聚丙烯纤维对高性能混凝土耐火性能影响研究综述

王 珍

(中国人民武装警察部队学院， 河北廊坊 065000)



聚丙烯纤维对高性能混凝土耐火性能影响研究综述

王 珍

(中国人民武装警察部队学院， 河北廊坊 065000)

高性能混凝土工作性能好，耐久性好，其成本与同级高强混凝土相比更为经济，但是在火灾作用下，会产生爆裂、剥落。高性能混凝土的耐火性能是一个值得重视的问题，工程实践中往往掺入一定量有机纤维，改善高性能混凝土的耐火性能。文章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。

聚丙烯纤维； 高性能混凝土； 耐火性能； 高温性能； 耐久性能

高性能混凝土因为其密实度大，渗透性低和低水胶比，在高温时很容易发生爆裂现象，进而给高性能混凝土构件或结构带来极大的破坏[1]。但是由于高性能混凝土具有工作性能好、强度高和耐久性等优点，应用却越来越广泛，对高性能混凝土结构的耐火性能的研究显得愈来愈重要。当前，国内外对高温后的普通高性能混凝土材料强度和结构刚度研究较多，但对于掺聚丙烯纤维高性能混凝土结构耐火性能的研究才刚刚起步。研究发现，高性能混凝土掺入一定量的聚丙烯纤维的可显著提升抗耐火性能，改善混凝土防爆裂性能。因此,深入研究聚丙烯纤维对高性能混凝土耐火性能的影响，这已成为各国建筑结构及材料科研人员和工程技术人员共同关注的新课题。

1 高性能混凝土高温爆裂机理

高性能混凝土在遭受火灾后，表面或整体会突然发生崩裂的现象，残余抗压性能会突然降低甚至消失，这称之为高温爆裂。火灾引起的高性能混凝土的高温爆裂现象是一种突发性破坏，对高性能混凝土结构的承载力及耐久性将会产生毁灭性破坏。目前，国内外许多学者对高性能混凝土爆裂机理研究还没有达到较为一致的结论，但报道最多的是蒸汽压理论与热应力理论[2]。

1.1 蒸汽压理论

从微观角度上来说，高性能混凝土结构细密、坚实，主要是由孔隙率很小且相邻孔之间互不连通的密闭单元构成。当遭受火灾等高温环境时，即在环境温度上升的过程中，高性能混凝土温度也随之升高，内部游离的水蒸发逐渐变成水蒸气，水在不断气化的过程中，造成体积发生膨胀，再加上高性能混凝土升温速率不同步，往往在升温过程中产生温度梯度，这将促使水蒸气向内部较冷区域内移动。硬化后的水泥浆体，内部结构密实、渗透性非常低，高性能混凝土的低渗透率和饱和水层形成的物理屏障阻止了水蒸汽相互移动，使蒸气压逐步产生累积效应，在孔表面或孔连接部位形成毛细孔压力，当高性能混凝土内部任何一处的毛细孔压力大于其自身的抗拉强度时，便会发生爆裂而被破坏。

1.2 热应力理论

热应力理论的模型条件是，在火灾作用下，高性能混凝土内部总应变由与温度变化成比例的应变和与温度变化不成比例的应变构成，应变作用方向没有规则，并且在高性能混凝土内部至少存在一处，该处的局部应变量大于允许变形量。该理论从应力角度理解为， 高性能混凝土内部的热应力不单纯是由一个方向产生，很有可能由双向或者三向等方向的应力共同产生，热应力的大小往往与高性能混凝土受热温度成正比，热应力单独或与孔隙压力共同作用于高性能混凝土内部，当该值大于其自身抗拉强度时，便会发生爆裂现象。

2 聚丙烯纤维高性能混凝土火灾后的高温性能

普通的高性能混凝土在火灾作用后，往往会直接导致高性能混凝土的各种性能劣化，发生爆裂现象，掺入聚丙烯纤维的高性能混凝土爆裂现象有所缓解。为了深入研究聚丙烯纤维对高性能混凝土的耐火性能的影响，针对掺入聚丙烯纤维高性能混凝土的爆裂特征和爆裂机理等高温性能展开研究。

