李曈，張曉東，劉華新，范錦澤，陳晨

高溫后混雜纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李曈，張曉東，劉華新，范錦澤，陳晨

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

為研究高溫后玄武巖?纖維素混雜纖維混凝土的力學(xué)性能，對(duì)不同溫度條件下?lián)饺氩煌鋷r纖維長(zhǎng)度的混雜纖維混凝土進(jìn)行抗壓及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立不同玄武巖纖維長(zhǎng)度下混雜纖維混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度和相對(duì)抗折強(qiáng)度隨溫度變化的關(guān)系式。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出混雜纖維混凝土中玄武巖纖維的最佳長(zhǎng)度范圍。研究結(jié)果表明：素混凝土的抗壓強(qiáng)度在200 ℃時(shí)達(dá)到峰值，而混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度則是在400 ℃達(dá)到最高；素混凝土及混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì)，800 ℃后，素混凝土與混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度殘余率分別僅為22.3%及26.9%。

高溫；混雜纖維混凝土；力學(xué)性能；BP網(wǎng)絡(luò)

火災(zāi)事故中如何減少經(jīng)濟(jì)損失、保證人身安全是民用建筑、工業(yè)建筑所必須重視的問(wèn)題?；炷磷鳛榻ㄖY(jié)構(gòu)的主導(dǎo)材料，與木材、塑料制品相比，混凝土不會(huì)由于溫度過(guò)高而釋放有毒氣體；同鋼材相比，其熱傳導(dǎo)率低，即使在800 ℃的高溫條件下，仍然可以在一定時(shí)間內(nèi)保持較高的強(qiáng)度，從而降低了建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。但混凝土結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)時(shí)，極易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，致使混凝土表面發(fā)生剝離，從而破壞了構(gòu)件的完整性，使得混凝土的材料性能發(fā)生劣化[1]。同時(shí)，暴露的鋼筋與深層混凝土在明火的作用下其強(qiáng)度會(huì)迅速下降，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)一步被破壞。因此需要提高混凝土的耐高溫性能。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)摻入單一種類的纖維雖然能有效地提高混凝土的耐高溫性能、克服抗疲勞性能差、易開(kāi)裂等缺陷[2?4]，但存在一定程度的局限性，對(duì)混凝土綜合性能的提高效果一般，致使更多的學(xué)者將研究重心轉(zhuǎn)向了高溫后混雜纖維混凝土的力學(xué)性能研究[5?10]?；祀s纖維混凝土(HFRC)是指將幾種相同種類不同尺寸或不同種類的纖維增強(qiáng)材料混合后摻入混凝土而形成的一種新型復(fù)合材料。李根[11]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)摻入聚丙烯纖維的活性粉末混凝土(RPC)高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)摻入聚丙烯纖維有利于提高RPC的抗爆裂性能，隨著溫度的升高，高溫后RPC的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別在300 ℃和100 ℃達(dá)到最高，隨后降低。楊娟等[12]研究了高溫后混雜纖維對(duì)RPC力學(xué)性能和高溫爆裂性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)高溫后素混凝土與纖維混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度均隨著溫度升高呈先上升后下降的趨勢(shì)。且在一定的加熱速率下，摻入纖維可使部分RPC試塊避免發(fā)生爆裂。Varona等[13]研究了高溫后鋼?聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)混雜纖維混凝土高溫后的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)隨溫度升高而降低的趨勢(shì)。雖然，目前對(duì)高溫后混雜纖維混凝土力學(xué)性能的研究已取得一定成果，但研究大多集中在鋼?聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能，而對(duì)摻入玄武巖?纖維素混雜纖維混凝土的研究并不多見(jiàn)。本文以摻入玄武巖?纖維素混雜纖維混凝土為研究對(duì)象，分析不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)高溫后混雜纖維混凝土力學(xué)性能的影響，為玄武巖?纖維素混雜纖維混凝土的推廣應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用基體強(qiáng)度為C40的混凝土。水泥為“渤?！迸芇.O 42.5級(jí)水泥；摻合料為鞏義市產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為普通河沙，屬中砂；粗骨料為粒徑5~20 mm碎石；拌和水為清潔城市自來(lái)水。減水劑為聚羧酸類高效減水劑，減水率32%；纖維的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 纖維性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

