李 晗，高丹盈，邵 洛

（1.鄭州大學(xué) 新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南 鄭州 450002；2.濱州恒達黃河水利工程維修養(yǎng)護有限公司，山東 濱州 256618）

當(dāng)混凝土建筑結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)高溫時，其穩(wěn)定性和安全性受到影響，對人員生命財產(chǎn)造成損害.已有研究表明[1-8]，混凝土中摻入鋼纖維和聚丙烯纖維能有效改善混凝土高溫性能.納米材料具有小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)等方面具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的特征，應(yīng)用在混凝土中起到納米填充和納米增強的作用，改善混凝土中界面過渡區(qū)性能，優(yōu)化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，增加抗?jié)B透性，控制混凝土中鈣的溶出，有效防止混凝土的各種劣化，提高傳統(tǒng)混凝土材料性能[9-15].

已有的對于摻加納米材料和纖維混凝土的研究大多為常溫時的基本力學(xué)性能方面，對其高溫性能的研究較少.為此，本文研究了鋼纖維和納米SiO2對混凝土在不同高溫后的抗壓、劈拉和抗折強度及其高溫后變形性能的影響.

1 試驗材料及方法

試驗以鋼纖維體積率和納米SiO2摻量（納米材料取代水泥量）為主要參數(shù)，設(shè)計了7種配合比，見表1.試塊制作時，采用P O42.5硅酸鹽水泥，級配良好的中砂，粒徑5～20 mm級配連續(xù)的石灰?guī)r碎石，JKH-1型粉狀高效減水劑.鋼纖維為鋼錠銑削型AM i04-32-600，長徑比34.32，抗拉強度 700MPa.為緩解混凝土高溫爆裂，摻入適量束狀單絲的聚丙烯纖維（PPF），長約19mm，直徑48 m，比重0.91，熔點160℃，抗拉強度276MPa.采用的納米二氧化硅（Nano-SiO2，簡稱NS）為VK-SH30白色粉末狀，雜質(zhì)含量lt;0.5%，平均粒徑30 nm，比表面積 (200±10)m2/g，表觀密度40～60 g/L，燒失量 1%（m/m），pH值5.0～7.0.拌合用水為自來水.

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

測定立方體抗壓強度、劈拉強度采用邊長150mm的立方體試塊，測定抗折強度用100mm×100mm×400mm的梁式試塊.試塊澆筑時，為使納米材料和纖維均勻分散于拌合物中，采用強制式攪拌機拌合并規(guī)范投料和攪拌順序.拌合前，先將水泥、納米材料和減水劑充分混勻.攪拌機潤濕后，加入粗細骨料，干拌1min，接著加入水泥、納米材料和減水劑的混合物，再攪拌1m in.然后沿攪拌機作業(yè)面均勻撒入鋼纖維和聚丙烯纖維，攪拌30 s.隨后加水濕拌1min出料.試塊在振動臺上密實成型，在（20±5）℃的室內(nèi)靜置24 h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后取出自然干燥；然后將試塊放在爐內(nèi)溫度可自動控制的箱式電阻爐中加熱，升溫速率3.3℃/min，達目標(biāo)溫度200℃、400℃、600℃、800℃后恒溫180m in，自動關(guān)機停止加熱，試塊隨爐冷卻至室溫.對于高溫后的試塊，參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和 CECS 13:2009《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，在WHY-3000全自動壓力試驗機上進行試驗.劈拉荷載-橫向變形試驗裝置及方法參照文獻 [16-17]進行.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓性能

由圖1可知，隨溫度升高，各組抗壓強度逐漸降低，且與溫度關(guān)系呈現(xiàn)出基本一致的特征：200℃后抗壓強度略有降低，殘余強度相對值（高溫后強度,與常溫時強度 之比,/ 稱為殘余強度相對值， 為混凝土經(jīng)歷最高溫度）均大于90%；400℃后仍具有較好的抗壓強度，600℃后抗壓強度持續(xù)降低，殘余強度相對值在60～80%；800℃后抗壓強度降低較快.

