聚丙烯与钢纤维混凝土的抗火性能研究

摘 要：为研究添加聚丙烯纤维与钢纤维混凝土的耐火性能，对不同纤维含量的混凝土进行了高温耐火试验及抗压试验，并与普通混凝土材料进行了对比分析。试验结果表明：添加一定量的纤维能够改善混凝土的抗压强度和抗裂性能，但同时降低了混凝土的延性。聚丙烯纤维材料对抗压强度的提高比钢纤维更好。当纤维含量高于最优含量时，对混凝土性能的改善效果明显下降；高温试验中，纤维混凝土的冷却速度比普通混凝土要慢；高温试验后，纤维混凝土和普通混凝土的抗压强度均都有所提高。

关键词：聚丙烯纤维混凝土；钢纤维混凝土；抗压强度；抗火性能

中图分类号：TU398.9;TU352.5

文献标志码：A

混凝土作为目前工程上使用最广泛的材料，其力学性能和抗火性能一直都是研究的热点问题。混凝土在火灾后强度会发生降低，400 ℃以上时，混凝土强度明显下降，800 ℃以上时，抗压强度只有常温的20%左右^［1］。高温后的混凝土性能劣化，使得结构的安全性大大降低，极易引发严重的破坏甚至连续性倒塌^［2］。胡海涛等^［3］对高强混凝土的防火性能进行了试验研究，结果表明温度高于200 ℃时，高强混凝土的强度就开始下降。因此，研究混凝土在高温下及冷却后的力学性能，从而改善它们的性能变得尤为重要。

普通混凝土由于抗拉性能较差，正常使用期间常带裂缝工作，这会影响混凝土结构耐久性与抗火性能。试验研究表明^［4-12］，在混凝土中添加钢纤维、聚丙烯纤维等纤维能够明显改善混凝土在高温后的力学性能，钢纤维可以提高混凝土的强度尤其是抗拉强度，能够明显改善混凝土的抗裂性能，聚丙烯纤维会降低混凝土的渗透性及孔隙率，能够有效防止混凝土在高温下的爆裂。

1 试验概况

1.1 试件材料

本次试验的水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料采用粒径为0～4 mm的硅质河沙，粗骨料采用硅石，骨料级配为4～20 mm，最大粒径12 mm；水采用普通自来水；钢纤维两端均有微弯的弯钩；混凝土配比见表1，钢纤维与聚丙烯纤维的材料特性见表2。试验所用的纤维类型有钢纤维如图1（a）和聚丙烯纤维如图1（b）所示。

1.2 试验试件制作

本次试验共制作了3批次共计30个直径150 mm、高度300 mm的圆柱体试件，第1批次为

6个未添加纤维的普通混凝土试件；第2批次为12个添加钢纤维的混凝土试件，其中，6个钢纤维添加量为1%，其余6个添加量为2%；第3批次为12个添加了聚丙烯纤维的试件，其中，6个纤维含量为1%，其余6个纤维含量为2%。采用机械分离机筛选粗骨料，以保证其最大粒径不超过12 mm。试件制作前，所有材料均置于实验室24 h以上，为保证混凝土中纤维分布均匀，材料按照以下顺序加入：烁石、水泥、砂、纤维添加物。为保证混凝土质量，先加入干燥的原料至搅拌机中搅拌2 min后再加入水搅拌5 min。浇筑完成后24 h拆模，标养28 d。各试件编号如表3所示。

1.3 试验过程

为研究添加聚丙烯纤维和钢纤维的混凝土力学性能，对制作的3批次圆柱体试件进行直接抗压和高温后抗压试验。高温试验试件采用40 kg木材喷洒汽油进行燃烧，高温试验持续1 h，试验中采用红外测温仪每15 min记录一次温度。高温试验结束，待试件冷却后使用万能试验机对试件进行抗压试验，加载开始时施加预估最大荷载的10%作为预加载，使试件两端的平板能够均匀支撑在其表面，随后再以500 N/s的加载速率匀速加载直至试件破坏。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

在经过高温燃烧试验之后，采用压力试验机对其进行标准抗压试验。图2给出了具有代表性的试件破坏形态。其中，2（a）为高温后普通混凝土直接抗压试验结果，2（b）为聚丙烯纤维混凝土高温后抗压试验结果，2（c）为钢纤维混凝土高温后抗压试验结果。

由图2（a）可知，普通混凝土试件直接抗压试验呈爆裂式破坏，裂缝较宽且较深，这表明试件出现结构性破坏前，内部已出现了明显的破碎。由图2（b）可知，聚丙烯纤维混凝土直接受压破坏时未出现显著的爆裂情况。图2（c）所示为钢纤维混凝土高温后受压破坏时裂缝宽度较小，且试件也未出现严重的爆裂。这表明添加钢纤维和聚丙烯纤维后，混凝土在高温试验前后的受压爆裂式破坏明显改善，并且裂缝情况也有所改善。