钟祥凰[3]的研究表明在高温作用下，掺入聚丙烯纤维对混凝土残余抗压强度产生不利影响，而对残余抗折强度产生有利影响，影响大小以400 ℃为分界点。

鞠丽艳[4]以聚丙烯纤维掺量为变量，对混凝土进行高温下的试验研究，结果表明，聚丙烯纤维能够降低高温下的混凝土动弹性模量损失率，增强混凝土的抗爆裂性能，对高温下混凝土的抗压抗折强度影响较小。

谢静[5]通过对不同长径的聚丙烯纤维混凝土进行高温试验表明：高强混凝土在掺入聚丙烯纤维后，在高温作用时，虽然立方体抗压强度、轴压强度及静弹性模量等主要力学指标变化的速率不同，但都随着温度的升高而衰减；掺入纤维可以提高高强混凝土发生严重破坏的临界温度，对混凝土起到增韧作用；掺纤维会减弱尺寸效应带来的影响。

刘沐宇等[6]人的研究表明掺入不同聚丙烯纤维掺量的混凝土高温后抗压强度的衰减幅度均小于未掺聚丙烯纤维的素混凝土，相比较于400 ℃左右便发生爆裂的素混凝土，聚丙烯纤维混凝土在加热到800 ℃时也没有发生爆裂现象，足以证明掺入聚丙烯纤维是混凝土一种有效地主动抗爆裂措施。

马忠诚[7]的研究发现表明，普通混凝土受火烧损条件下没有发生混凝土的爆裂现象，高强混凝土在受火烧损后发生了严重的爆裂现象，且受热温度越高，混凝土强度等级越高，爆裂发生的几率越大，这一研究表明高强混凝土的抗压强度明显高于普通的混凝土，但是其耐火性能不如普通混凝土。

王珍等人[8]的研究高性能聚丙烯纤维混凝土的爆裂性能和微观结构，发现聚丙烯纤维的存在可以降低高温下混凝土内部的蒸汽压力场。普通混凝土经受火烧损后很少有爆裂现象，而高强混凝土在受火烧损一段时间后通常会发生爆裂现象，掺加聚丙烯纤维可以减少爆裂现象的发生概率。

傅宇方[9]等人认为混凝土是非均匀多项复合材料，爆裂产生的原因非常复杂，爆裂过程中既发生物理反应也发生化学反应，混凝土组成材料、强度、内部含水率、湿含量及渗透性、试件形状、升温速率、加载方式和加荷大小均对爆裂产生影响。孔隙水(汽)压力虽然可以使混凝土产生裂缝，但并不能单独使混凝土发生爆裂，只有当热应力机理与孔隙水(汽)压力耦合作用不利于缓解孔隙压力时，才可能导致爆裂的发生。

Chan Y N，Peng G F[10-11]等人从微观角度研究了不同种类的混凝土(HPC、NC)高温后的变化特征，以孔结构的变化量来体现这一变化过程，高强混凝土高温后的劣化效果比普通混凝土更加显著。

3 聚丙烯纤维高性能混凝土火灾后的耐久性能

聚丙烯纤维高性能混凝土在拥有广阔的发展空间并且已经得到越来越广泛的应用的同时，火灾也在不断威胁着这些结构的使用安全。经过相关研究表明，火灾后，高性能混凝土耐久性能的退化往往比力学性能的衰减更快，掺入一定量的聚丙烯纤维的可显著提升抗耐火性能，所以研究聚丙烯纤维高性能混凝土高温后的耐久性是非常必要的。