高溫后復(fù)合摻加纖維和納米材料時的抗壓強度優(yōu)于單摻纖維或納米材料的抗壓強度.復(fù)合摻加時抗壓強度隨鋼纖維體積率的增大呈增大趨勢，摻入 NS高溫后抗壓強度有一定程度提高.400℃高溫后，摻0.5%（SF05），1%（SF1）和1.5%（SF15）鋼纖維抗壓強度較不摻鋼纖維時（NS）分別提高了14.4%，29.9%和19.3%，摻0.5%（NS05），1%（SF1）和2%NS（NS2）抗壓強度較不摻NS時（SF）分別提高了6.4%，11.5%和2.4%；600℃高溫后，鋼纖維體積率1.0%（SF1）抗壓強度較不摻纖維時（NS）提高了44.0%，殘余抗壓強度相對值提高了20.6%.依據(jù)本文試驗數(shù)據(jù)，鋼纖維最優(yōu)摻量為1%，NS摻量1%時對高溫后的抗壓強度增益效果顯著.

2.2 劈拉性能

由圖2、圖3可知，高溫后劈拉強度隨溫度升高明顯降低，400℃前強度損失較少，400℃后損失加劇.與其他摻加鋼纖維系列相比，高溫后單摻1%NS時（NS系列）的劈拉強度最低，可見在混凝土中摻入鋼纖維能有效提高混凝土高溫后的劈拉強度.復(fù)合摻加纖維和納米材料時，隨鋼纖維和納米材料摻量的增大呈增大趨勢，400℃高溫后摻0.5%（SF05），1%（SF1）和1.5%（SF15）鋼纖維劈拉強度較不摻鋼纖維時（NS）分別提高了10.8% ，38.1%和36.3% ；摻0.5%（NS05），1%（SF1）和2%NS（NS2）劈拉強度較不摻 NS（SF）時提高了12.0%，25.8%和5.9%；摻1%鋼纖維和1%NS時高溫后劈拉強度最優(yōu).單摻1%NS在常溫及400℃高溫后，試塊劈裂加載時一開即裂，劈拉荷載-橫向變形曲線無下降段.摻入鋼纖維改變了劈拉破壞形態(tài)，開裂后跨裂縫鋼纖維起到阻裂增強作用，劈拉荷載變形曲線較為完整，下降段平緩.相同目標(biāo)高溫后，復(fù)合摻加1%鋼纖維和1%NS（SF1系列）的劈拉強度和變形性能均明顯優(yōu)于單摻1%鋼纖維（SF系列）或1%NS（NS系列）時.

2.3 抗折性能

由圖4、圖5可知，高溫后抗折強度隨溫度升高明顯降低.400℃高溫后殘余抗折強度約為常溫時的50%，800℃高溫后抗折強度損失率大于80%.摻入纖維和納米材料，常溫和高溫后抗折強度均得到一定程度的改善.600℃高溫后，摻0.5%（SF05），1%（SF1）和1.5%（SF15）鋼纖維抗折強度較不摻鋼纖維（NS）時分別提高了11.9%，84.8%和76.6%；摻0.5%（NS05），1%（SF1）和2%（NS2）NS抗折強度較不摻NS（SF）時提高了16.6%，78.7%和9.8%.常溫時單摻1%NS（NS系列），即未摻鋼纖維梁式抗折試塊破壞時一裂即斷，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，在受荷達峰值荷載前撓度較小，荷載-撓度曲線沒有下降段；摻入鋼纖維后，試塊表現(xiàn)出較好的韌性，峰值荷載提高，荷載-撓度曲線飽滿.由于高溫劣化作用，峰值荷載明顯降低，試塊脆性降低，峰值荷載對應(yīng)撓度較常溫時增大，隨撓度不斷增大，峰值后承載力逐漸減小，下降段逐漸平緩.

3 結(jié)論

1）抗壓強度在400℃前下降緩慢，400℃后下降較快，劈拉強度和抗折強度均隨溫度升高明顯下降.

