冷却方式对高温后钢纤维高强混凝土力学性能影响研究

杨单单 ，张 明 ，宋帅奇，张庆伟(.安阳市规划设计院，河南 安阳 455000；.安阳师范学院 建筑工程学院，河南 安阳 455000； .河南城建学院，河南 平顶山 46706)

冷却方式对高温后钢纤维高强混凝土力学性能影响研究

杨单单1，张 明2，宋帅奇3，张庆伟2
(1.安阳市规划设计院，河南 安阳 455000；2.安阳师范学院 建筑工程学院，河南 安阳 455000； 3.河南城建学院，河南 平顶山 467036)

为研究冷却方式对高温后钢纤维高强混凝土的影响，通过高温后钢纤维混凝土力学性能试验，分析自然冷却和水冷却方式对钢纤维高强混凝土高温后抗压强度、劈拉强度、抗折强度等基本力学性能的影响。结果表明：钢纤维混凝土的抗压、抗拉、抗折强度随温度的升高有不同程度地降低；高温后采用水冷却方式时各种力学强度均明显低于采用自然冷却后的强度；同时，钢纤维能有效降低混凝土在高温下和水冷时产生爆裂的可能性，能较好保持混凝土的完整性，使混凝土高温后仍具有一定的承载能力。

钢纤维；高强混凝土；力学性能；高温；冷却方式

国内外研究表明[1-4]，在高强混凝土中加入钢纤维能够有效地弥补混凝土性能的不足，改善混凝土的延性及抗拉、抗裂性能。正是由于钢纤维高强混凝土优良的性能，使钢纤维高强混凝土越来越受到国内外学术界及工程界的重视。由于钢纤维混凝土广泛的应用，使得其工程结构对混凝土耐火性能的要求不断提高。因此，有必要对钢纤维混凝土高温后的相关力学性能进行相关研究，从而为工程结构性能的优化和建筑结构防火抗火的设计提供相应的试验依据。本文对受高温作用后的钢纤维高强混凝土性能退化进行一系列的研究，主要研究了钢纤维高强混凝土经历高温加热后，采用不同的冷却方式对其力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比设计

试验材料如下：细骨料为经过筛选的中砂；粗骨料最大粒径为20 mm，5～20 mm间连续级配，级配良好；水泥为42.5 MPa普通硅酸盐水泥；减水剂采用FDN 高效减水剂；钢纤维采用长度为32.43 mm，等效直径为0.56 mm，长径比为58的冷拉端钩型钢纤维；混凝土试块的设计强度等级为C60，钢纤维体积率为1%，配合比见表1。

表1 钢纤维高强混凝土配合比 kg/m3

备注：减水剂用量1.5%。

1.2 试验方案

根据纤维混凝土及普通混凝土力学性能相关试验规程的要求[5-7]，抗压试验和劈拉试验采用边长为100 mm的立方体试块，抗折试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的试块。试验升温设备采用箱式电阻炉，试验前将试块放到电炉中进行加热处理，加热速度为10℃/min，达到设定温度(依次为 400℃、600℃、800℃)后，恒温1.5 h。对于自然冷却的试块，取出后在空气中自然冷却至室温后再进行试验；对于用水冷却的试块，取出后浇水冷却，直至试块内外完全冷透后再进行试验。

1.3 试验现象

试验中可观察到高温后钢纤维高强混凝土试块的宏观变化，见表2。从试验现象可以看出，当加热温度在400℃时，试块基本上没有裂缝出现，这和以往研究中混凝土加热到400℃后会出现少量裂缝的试验结果不同，主要是由于横跨裂缝的钢纤维对混凝土裂缝的发展起限制作用。加热到630℃以上时，发生了钢纤维高强混凝土试块在高温炉中爆裂的情况。同时，高温600℃及800℃的试块在水冷过程中也出现了爆裂的情况，说明温度较低时，钢纤维虽然能在一定程度上限制温度裂缝的发展，抑制混凝土爆裂，但温度超过600℃后对抑制混凝土高温爆裂的效果并不显著。

2 试验结果分析

2.1 高温后抗压强度变化分析

钢纤维混凝土高温后的混凝土立方体抗压强度值见表3。以往研究表明[3-4]，钢纤维对混凝土的抗压强度影响不大，但会显著提高其抗裂能力。混凝土的破坏沿着预热和冷却时形成的细小裂纹发展，破坏后试块也未完全酥裂，裂缝宽度较小且整体性完好。在钢纤维含量特征参数适当、体积率合适、混合料均匀搅拌成型的情况下，钢纤维混凝土抗压强度的大小主要取决于混凝土基体的性能，钢纤维并不显著提高混凝土的抗压强度。有时还会因纤维的存在，使混凝土和易性变差，内部界面微裂缝增多，高温预热和水冷后裂缝进一步扩展，抗压强度反而有所降低。但钢纤维混凝土受压破坏后碎而不散，抗压韧性有明显提高。其根本原因是钢纤维的增强作用只有在试件受力达到抗压强度之后，裂缝扩展到水泥石之中才得以发挥。

