后，常发生表面剥落乃至爆裂，这种爆裂会给混凝土构件或结构带来很大破坏。

聚丙烯纤维混凝土是一种新型的合成纤维混凝土，少量纤维的加入，可较大地改善混凝土的收缩性能、耐久性和抗冲击性能。聚丙烯纤维在提高混凝土性能方面日益重要，正成为21世纪的主要建筑材料之一。

为了解火灾后聚丙烯纤维混凝土性能衰减情况，本文对聚丙烯纤维高强混凝土进行了高温试验，探讨聚丙烯纤维高强混凝土力学性能（抗压强度、抗拉强度和抗折强度）随温度的变化规律及其抗爆裂性能，为正确地分析评估混凝土结构火灾后承载能力和损伤程度，改善高强混凝土的抗爆裂能力等提供参考依据。

1   试验概况

1.1  原材料

水泥：42.5普通硅酸盐水泥；石子：粒径为10~20mm，连续级配；砂：中砂，连续级配；聚丙烯纤维：长度19mm，掺量为0.9kg/m³。混凝土强度等级为C60。

1.2  试验方法

试验采用100mm×100mm×100mm立方体混凝土试件和100mm×100mm×400mm棱柱体混凝土试件。试验升温设备为箱式电阻炉，最大升温速率为10℃/min。本试验以温度为变化参数，分别为200℃、300℃、400℃、600℃、800℃。当达到设定温度后，恒温1.5h，然后自然冷却至常温，再进行试验。

1.3　试验现象

随着高温炉温度的升高，可以明显看到大量水蒸气从高温炉中排出。对于素高强混凝土，在400℃前没有发生爆裂现象，继续提高温度至440℃左右，高温炉内发出第一次爆炸声，之后随温度升高，炉内不时传出爆裂声，至600℃时，恒温后打开高温炉，素高强混凝土立方体试块爆裂5块，抗折试件全部爆裂，爆裂温度集中在440℃~512℃左右，而聚丙烯纤维混凝土试件全部完好。在进行加热至最高温度为800℃的过程中，爆裂温度集中在481℃~660℃左右，恒温后打开炉膛，素高强混凝土试件全部爆裂，爆裂部分呈碎块状，聚丙烯纤维混凝土试件仍然基本完好。聚丙烯纤维混凝土在不同温度时的试件表面特征见表1所示。

表1  聚丙烯纤维混凝土不同温度后的表面特征

2  试验结果

本次试验测试了高温后聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度,主要研究上述强度指标随温度的变化规律。

2.1  抗压强度

试验测得聚丙烯纤维高强混凝土与素高强混凝土的抗压强度与温度的关系如图１所示（其中聚丙烯纤维高强混凝土用PP表示，素高强混凝土用C表示）。可以看出，在温度达到400℃以前，聚丙烯纤维混凝土抗压强度与素混凝土抗压强度随温度的变化规律相似，都随温度变化的影响不大。400℃以后，聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土的抗压强度随温度升高都明显下降，且降低幅度接近。温度达到600℃时，聚丙烯纤维高强混凝土的抗压强度是常温时的74%，素高强混凝土的抗压强度是常温时的83%。温度至800℃时，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度降至常温时抗压强度的45%左右，而此时素高强混凝土抗压试件已经爆裂。

2.2  抗拉强度

试验测得的聚丙烯纤维高强混凝土与素高强混凝土的抗拉强度与温度的关系如下图２所示。图２表明，随着温度的升高，聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土的抗拉强度均线性下降，聚丙烯纤维混凝土的下降幅度稍显平缓。当温度升高到200℃、300℃、400℃、和600℃时，聚丙烯纤维混凝土对应的抗拉强度分别为常温时的89%、79%、70%和40%，素混凝土对应的抗拉强度分别为常温时的76%、73%、65%和33%。当温度到达800℃时，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度急剧下降，为常温时抗拉强度的21%，而此时素高强混凝土抗拉试件已经爆裂。由此可见，聚丙烯纤维混凝土和素混凝土的抗拉强度从温度达到400℃开始剧烈下降。与素混凝土相比，在各对应的温度下，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度都比素高强混凝土稍有提高。

2.3  抗折强度

试验测得的聚丙烯纤维高强混凝土与素高强混凝土的抗折强度与温度的关系如下图３所示。由图３可见，温度变化时，抗折强度有所变化。随着温度的升高，聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土的抗折强度都呈下降趋势，聚丙烯纤维混凝土的下降幅度稍显平缓。当温度升高到200℃、300℃和400℃，聚丙烯纤维混凝土对应的抗折强度分别为常温时的104%、79%和68%，素混凝土对应的抗折强度分别为常温时的102%、92%和85%。当温度到达600℃时，聚丙烯纤维混凝土的抗折强度急剧下降，为常温时抗折强度的36%，而此时素高强混凝土抗折试件已经爆裂。由此可见，温度在400℃以前，聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土的抗折强度降低幅度较小。当温度超过400℃以后，素高强混凝土抗折试件爆裂，聚丙烯纤维高强混凝土的抗折强度明显下降。

3  抗爆裂性能

混凝土的爆裂是指混凝土试件在高温作用下，达到一定温度时，表面混凝土突然发生剥落、崩出的现象。该现象发生时没有任何预兆。究其原因，主要是高温时混凝土内部的游离水蒸发及化合水分解，导致高温时某一区域的混凝土强度降低，产生裂缝，在较高的蒸气压力作用下崩解。混凝土强度越高，爆裂现象更容易发生。本试验中的素高强混凝土从400℃开始出现混凝土炸裂的响声，温度达到600℃以后，素高强混凝土几乎完全爆裂。这种高温爆裂是一种灾难性破坏，其特征是伴随着剧烈的爆炸声，混凝土材料在一瞬间裂成大小不一的碎块，但爆裂前却没有明显的先兆。这主要是由于高强混凝土的内部结构比较密实，孔隙率较低，导热性能变差，蒸发通道不畅，水蒸气较难逸出，蒸汽压力较大，当超过混凝土抗拉强度时，孔隙压力和热应力共同作用使裂缝贯通，就产生了突发性的爆裂现象，从而发生爆炸性破坏。

在高强混凝土中加入聚丙烯纤维后，本试验中所有聚丙烯纤维高强混凝土试件直至800℃高温时，仍然没有爆裂现象发生。试验使用的聚丙烯纤维熔点为160℃左右，当温度达到聚丙烯纤维的熔点温度时，混凝土还处于游离水蒸发阶段，内部压力较小。当聚丙烯纤维熔化后，其液态体积小于固态所占空间，于是形成众多小孔隙，并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小而数量又多，使得混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道，缓解了由于水分膨胀所形成的压力，从而降低了爆裂的可能性。

4  结论

(1)聚丙烯纤维高强混凝土和素高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度均随温度的升高有所下降，抗拉强度和抗折强度的降幅较大。

(2)在400℃以内，抗压强度、抗拉强度和抗折强度损失相对较小，超过400℃以后，各强度指标都明显降低，温度较高时还可能发生试件的爆裂。

   (3)聚丙烯纤维通过自身的熔化，在高强混凝土内部形成连通性孔隙，缓解了蒸气压力的影响，有效改善了高强混凝土抗爆裂性能。