2）復(fù)合摻加纖維和納米材料，抗壓、劈拉和抗折強度隨鋼纖維體積率增大呈增大趨勢，摻入納米 SiO2各強度指標(biāo)均有一定程度的提高.

3）摻入鋼纖維改善了劈拉和抗折破壞形態(tài)，跨裂縫鋼纖維起到阻裂增強作用，變形曲線完整飽滿，下降段平緩.復(fù)合摻加鋼纖維和納米SiO2劈拉和抗折變形性能均優(yōu)于單摻鋼纖維或納米SiO2.

[1]高丹盈，李晗，楊帆.聚丙烯-鋼纖維增強高強混凝土高溫性能 [J].復(fù)合材料學(xué)報，2013，30（1）：187-193.

[2]董香軍.纖維高性能混凝土高溫、明火力學(xué)與爆裂性能研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[3]Abdul-Hamid JAl-Tayyib，MesferM A l-Zahrani.Use of polypropylene fibers to enhance deterioration resistanceof concrete surface skin subjected to cyclicwet/dry seawaterexposure[J].ACIMaterials Journal，1990，87（4）：363-370.

[4]Peng Gaifei，Bian Songhua，Guo zhanqi，et al.Effect of thermal shock due to rapid cooling on residualmechanical properties of fiber concrete exposed to high temperatures[J].Construction and Building Materials，2008，22（5）：948-955.

[5]Chern JC，Yang H J，ChenHW.Behaviorofsteel fiber reinforced concrete inmultiracial loading[J].ACIMaterials Journal，1993，89（1）：32-40.

[6]Balaguru P.Contribution of fibers to crack reduction of concrete composites during the initial and final setting period[J].ACIMaterials Journal，1994，91（3）：280-288.

[7]HolschemacherK，Mueller T，Ribakov.Effectofsteel fibersonmechanicalpropertiesofhigh-strength concrete[J].Materialsand Design，2010，31（5）：2604-2615.

[8]Wang Z，Liu Y，Shen R.Stress-strain relationship of steel fiber-reinforced concrete under dynamic compression[J].Construction and Building Materials，2008，22（5）：811-819.

[9]Sobolev K，F(xiàn)errada-GutiérrezM.How nanotechnology can change the concreteworld:Part1[J].American Ceram ic Society Bulletin，2005，84（10）：7-14.

[10]Tao Ji.Preliminary study on thewater permeability andmicrostructure of concrete incorporating nano-SiO2[J].Cementand Concrete Research，2005，35（10）：1943-1947.

[11]Jo BW，Kim C H，Tae G H，etal.Characteristicsof cementmortarw ith nano-SiO2particles[J].Construction and Building Materials，2007，21（6）：1351-1355.

[12]Chong K P，GarbocziEJ.Smartand designerstructuralmaterialsystems[J].Progressin StructuralEngineeringandMaterials，2002，4（4）：417-430.

[13]Gaitero JJ，Campillo I，Guerrero A.Reduction of the calcium leaching rate of cement paste by addition of silica nanoparticles[J].Cementand Concrete Research，2008，38（8）：1112-1118.

[14]Jennings H M，Bullard JW，Thomas JJ，etal.Characterization andmodeling of poresand surfaces in cementpaste:correlations to processing and properties[J].Journalof Advanced Concrete Technology，2008，6（1）：5-29.

[15]Qing Y，Zenan Z，LiS，etal.A comparativestudy on thepozzolanicactivitybetweennano-SiO2and silica fume[J].JournalofWuhan University of Technology Materials Science Edition，2008，21（3）：153-157

[16]高丹盈，趙軍，湯寄予.摻有纖維的高強混凝土劈拉性能試驗研究 [J].土木工程學(xué)報，2005，38（7）：21-26.

[17]湯寄予，高丹盈，趙廣田.鋼纖維高強砼劈拉強度-變形曲線的測試技術(shù) [J].儀器儀表學(xué)報，2004，25（4）：23-24.