考慮不同溫度條件(20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃)、不同玄武巖纖維長(zhǎng)度(6，18和30 mm)對(duì)高溫后混雜纖維混凝土力學(xué)性能的影響?；炷粱鶞?zhǔn)配合比如表2所示。

表2 基準(zhǔn)組配合比及材料用量

注：NC表示素混凝土；H表示混雜纖維混凝土。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照CECS13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]要求進(jìn)行，立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的試件，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的試件。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)期滿后將試件移出養(yǎng)護(hù)室。

高溫試驗(yàn)：馬弗爐升溫速率為10 ℃/min，設(shè)定溫度分別200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃，待爐內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度后，恒溫1 h后取出，冷卻至室溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土表觀特征

高溫試驗(yàn)結(jié)束后可以觀察到，試件從200 ℃加熱至800 ℃，試件的物理狀態(tài)逐步發(fā)生了改變。在經(jīng)歷不同的高溫作用后，試件的顏色與表面特征產(chǎn)生了不同的變化，如圖1所示。

(a) 20 ℃；(b) 200 ℃；(c) 400 ℃；(d) 600 ℃；(e) 800 ℃

試件遭受200 ℃的高溫后其外觀與常溫條件下基本相同，無(wú)明顯變化；溫度為400 ℃時(shí)，試件顏色有所加深，表面有微裂縫產(chǎn)生；600 ℃時(shí)，試件表觀顏色變淺、細(xì)小裂縫增多；800 ℃后，試件變?yōu)榛野咨?，表面裂縫較多。見(jiàn)圖2。

(a) 600 ℃；(b) 800 ℃

2.2 高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變化

由圖3可以看出，隨著溫度的升高各試驗(yàn)組試件的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，200 ℃時(shí)素混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最高值，而對(duì)于混雜纖維混凝土，其強(qiáng)度卻是在400 ℃時(shí)達(dá)到峰值。在各個(gè)溫度條件下，與素混凝土相比，混雜纖維混凝土均展現(xiàn)出了較好的耐高溫性能，在摻入的玄武巖纖維長(zhǎng)度為18 mm時(shí)，混雜纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最好，400 ℃時(shí)其強(qiáng)度較素混凝土相比提高了36.3%；在600 ℃后，各試驗(yàn)組試件的抗壓強(qiáng)度均明顯下降。在800 ℃后，素混凝土的強(qiáng)度較常溫降低了43.4%，混雜纖維混凝土強(qiáng)度下降幅度相對(duì)較小，纖維長(zhǎng)度為6，18和30 mm混雜纖維混凝土其強(qiáng)度較常溫分別降低了41.2%，39.4%和42.3%。

從圖4可以看出，200 ℃時(shí)，各試驗(yàn)組試件的抗壓強(qiáng)度殘留率都有所提高；400 ℃后，素混凝土的抗壓強(qiáng)度殘余率有所下降，但此時(shí)，不同纖維長(zhǎng)度(6，18和30 mm)的混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度殘余率達(dá)到最大值，分別為109.9%，111.3%和109.6%；在同一溫度條件下，各試驗(yàn)組混凝土抗壓強(qiáng)度殘余率都呈如下規(guī)律：素混凝土(NC)＜纖維長(zhǎng)度為30 mm的混雜纖維混凝土(H30)＜纖維長(zhǎng)度為6 mm的混雜纖維混凝土(H6)＜纖維長(zhǎng)度為18 mm的混雜纖維混凝土(H18)，即當(dāng)摻入的玄武巖纖維長(zhǎng)為度為18 mm時(shí)，混雜纖維混凝土的耐高溫性能最好。

