钢-PVA混杂纤维混凝土高温后力学性能研究_肖良丽.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023507钢-PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能研究肖良丽，陈潘红，朱志颖，杨 曌（武汉科技大学城市建设学院，430065，武汉）摘要：为了研究钢 PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能，共设计 45 个立方体试块和 45 个棱柱体试块，对其进行 20 800的高温试验，分析其高温后试块的外观特征、质量烧失率和力学性能。结果表明：随着温度的升高，混凝土发生水化反应，试块表观颜色逐渐由青灰色转向灰白色。高温后试块的质量烧失率随温度升高而降低，400 600阶段，各试块质量损失最明显；在相同温度下，掺有混杂纤维的试块的质量烧失率高于普通混凝土试块，且试块的质量烧失率随钢纤维体积掺量的增加而降低。试块的抗压强度和抗折强度受温度和纤维掺量的共同作用影响，试块的力学性能随温度的升高而降低；在相同温度下，混杂纤维总体积掺量越高，试块力学性能越好，且纤维体积掺量组合为 0.1%PVA 纤维和 1.4%钢纤维时试块力学性能最好。通过对试验结果的回归分析，分别建立了混杂纤维混凝土试块相对抗压强度和相对抗折强度与温度的关系曲线及关系式。关键词：钢纤维；PVA 纤维；质量烧失率；抗压强度；抗折强度中图分类号：TU 398.9 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0507-06MEcHANicAl propErTiEs oF sTEEl-pvA HyBriD FiBEr coNcrETE AFTEr HiGH TEMpErATurEXIAO Liang-li,CHEn Pan-hong,ZHU Zhi-ying,YAnG Zhao(Department of Civil Engineering,School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,430065,Wuhan,China)Abstract:In order to study the mechanical properties of steel-PVA hybrid fiber concrete after high temperature,a total of 45 cubic specimens and 45 prism specimens were designed and subjected to high temperature tests from 20 to 800.Then the appearance characteristics,mass loss and mechanical properties of the specimens after high temperature were analyzed.The results showed that the apparent color of the specimens gradually changed from greenish gray to grayish white with the increase of temperature and the hydration reaction of concrete.The mass loss of specimens decreased with the increase of temperature,and the mass loss of each specimen was most obvious in the stage of 400 600 .At the same temperature,the mass loss of specimens decreased gradually with the increase of fiber content.The mechanical properties of the specimens were affected by the combined effect of temperature and fiber content,and the mechanical properties of the specimens decreased with the increase of temperature.At the same temperature,the higher the fiber content,the better the mechanical properties of the specimens,and the best mechanical properties of the specimens were obtained when the fiber combination was 0.1%PVA fiber and 1.4%steel fiber.Through regression analysis of the test results,the relative compressive strength and relative flexural strength of hybrid fiber concrete specimens versus temperature curves and relational equations were established,respectively.Keywords:steel fiber;PVA fiber;mass loss;compressive strength;flexural strength近年来，频繁发生的建筑火灾对人们的生活和经济都带来了巨大的影响和损失。