Zeiml M，Leithner D 等人[12]通过试验研究聚丙烯纤维对混凝土高温后渗透性能的影响，并用压汞法对高温后混凝土微观结构进行观察分析。研究结果表明，当掺入 1.5 kg/m3的聚丙烯纤维时，在 170 ℃时，纤维混凝土孔隙半径为103 nm ≤r≤105 nm处的体积是素混凝土的两倍，可以承受的饱和孔隙压力是素混凝土的两倍；高温作用下，聚丙烯纤维的融化增加了孔隙半径，扩大了过渡区的厚度，增加了渗透性，对抑制混凝土爆裂，降低混凝土剥落发生的概率有帮助作用。

Noumowe A N，Siddique R等人[13]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，由于掺入 2 %的聚丙烯纤维融化，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没有高温的素混凝土相当，聚丙烯纤维对蒸汽压起了“释放”作用，对混凝土受热不均起到了 “平衡”作用，放慢了热应力的增长速率。

王珍、黄涛等人[14-15]研究了高强混凝土热损伤后的残余性能，发现高强混凝土试件高温后抗压强度呈现衰减趋势，在200 ℃～400 ℃间抗压强度衰减严重。

胡海涛、董毓利[16]等人研究了高温下与高温后高强混凝土的力学性能，并与普通混凝土进行了比较，发现高温后高强混凝土的抗压强度较高温时下降的更多，较普通混凝土下降更为剧烈特别是在常温至450 ℃的范围内，高强混凝土较普通混凝土具有更大的强度损失率。

钱春香、李敏[17-18]等人分别对高强混凝土与聚丙烯纤维混凝土高温后渗透性能进行试验研究，试验结果对比表明：聚丙烯纤维对缓解高强混凝土高温后抗氯离子渗透性能的劣化比较有效果。

赵毅[19]通过对不同纤维掺量的聚丙烯纤维混凝土高温后碳化性能进行研究，研究表明，聚丙烯纤维混凝土的碳化深度随着所受温度的不同也有所不同，掺入一定量的聚丙烯纤维可以有效抑制高温后混凝土的碳化进程。混凝土受热温度的大小在宏观上直接体现在高温损伤程度中；聚丙烯纤维混凝土的碳化深度随时间的增加而变深，不同纤维掺量的混凝土碳化深度也不同。

4 结束语

通过对已有研究结果的分析、归纳， 总结了掺聚丙烯纤维高性能混凝土火灾后的高温性能、耐久性能，为深入研究掺聚丙烯纤维对高性能混凝土耐火性能的影响提供参考资料。在高性能混凝土中掺加聚丙烯纤维可以显著改善高性能混凝土的耐火性能，有效降低高性能混凝土的高温爆裂，但对残余抗压强度影响不大。

随着高性能混凝土技术在现代化建筑工程中的迅速推广，高性能混凝土直接遭受火灾烧损的危险性及可能性也日益加剧。随着城市消防设施的不断加强完善，以及建筑内部防火措施的不断提高，大部分建筑物发生的火灾都是在建筑物的局部或者建筑中的一、两层内，但是建筑物一旦过火，建筑物能否继续使用，或者能不能通过修复加固技术来恢复原建筑物的使用功能，就必须科学地评估建筑物结构的受损程度，判断建筑物结构的残余承载力，科学合理地进行修复加固，最终达到减少经济损失的目的[20-21]。掺聚丙烯纤维高性能混凝耐火性能研究是一个持久深入的课题，对我国建筑业的蓬勃发展具有很重要的意义，目前的研究只是刚刚起步，还有大量的工作需要进行。

[1] 赵莉弘,朋改非,祁国梁,等.高温对纤维增韧高性能混凝土残余力学性能影响的试验研究[J].混凝土,2004(12):8-11.

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[3] 钟祥凰.高性能混凝土耐火性能研究[D].武汉理工大学,2007.

[4] 鞠丽艳,张雄.聚丙烯纤维对高温下混凝土性能的影响[J].同济大学学报,2003,31(9): 1064-1067.

[5] 谢静.不同长径聚丙烯纤维对高强混凝土高温后力学性能影响的研究[D].太原理工大学,2012.

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王珍(1983～)，男，博士，教官，主要从事建筑防火方面的研究。

TU528.34

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[定稿日期]2016-09-07