2.2 高温试验温度分析

高温环境下，材料的性能可能发生变化，因此，对于普通混凝土、钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土在高温条件下的行为进行分析，可以评估它们在火灾等紧急情况下的结构安全性。图3为不同纤维混凝土及不同纤维含量时，抗火试验中的温度随时间的变化情况。

由图3可知，各试件在高温后45 min左右达到峰值温度，钢纤维混凝土、普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的峰值温度分别达到了413 ℃、337 ℃和380 ℃，从曲线下降段可以明显看出，普通混凝土试件在峰值温度以后冷却速度更快。根据图中曲线与横坐标轴包围的面积可以分析各试件受高温的影响程度，计算得到钢纤维混凝土、普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土受高温的影响程度分别为14 440 ℃·min、11 217 ℃·min和11 490 ℃·min，这表明钢纤维混凝土的耐火性能较普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土更好。

文献［9］表明，添入聚丙烯纤维会增加混凝土在高温下的孔隙率，当温度达到聚丙烯纤维熔点（约170 ℃）时，聚丙烯纤维会熔化从混凝土中逸出，混凝土內部会产生一系列孔隙通道使得水蒸气从中散发，从而减小混凝土的孔隙压力和峰值温度。普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土受高温影响程度较为接近，这是因为虽然聚丙烯纤维混凝土峰值温度较低，但是冷却速度较慢，而普通混凝土的冷却速度较快。在混凝土暴露于高温环境中，聚丙烯纤维起到了两个关键作用。第一，它们通过形成孔隙通道促进了水蒸气的释放，从而减小了混凝土内部的孔隙压力。第二，由于聚丙烯纤维具有较低的熔点，它们在高温下会熔化并从混凝土中逸出，减轻了混凝土的负荷。因此，聚丙烯纤维在提高混凝土的高温抗性方面发挥了积极的作用。

通过对试件温度平均值的分析，可以评估材料在高温环境下的表现。不同材料在高温下可能会表现出不同的行为。图4为高温试验过程中，各试件在不同时刻记录的温度。其中，图4（a）的纤维含量为1%，图4（b）的纤维含量为2%。

由图4（a）可知，当添加1%纤维后，混凝土升温速度明显提高，但降温速度发生减小，聚丙烯纤维混凝土升温速度最慢，且峰值温度也最低。由图4（b）可知，当纤维含量增加到2%时，在前30 min之内各试件温度比较接近；在45 min时，钢纤维混凝土的峰值温度最高，聚丙烯纤维混凝土的峰值温度最低；在45 min以后，钢纤维与聚丙烯纤维混凝土的降温速度均比普通混凝土低。

2.3 应力应变关系

应力应变关系反映了材料的强度、刚度以及延性等方面的力学特性。这些特性对于评估材料在实际应用中的性能至关重要。因此，为对比不同纤维类型及含量对混凝土抗压强度和延性的影响，图5给出了各试件直接抗压试验得到的应力-应变曲线。

由图5可知，添加纤维的混凝土抗压强度均出现了明显提高，1%与2%纤维含量试件的抗压强度较为接近，这表明纤维含量从1%提高到2%对混凝土强度影响不大。聚丙烯纤维混凝土的强度较钢纤维混凝土更高，这表明聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的改善作用较钢纤维更为明显。此外，普通混凝土试件曲线下降段较为平缓，而添加纤维后曲线下降段均出现了变陡的情况。因此，可以看出添加纤维后降低了混凝土的延性。

通过分析高温后的抗压应力-应变曲线，可以评估材料在高温环境下的承载能力和变形行为。图6为各试件高温后抗压试验得到的应力-应变曲线。

由图6可知，与直接抗压试验得到的结果类似，纤维混凝土抗压强度较普通混凝土有明显的提高，聚丙烯纤维混凝土峰值应力最大，其次是钢纤维混凝土，而普通混凝土最低，并且1%和2%的纤维含量的试验结果比较接近。

直接抗压试验是在室温下进行的，旨在评估纤维混凝土在常规条件下的抗压强度。高温后抗压试验是将纤维混凝土暴露在高温环境下后进行的抗压试验。它旨在评估纤维混凝土在高温条件下的抗压性能。为研究纤维添加情况与高温对混凝土强度的影响，图7给出了纤维混凝土试件的抗压强度与普通混凝土强度之比。

由图7可知，无论试件是否经过高温试验，添加聚丙烯纤维或钢纤维后混凝土强度都有明显提高。对于聚丙烯纤维混凝土，纤维含量从1%增加到2%时，混凝土强度几乎没有增加，甚至在高温试验后还出现了降低，因此，可以认为1%为最优纤维含量。由图7进一步可知，纤维混凝土和普通混凝土在高温试验后抗压强度都出现了明显提高。