表2 试验现象

备注：表中“—”表示无预留此试块。

文中数据及文献[8]中普通混凝土试验数据见图1，可以看出，无论是普通混凝土还是钢纤维高强混凝土，其抗压强度均随着受热温度的提高而逐渐降低，但钢纤维高强混凝土高温后抗压强度的降低明显低于普通混凝土，说明钢纤维能显著的抑制混凝土高温后抗压强度的劣化。从图1中还可以看出，对于钢纤维高强混凝土，不同冷却方式对抗压强度的影响是显著的，水冷却显著降低了钢纤维高强混凝土高温后的抗压强度，较自然冷却方式在400℃、600℃、800℃时分别降低了24%、30%、39%，这说明随着加热温度的提高，冷却方式对抗压强度的影响程度也逐渐提高。这与文献[7]中普通混凝土抗压强度在温度450℃后冷却方式对其影响不大的研究结果不同。

表3 立方体抗压强度测试数据

图1 高温后抗压强度相对变化曲线

2.2 高温后劈拉强度变化分析

在混凝土结构设计中一般只考虑压应力而忽略拉应力，但是拉应力却是混凝土开裂的关键因素。高温作用后，混凝土构件裂缝增多，因此混凝土抗拉强度在构件受力中的重要性增大，也是确定混凝土抗裂度的重要指标。钢纤维对钢纤维混凝土的抗拉性能起着明显的增强作用，资料显示钢纤维混凝土的抗拉强度一般比素混凝土高20%～27%。如果改善试验石子的最大粒径及级配，则钢纤维混凝土的抗拉增强程度将更大。根据试验规程的要求进行了钢纤维高强混凝土的劈裂抗拉试验，抗拉强度值见表4。从表4中可以看出，温度、时间、不同的冷却方式对钢纤维混凝土的抗拉强度均有不同程度的影响。

表4 抗拉强度测试数据

图2 高温后抗拉强度相对变化曲线

图2为高温后抗拉强度相对变化曲线。由图2及表4可以看出，自然冷却条件下，400～600℃段抗拉强度的降低速率较缓；与600～800℃段抗拉强度的降低速率较快。这可能是由于温度不相容性在混凝土内产生了微裂缝及大裂缝，钢纤维对其有一定的抑制作用，但随着温度的升高(大于400℃时)，混凝土基体强度及对钢纤维的黏结强度明显变弱，从而抗拉强度下降；同时400℃开始钢纤维混凝土骨料开始出现裂纹，也是造成抗拉强度快速降低的原因。与温度对钢纤维混凝土的抗压强度的影响比较，温度对钢纤维混凝土的抗拉强度的影响规律更明显。水冷条件下，如图2所示，钢纤维混凝土的抗拉强度随温度的升高稳步减小。600℃时其抗拉强度是400℃时的82%，800℃时抗拉强度已降为400℃时的42%。温度对高温后再水冷的钢纤维混凝土抗拉强度与抗压强度有相似的影响，即强度都随温度的升高不断减小。以上分析表明，温度同样是影响钢纤维混凝土劈裂抗拉强度的重要因素，总的来说钢纤维高强混凝土抗拉强度随温度的升高而显著降低，且水冷方式对抗拉强度的降低影响更为显著。

2.3 高温后抗折强度变化分析

表5 抗折强度强度测试数据

注：经800℃后，抗折试块均出现炸裂

图3 高温后抗折强度相对变化曲线

采用WE-30型抗折试验机进行钢纤维混凝土抗折强度的测试，试验时采用三分点加荷。以往研究表明[2]，钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的抗折性能。钢纤维混凝土受到一定荷载时首先出现细裂隙，随着荷载的不断增加，裂隙不断扩展，当达到破坏荷载后，试件通过钢纤维连接在一起，保留有一定的残余强度[9]。钢纤维混凝土高温后的抗折强度值见表5。由表5可以看出，温度、不同冷却方式对钢纤维混凝土的抗折强度的影响。试验过程中，经过800℃高温后，抗折试块均发生了爆裂情况，说明高温后混凝土爆裂与温度及试块体积有关，体积越大的试块，经历温度越高，高温后爆裂的风险明显增大。图3为高温后抗折强度相对变化曲线。从图3及表5中可以看出，钢纤维高强混凝土的抗折强度随温度的升高不断下降。水冷状态下，由于800℃时钢纤维混凝土试块炸裂，抗折强度的变化无法比较，不过直观地可以看出400℃未炸试块的抗折强度高于600℃试块的抗折强度。

