玄武岩纤维对聚丙烯再生混凝土高温力学性能的影响*

2023-04-06邹登雄

化学与粘合 2023年1期

邹登雄，杨悦

（四川国际标榜职业学院，四川成都 610100）

引言

随着我国城镇化发展的不断深入，高层建筑数量和层高逐渐增大，高层建筑火灾呈现逐年增加的态势，造成了巨大的经济损失。2021 年全年共接报4057 起高层建筑火灾、共168 人死亡，比2020 年增长了22%。在发生火灾的情况下混凝土良好的高温力学性能无疑是建筑结构稳定性的重要保障[1～4]。因此，研究混凝土高温力学特性具有重要的意义。

大量学者在混凝土高温力学性能方面开展了研究工作。王连坤等[5]采用自然冷却和喷水冷却两种方式，开展C40 自密实混凝土试件不同高温后的力学性能测试，从抗压强度、劈拉强度及轴心受压强度等角度论证了喷水冷却方式下自密实混凝土的力学特性低于自然冷却。何越骁等[6]研究了共聚甲醛与钢纤维超高性能混凝土高温后的力学性能与微观结构变化特征。周星宇等[7]制备了普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土标准棱柱体试件，并开展了不同高温喷水冷却试验，获取了试件的应力-应变全曲线方程，并开展了喷水冷却条件三种混凝土试件基本性能的对比分析。马志宏等[8]研究了导流槽专用耐火混凝土在高温下的劣化损伤机制。综上所述，学者们在混凝土高温性能方面取得了大量丰富的研究成果。然而，混杂纤维的添加可以有效改善混凝土的使用性能[9～11]，混杂纤维混凝土高温后力学性能方面现有的研究较少。因此，本文制备了无纤维掺加以及聚丙烯纤维体积掺入率为0.12%，玄武岩纤维体积掺入率为0.08%、0.16%、0.24%和0.32%的5 种配比再生混凝土，分别开展了20℃、100℃、200℃、400℃、600℃和800℃的再生混凝土高温试验，测试了高温后混凝土试件的质量损失率、抗拉、抗压和抗折等力学性能，研究玄武岩纤维对聚丙烯再生混凝土高温力学性能的影响规律。

1 试样制备及试验方法

1.1 试验制备

利用水泥、细骨料、再生粗骨料、搅拌水和混杂纤维（聚丙烯纤维和玄武岩纤维）制备混杂纤维再生混凝土，再生粗骨料和纤维材料的基本性能分别如表1 和表2 所示。再生混凝土配比如表3 所示，共分为5 组，编号为RC 的混凝土试件不掺加任何纤维。对照组中聚丙烯纤维体积掺入率保持0.12%不变，玄武岩纤维体积掺入率y 从0.08%逐渐递增至0.16%、0.24%和0.32%。

1.2 高温试验方法

高温试验采用科正公司生产的高温快速温度变化试验箱，分别开展5 组试件（表3）常温和5 个恒定高温后的抗拉、抗压和抗折等力学性能测试，恒定温度分别设置为100℃、200℃、400℃、600℃和800℃，升温至恒定温度的速率为10℃/min，达到恒定温度后恒温2h，采用自然冷却方法，冷却时间通常为3h 左右。高温试验过程中尽量保证相同编号的试件同时开展高温试验，高温过程中试件表面编号通常会消失。

2 试验结果分析

2.1 质量损失率

当聚丙烯纤维体积掺入率保持0.12%不变，玄武岩纤维体积掺入率y 由0.08%逐渐递增至0.16%、0.24%和0.32%时，混杂纤维再生混凝土的质量变化曲线如图1 所示。随着受热温度的逐渐提高，混杂纤维再生混凝土内部的自由水以及化学结合水将逐渐蒸发，同时骨料以及胶结料中的氢氧化钙、碳酸钙以及C-S-H 凝胶也将不断分解脱水，造成再生混凝土表面骨料以及胶结物剥落率不断增大，最终导致其质量损失率越来越大。受热温度分别为100℃、200℃、400℃、600℃以及800℃时，混杂纤维再生混凝土的质量损失率为0.95%～1.54%、2.95%～4.05%、7.19%～7.91%、8.94%～10.12% 和10.12%～11.67%。对比基准组可知，当受热温度小于300℃左右时，由于再生混凝土内部聚丙烯纤维的熔化为混凝土内部水化蒸发提供了额外的孔隙通道，导致相同受热温度下混杂纤维的质量损失率要大于基准组，而当受热温度高于300℃时，熔点较高的玄武岩纤维能够发挥较好的阻裂性能，进而减小再生混凝土的剥落损失，此时，相同受热温度下混杂纤维的质量损失率要低于基准组，而且当玄武岩纤维体积掺入率为0.24%时，混杂纤维再生混凝土的质量损失率最小，说明其在高温后的完整性最好。