平均峰值强度是对试件在加载过程中达到的最大强度值进行平均计算的结果。它反映了材料在试验条件下的整体强度水平。图8给出了直接抗压试验和高温后抗压试验，各试件平均峰值强度和平均峰值应变，纵坐标以未进行高温试验普通混凝土试件的平均峰值应力σ_maxSA与平均峰值应变ε_maxSA的平均值归一化结果。

由图8可知，在进行高温试验之前，聚丙烯纤维混凝土具有更大的抗压强度与峰值应变，两者受纤维添加量的影响较小，而钢纤维混凝土的抗压强度与峰值应变相对较小，并且峰值应变在纤维含量增加时有所减小。当试件进行高温试验以后，聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度和峰值应变都明显提高，并且纤维含量较小时，混凝土表现出更好的抗压性能。

极限应力的平均值反映了试件在加载过程中能够承受的最大应力水平。通过对不同试件的极限应力平均值进行比较，可以评估材料的相对极限承载能力。图9给出了高温试验前后，各试件极限强度和极限应变的平均值，纵坐标以未进行高温试验普通混凝土试件的相应结果进行归一化。

由图9可知，未进行高温试验的聚丙烯纤维混凝土比钢纤维混凝土的极限强度高，而混凝土的极限应变受纤维的影响很小。高温试验后，聚丙烯纤维含量的增加使混凝土的极限强度有所提高，而钢纤维含量的提高使混凝土的极限强度有所减小。此外，高温试验以后混凝土的极限应变有明显提高，而纤维对混凝土的极限应变影响较小。

2.4 应变能分析

应变能分析是对材料或结构在加载过程中的能量吸收和分布进行研究和评估的方法。表4为各试件的平均峰值应力σ_max、平均极限应力σ_u、平均最大应变ε_max、平均极限应变ε_u、平均最大变形能E_max及平均极限变形能E_u。

由表4数据可知，高温试验后各试件的σ_max均有不同程度的增大，而σ_u则出现了减小的情况，E_max和E_u在高温试验后均有所增大。

峰值应变能的平均值反映了试件在加载过程中能够吸收的平均能量。它表示了材料在受力过程中能够耗散的能量大小。通过比较不同试件的峰值应变能平均值，可以评估材料的相对能量吸收能力。极限应变能的平均值则反映了材料在破坏前能够吸收的平均最大能量。这有助于评估材料在极限状况下的能量吸收能力和耐久性。图10为各试件峰值应变能的平均值与极限应变能的平均值。

由圖10可知，高温试验使得混凝土的最大应变能和极限应变能都有所提高；高温试验前，2%聚丙烯纤维含量的混凝土的应变能最大，而高温试验以后，1%聚丙烯纤维含量的混凝土的应变能最大。

3 结论

通过本文研究主要得到如下几点结论：

1）无论试件是否经过高温试验，钢纤维与聚丙烯纤维均会提高混凝土的抗压强度，但同时也会降低混凝土的延性。

2）未经历高温试验前，混凝土纤维含量相同时，聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的提高优于钢纤维。

3）高溫试验时，纤维混凝土的峰值温度要高于普通混凝土。较钢纤维混凝土，聚丙烯纤维混凝土由于较好的散热能力，峰值温度低于钢纤维混凝土。

4）高温试验后，纤维混凝土的冷却速度比普通混凝土要慢。聚丙烯纤维在高温下熔化，使得混凝土内部孔隙压力减小，因此，混凝土裂缝也较小。

5）与普通混凝土相比，添加纤维能够明显改善混凝土的抗压性能和抗火性能。

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（责任编辑：于慧梅）

Fire Resistance Performance Study of Polypropylene Fiber and Steel Fiber Concrete

FU Shijian*

（Guoneng Shuohuang Railway Development Co.， Ltd.， Cangzhou 062350， China）

Abstract： To investigate the fire resistance of concrete with added polypropylene fiber and steel fiber， high-temperature fire resistance tests and compressive strength tests were carried out on concrete with different fiber contents， which is also compared with ordinary concrete materials. The experimental results show that adding a certain amount of fiber improves the compressive strength and crack resistance of concrete， but at the same time reduces the ductility of concrete. The improvement effect of polypropylene fiber material on compressive strength is better than that of steel fiber. When the fiber content is higher than the optimum content， the improvement effect on concrete performance is significantly reduced. In the high-temperature test， the cooling rate of fiber concrete is slower than that of ordinary concrete; after the high-temperature test， the compressive strength of both fiber concrete and ordinary concrete increases.

Key words： polypropylene fiber concrete; steel fiber concrete; compressive strength; fire-resist performance