抗折强度因温度的升高及水冷作用基本呈快速下降趋势，主要原因在于：构件界面承受弯矩作用时，截面上部受压应力作用，下部受拉应力作用，高温和水冷作用后的混凝土内产生大量微细裂纹，受拉区在拉应力作用下，裂缝横向切于应力方向，试件每一裂缝的存在和产生都降低了截面有效面积，而且此应力状态下比压应力状态下抑制裂缝的效应更弱，故使截面中和轴不断上移造成试块破坏。抗折试验中高温和水冷作用是加剧试块破坏的催化剂。另外，在试块受力直至破坏过程中，钢纤维是逐渐被拔出而明显不同于劈裂抗拉试验中整个截面上钢纤维被整体拔出的情况，因而钢纤维在高温后对抗折强度的改善作用没有对劈拉强度的改善作用明显[10]。

3 结论

(1) 钢纤维混凝土抗压强度与其所经历的温度有关，加热温度越高，冷却(自然冷却和用水冷却)后试块的抗压强度越低。

(2) 冷却方式也对钢纤维混凝土的抗压强度有显著的影响，一般情况下，水冷后钢纤维混凝土的抗压强度显著低于自然冷却后的抗压强度。

(3) 钢纤维混凝土的抗拉强度及抗折强度随温度的升高呈衰减趋势，钢纤维对混凝土高温后抗拉强度的改善作用强于抗折强度，经历水冷却方式的钢纤维混凝土的抗拉强度及抗折强度也明显低于自然冷却后的混凝土强度。

(4) 钢纤维能有效抑制混凝土在600℃下产生爆裂的可能性，并能较好保持混凝土的完整性，高温后仍能承受一定的荷载。但温度超过600℃后，钢纤维对抑制混凝土爆裂作用并不显著。

[1] 黄承逵. 纤维混凝土结构[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[2] 高丹盈，赵军，朱海堂. 钢纤维混凝土设计与应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] 赵国藩，彭少民，黄承逵. 钢纤维混凝土结构[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1999.

[4] 卫明山，李利莎. 混杂钢纤维混凝土力学性能试验研究[J]. 四川建筑科学研究，2006(6):170-172.

[5] 中华人民共和国工程建设协会. 纤维混凝土结构技术规程：CECS38：2004 [S]. 北京：中国计划出版社，2004.

[6] 中华人民共和国工程建设协会. 纤维混凝土试验方法标准：CECS13：2009 [S]. 北京：中国计划出版社，2009.

[7] 中华人民共和国建设部. 普通混凝土力学性能试验方法标准：GB50081-2002 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[8] 贾福萍，吕恒林，崔艳莉，等. 不同冷却方式对高温后混凝土性能退化研究[J]. 中国矿业大学学报，2009(1):25-29.

[9] 姚直书. 钢纤维混凝土主要力学性能试验及其应用[J]. 煤矿现代化，1995(1):25-27.

[10] 张广泰，陈浩，郭锐，等. 纤维混凝土高温性能及作用机理研究综述[J]. 混凝土与水泥制品，2016(1):62-68.

Effect of cooling method on mechanical property of steel fiber reinforced high-strength concrete after high temperature

YANG Dan-dan1, ZHANG Ming2, SONG Shuai-qi3, ZHANG Qing-wei2
(1.AnyangInstituteofUrbanPlanning&Design,Anyang455000,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnyangNormalUniversity,Anyang455000,China; 2.HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

In order to determine the effects of cooling method on steel fiber reinforced high- strength concrete after the high temperature, by mechanical properties test of steel fiber reinforced high-strength concrete after high temperature, the effects of the use of natural cooling and water cooling on the basic mechanical properties such as compressive strength, tensile strength, flexural strength after high temperatures was studied. The results showed that compressive strength, tensile strength, flexural strength of steel fiber reinforced high-strength concrete with increasing temperature has reduced to different extents. Mechanical properties by using water cooling method were significantly lower than by using natural after cooling intensity. At the same time, steel fiber could effectively reduce the possibility of concrete burst at high temperatures and water cooling. Steel fiber could maintain the integrity of the concrete better and withstand a certain load after high temperature.

steel fiber; high-strength concrete; mechanical property; high temperature; cooling method

2016-11-03

国家青年自然科学基金项目(51308504)；河南省高等学校重点科研项目(17A560001，16A560027)

杨单单(1982—)，女，河南安阳人，工程师。

1674-7046(2017)02-0015-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.003

TU528.31

A