2.2 抗压强度

随着受热温度的变化，不同混杂纤维体积掺入率条件下再生混凝土的单轴抗压强度及其与常温状态下的比值如图2 所示。当受热温度小于200℃时，随着受热温度的提高，混杂纤维再生混凝土的单轴抗压强度逐渐增大，其增大幅度在100℃时为4.9%～13.0%，在200℃时为10.5%～17.3%，出现这种变化现象的原因可能是，大量自由水的蒸发促进了未熟化水泥的二次反应，使得混杂纤维再生混凝土结构密实性变强，其抗压强度提高。而当受热温度大于400℃时，随着受热温度的提高，混杂纤维再生混凝土内部水化物质将不断受热分解，导致胶结性以及完整性逐渐下降，其呈现不断下降的变化趋势，与常温状态下相比，其单轴抗压强度在400℃时上升了2.1%～7.3%，在600℃时下降了26.3%～33.7%，在800℃时下降了57.1%～58.2%。这说明0.24%体积掺入率的玄武岩纤维掺入能够与0.12%体积掺入率的聚丙烯纤维形成更好的正向协同效应，起到良好的阻裂以及限制基体变形作用，有利于提高再生混凝土的耐火性能。

2.3 劈裂抗拉强度

随着受热温度的变化，不同混杂纤维体积掺入率条件下再生混凝土的劈裂抗拉强度及其与常温状态下的比值如图3 所示。当保持聚丙烯纤维体积掺入率为0.12%不变，玄武岩纤维体积掺入率分别为0.08%、0.16%、0.24%以及0.32%时，混杂纤维再生混凝土在常温状态下的劈裂抗拉强度值分别为4.24MPa、4.88MPa、5.16MPa 以及4.98MPa。随着受热温度的提高，不同混杂纤维体积掺入率下再生混凝土的劈裂抗拉强度值均出现了先小幅提高后大幅下降的变化趋势：当受热温度为200～400℃时，混杂纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度值最高，其值约是常温状态下的103.4%～108.0%；当受热温度为800℃时，混杂纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度值最小，其值约是常温状态下的39.9%～42.8%。对比基准组数据值可知，聚丙烯纤维以及玄武岩纤维的加入有效提高了再生混凝土在高温状态下的抗拉能力；而且在聚丙烯纤维体积掺入率保持0.12%不变的前提下，少量以及过量的玄武岩纤维均会造成再生混凝土内部基体或纤维在空间上的分布缺陷，不利于纤维阻裂性能的发挥，即玄武岩纤维体积掺入率为0.24%时，混杂纤维再生混凝土的高温抗拉性能最好。

2.4 抗折强度

不同混杂纤维体积掺入率下再生混凝土抗折强度随温度的变化曲线如图4 所示。未掺加纤维时，素再生混凝土在受热温度为25℃、100℃、200℃、400℃、600℃和800℃时的抗折强度分别为6.04MPa、5.75MPa、5.42MPa、4.36MPa、2.15MPa 及0.43MPa。聚丙烯纤维体积掺入率为0.12%条件下，0.08%玄武岩纤维体积掺入率的再生混凝土在受热温度为25℃、100℃、200℃、400℃、600℃和800℃时的抗折强度分别为7.17MPa、7.12MPa、7.50MPa、5.35MPa、2.78MPa 及0.67MPa；0.16%玄武岩纤维体积掺入率的再生混凝土在受热温度为25℃、100℃、200℃、400℃、600℃和800℃时的抗折强度分别为8.02MPa、8.22MPa、7.94MPa、6.22MPa、3.72MPa 及0.80MPa；0.24%玄武岩纤维体积掺入率的再生混凝土在受热温度为25℃、100℃、200℃、400℃、600℃和800℃时的抗折强度分别为8.87MPa、9.04MPa、8.63MPa、6.96MPa、4.35MPa 及0.95MPa；0.32%玄武岩纤维体积掺入率的再生混凝土在受热温度为25℃、100℃、200℃、400℃、600℃和800℃时的抗折强度分别为8.45MPa、8.12MPa、8.34MPa、7.15MPa、4.15MPa 及0.84MPa。由此可见，聚丙烯与玄武岩纤维的同时掺入能够提升再生混凝土的抗火能力，使其高温后的残余抗折强度要比素再生混凝土高23.8%以上；而且聚丙烯纤维体积掺入率为0.12%时，玄武岩纤维体积掺入率选择为0.24%较为合适。