在火灾情况下，混凝土的力学性能随着温度的升高呈现逐渐劣化的趋势，持续的高温导致混凝土出现爆裂现象，其结构完整性遭到破坏1。为了能有效提高混凝土的耐高温性能，学者们在混凝土中掺入纤维来防止混凝土高温爆裂和减少混凝土高温损伤2-6。掺入钢纤维可以提高高温后混凝土的抗拉、抗弯和抗剪强度，对混凝土的徐变有抑制作用，但其造价高、耐久性差7-9；聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA），其自身具有较高的抗拉强度和弹性模量，但在韧性和自重等方面存在缺陷10-12。赵燕茹等13发现玄武岩纤维的掺入可以提高高温后混凝土的抗压强度，而抗折强度随着温度的升收稿日期：20221201基金项目：湖北省自然科学基金项目（2019CFB540）作者简介：肖良丽（1973），女，湖北麻城人，副教授，博士，e-mai：.建 筑 技 术第 54 卷第 4 期508高而降低。故掺入一种纤维虽然能提高混凝土的力学性能，有效抑制混凝土表面裂缝的产生和扩展，但同时也存在着一定的局限性。基于此，国内外研究学者对混杂纤维混凝土的高温性能展开了研究。腾晓丹等14对高温后掺有钢纤维和高强高模量聚乙烯纤维混凝土的力学性能进行研究。研究表明：钢纤维和高模量聚乙烯纤维的掺入能有效提高混凝土的抗压强度，500时，混杂纤维混凝土的相对抗压强度最大。Sanchayan 等15研究了高温后掺有钢纤维和 PVA 纤维的活性粉末混凝土的力学性能，发现在 300前，含有混杂纤维的试件的抗压强度增加，300后试件抗压强度急剧下降；试件经历高温后（最高可达 700）易发生爆裂现象，但在活性粉末混凝土中掺入钢 PVA 混杂纤维对其高温爆裂有一定的抑制作用，且钢 PVA 混杂纤维体积掺量为 2%时效果最好。陈晨等16研究了混杂纤维体积掺量对高温后（20、200、400、600、800）高性能混凝土力学性能影响。研究结果表明：随着玄武岩纤维和 PVA 纤维体积掺量的增加，试件的抗压强度逐渐增大，当玄武岩纤维 0.3%、PVA 纤维 0.3%、矿渣微粉 10%时效果最佳。Zheng 等17对高温后钢 聚丙烯混杂纤维活性粉末混凝土的力学性能和微观结构进行研究。研究结果表明：掺有混杂纤维的活性粉末混凝土的抗压强度随温度的升高先增大后降低；钢纤维的掺入可以有效提高试块的抗压强度，聚丙烯纤维对高温后试块的抗压强度有积极影响。本课题组18前期研究了不同混杂纤维体积率（0、0.9%、1.5%）对GFRP 筋混杂纤维混凝土短柱轴心受压性能的影响，发现钢 PVA 混杂纤维可以有效提高 GFRP 筋混凝土短柱承载力。目前，虽然对混杂纤维混凝土高温性能试验研究较多，但其试验离散性较大，没有形成较为完善的相关理论，且对于高温后钢 PVA 混杂纤维混凝土的力学性能试验研究较少。基于此，从高温后混杂纤维混凝土的外观、质量损失、抗压强度和抗折强度等方面研究温度与钢 PVA 混杂纤维体积掺量对混凝土高温后力学性能的影响。1 试验概况1.1 原材料试验采用的普通硅酸盐水泥为华新牌 PO 42.5型 号，混 凝 土 配 合 比：水 泥 水 砂 石 子=1.0 0.54 1.73 3.05，其 设 计 强 度 等 级 为C30；中砂为细骨料以及粒径不大于20 mm的粗骨料。钢纤维采用铣削波浪形，PVA 纤维成束状单丝型，如图 1 所示。纤维的主要参数见表 1。根据不同混杂纤维体积掺量的试验分组见表 2，3 种试块的混凝土配合比见表 3。其中钢 PVA 混杂纤维的掺量依据上述研究综述和课题组前期研究成果分为 3 组，分别是0、0.9%、1.5%。（a）（b）图 1 纤维的外观形状（a）钢纤维；（b）PVA 纤维表 1 纤维的主要参数纤维类型 长度/mm等效直径/mm长径比密度/(g/cm3)抗拉强度/MPa钢纤维300.4757.80865PVA 纤维120.031387.11.31 600表 2 试验分组编号PVA 纤维体积掺量/（%）钢纤维体积掺量/（%）混杂纤维总体积掺量/（%）NC000NCP1S80.10.80.9NCP1S140.11.41.5表 3 混凝土配合比 (kg/cm3)编号强度等级密度水泥水砂msNCC302 40038020565700NCP1S8C302 50039621468462.41.3NCP1S14C302 500396214684109.01.31.2 试验设计依据 CECS 132009纤维混凝土试验方法标 准19，设计尺寸为 100 mm100 mm100 mm 的立方体的抗压强度试块及 100 mm100 mm400 mm 棱柱体的抗折强度试块，每组各 3 个，共计 90 个试块。试块在标准养护室中养护 28 d 后取出进行高温试验。将试块放入高温电阻炉内以 5/min 的升温速率加热到目标温度（20、200、400、600、800）后保持恒温 1 h，炉内自然冷却至室温后进行加载试验。1.3 试验设备高温试验中加热装置采用箱式工业电阻炉，最高温度达 1 200。试块的抗压强度试验采用绍兴市肯特机械电子有限公司浙江大学联合研制的 2 000 kN 数显式压力试验机，加载速度以 0.3 MPa/s 连续均匀加2023 年 2 月509肖良丽，等：钢 PVA 混杂纤维混凝土高温后力学性能研究载。试块的抗折强度试验在 1 000 kN 液压伺服万能试验机上进行，加载速度为 0.05 MPa/s。整个试验设备如图 2 所示。高温炉压力试验机（抗压试验）万能试验机（抗折试验）数据接收装置图 2 试验设备图2 高温试验结果与分析2.1 高温后试块外观特征不同温度条件下普通混凝土与混杂纤维混凝土的表观形貌如图 3 所示。经历 200高温后的试块颜色呈青灰色，与常温相似，其中 NCP1S8、NCP1S14 边角处有少量未熔化的 PVA 纤维，表面无明显裂缝产生，外观完整。20200400600800NC NCP1S8 NCP1S14图 3 高温后试块外观变化400后，试块颜色由青灰色逐渐转化为鹅黄色，无裂纹产生，敲击质地较硬。试块历经 600后颜色呈深灰色，表面可见少量不规