高溫條件下鋼纖維混凝土力學性能分析

蔣濱

（西南科技大學 四川綿陽 621000）

引言

混凝土是一種廣泛使用的結構材料，隨著其應用與發展它的性能已經有了一定的提高，但面對極端荷載時混凝土仍會發生脆性破壞。為了進一步改善其性能，可以在混凝土中加入多種添加劑，鋼纖維也是這些添加劑中的一種，添加鋼纖維可以提高材料的韌性、抗沖擊性能、抗彎強度以及其他機械強度[1～3]。混凝土在使用的過程中會遭到多種不利條件的影響，如磨損、凍融、侵蝕作用、重負荷擠壓、火災和高溫破壞等。機場停機坪，工業地坪，煙囪，生產高危化學材料的工廠及工業建筑等混凝土結構工程會受到高溫的影響。[4]鋼纖維對增加混凝土內部強度的貢獻不容忽視，他可以為防止混凝土發生塑性破壞的發展提供非常重要的貢獻[5]。

1 實驗

1.1 樣品的制備

實驗采用了PO42.5普通硅酸鹽水泥；石灰石質碎石，粒徑為5～20mm；普通江沙，細度模數為2.8；自來水。根據水泥：砂；石：水=1：1.40：2.85：0.47配制尺寸為100mm×100mm×100mm的C45強度的試塊用于接下來的實驗。

1.2 加熱方案

加熱裝置使用可以控制溫度的高溫電阻爐，將要進行加熱的試塊放入電阻爐內進行加熱如圖1，試塊的受熱溫度設定為200～800℃，加熱時設置為10℃/min。

圖1 高溫試驗電阻爐

1.3 測試設置

實驗按照CECS13：89《鋼纖維混凝土試驗方法》進行，試驗機采用上海萬杰試驗機有限公司生產的SYE-2000型壓力試驗機進行實驗如圖2，加載速率設置為0.5MPa/s，并進行數據處理。

圖2 試件進行抗壓試驗

2 結果分析

2.1 實驗結果

高溫后混凝土殘余強度如圖3，由圖可以看高溫后混凝土的抗壓強度都隨著溫度的升高而逐漸降低，體積摻量為1.5%的混凝土在各個溫度時的殘余強度率均是最高的，未達較高溫度時鋼纖維對混凝土的強度基本沒有影響，當加熱溫度達到600℃高溫后，普通混凝土和鋼纖維混凝土強度都下降一半左右，由圖4可以觀察到在相同的800℃高溫下產量1.5%的鋼纖維混凝土有最大的殘余強度率47.73%，普通混凝土的殘余強度率最小只有34.65%，前者比后者高13.08%。

很明顯可以看出殘余抗壓強度與溫度的關系特征可以分為三個不同階段：

（1）初步穩定階段，從室溫到400℃之間，混凝土強度基本無變化；

（2）強度損失階段，從400～600℃之間，混凝土強度大幅度下降；

（3）強度喪失階段，強度損失階段開始后至到800℃，力學性能開始大幅度下降，普通混凝土強度幾乎損失殆盡。

圖3 高溫后混凝土抗壓強度

圖4高溫后混凝土殘余強度率

2.2 混凝土的剩余抗壓強度與加熱峰值溫度的關系

圖5 為體積摻量0%和體積摻量1.5%的鋼纖維混凝土在經過100℃～800℃高溫溫度作用后的相對剩余強度變化曲線，其變化趨勢與強度變化趨勢一致。

圖5 混凝土相對剩余抗壓強度

之前已經有研究人員對經歷了不同溫度后的混凝土相對剩余強度進行了研究，并建立了相關模型相對抗壓強度與其所經歷的峰值溫度之間的關系。本文通過文獻7提出的模型（如式1所示）對圖5中的實驗數據進行擬合，擬合結果如圖6所示。

式中：fcuR-混凝土剩余抗壓強度fcu-混凝土原始強度x-混凝土所經歷的最高溫度a，b-擬合所得參數；

圖6 V0和V1.5混凝土相對剩余抗壓強度擬合曲線

將擬合結果帶入式1可以得到混凝土試塊的相對剩余強度——溫度關系結果為：

根據以上公式依據不同受熱溫度可以估算出C45普通混凝土和1.5%摻剛體積的鋼纖維混凝土剩余抗壓強度。

3 結論

（1）含鋼纖維的混凝土的抗高溫性能優于普通混凝土，鋼纖維有助于阻止混凝土因高溫而產生裂縫以及隨后所發生得收縮和膨脹，鋼纖維對混凝土強度的貢獻在600℃以后尤其明顯。

（2）由于纖維密度的增加，鋼纖維分布不均勻導致混凝土內部存在間隙，引起抗壓強度降低，受到較高溫度后，體積摻量1.5%的混凝土強度損失比最少，應用于實際時可以根據該實驗結果選擇摻鋼量。

（3）根據獲得的實驗數據計算出了C45強度的混凝土試塊的相對剩余強度與加熱峰值溫度的關系，可以估算出1000℃以下受到不同高溫時混凝土試塊的相對剩余強度。

[1]楊少偉，巴恒靜.鋼纖維混凝土高溫損傷及溫度應力模擬[J].武漢理工大學學報，2009，31（02）：50～54.

[2]陳輝國，劉盈豐，孫波，汪敏，成培江.鋼纖維摻量對混凝土高溫力學性能的影響[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2010，29（04）：552～554+635.

[3]王立聞，龐寶君，楊震琦，遲潤強.鋼纖維活性粉末混凝土高溫后動力學特性研究[J].建筑材料學報，2010，13（05）：620～625.

[4]馬愷澤，劉亮，劉超，劉伯權.高強混合鋼纖維混凝土的力學性能[J].建筑材料學，2017，20（02）：261～265.

[5]劉玉峻，錢春香，莊園，高桂波.二維散熱條件對混凝土內部溫度梯度及熱傳輸的影響[J].東南大學學報（自然科學版），2011，41（04）：820～823.

[6]《纖維混凝土結構技術規程》（CECS38-2004）.

[7]過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算（第一版）.北京：清華大學出版社，2003.