圖3 高溫后各試驗(yàn)組試塊的抗壓強(qiáng)度

將不同玄武巖纖維長(zhǎng)度的混雜纖維混凝土高溫后的抗壓強(qiáng)度與其常溫條件下抗壓強(qiáng)度相比，得到相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的關(guān)系曲線，如圖5所示，由圖5可得混雜纖維混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度與溫度的擬合關(guān)系式：

素混凝土：

(R=1) (1)

H6：

(R=1) (2)

H18：

(R=1) (3)

H30：

(R=1) (4)

利用 SPSS 的多元非線性回歸分析模塊對(duì)高溫后混雜纖維混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析?？紤]溫度、玄武巖纖維長(zhǎng)度作為混雜纖維混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響因素，建立高溫后混雜纖維混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型：

(R=0.98) (5)

式中：為玄武巖纖維長(zhǎng)度，m。

圖5 高溫后混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度

2.3 高溫后混凝土抗折強(qiáng)度變化

由圖6和圖7可知，各組試件的抗折強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度殘余率均隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)，800 ℃時(shí)達(dá)到最低，此時(shí)，素混凝土的抗折強(qiáng)度為1.16 MPa，抗折強(qiáng)度殘余率僅剩22.3%，混雜纖維混凝土H6，H18和H30的抗折強(qiáng)度分別為1.54，1.67和1.48 MPa對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度殘余率分別為25.6%，26.9%和25.1%；混雜纖維混凝土展現(xiàn)出了更為良好的耐高溫性能。

圖6 高溫后各試驗(yàn)組試塊的抗折強(qiáng)度

圖7 高溫后各試驗(yàn)組試塊的抗折強(qiáng)度殘余率

將不同玄武巖纖維長(zhǎng)度的混雜纖維混凝土高溫后的抗折強(qiáng)度與其常溫條件下抗折強(qiáng)度相比，得到相對(duì)抗折強(qiáng)度隨溫度變化的關(guān)系曲線，如圖8所示，由圖8可得混雜纖維混凝土相對(duì)抗折強(qiáng)度與溫度的擬合關(guān)系式：

素混凝土：

(R=1) (6)

H6：

(R=1) (7)

H18：

(R=1) (8)

H30：

(R=1) (9)

考慮溫度、玄武巖纖維長(zhǎng)度作為混雜纖維混凝土相對(duì)抗折強(qiáng)度的影響因素，建立高溫后混雜纖維混凝土的相對(duì)抗折強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型：

(R=0.989) (10)

式中：為玄武巖纖維長(zhǎng)度，m。

圖8 高溫后混凝土的相對(duì)抗折強(qiáng)度

2.4 機(jī)理分析

高溫后混凝土及纖維混凝土的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化，究其原因大致可分為2個(gè)方面：一是混凝土自身原因，另一個(gè)是外部因素[15]。200 ℃之前，隨著混凝土基體中自由水及物理結(jié)合水的逐漸蒸發(fā)，水泥砂漿與骨料間的黏結(jié)應(yīng)力得以增強(qiáng)，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，水泥砂漿中的水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣發(fā)生脫水，向外逃逸的水蒸氣擴(kuò)展了混凝土原有的內(nèi)部裂縫，進(jìn)而對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，孔隙水完全蒸發(fā)，基體內(nèi)部裂縫再次擴(kuò)展，混凝土發(fā)生宏觀破壞，力學(xué)性能顯著下降。800 ℃時(shí)，石灰?guī)r骨料開(kāi)裂，并伴隨由二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生，致使混凝土強(qiáng)度再次降低。

而對(duì)混雜纖維混凝土而言，基體中均勻亂向分布的纖維素纖維單絲，能夠形成有效的空間網(wǎng)狀體系。纖維素纖維熔點(diǎn)較低，當(dāng)基體內(nèi)部溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，纖維素纖維熔化，從而在混凝土內(nèi)部形成了連通的孔道，降低了因?yàn)樗终舭l(fā)膨脹所形成的內(nèi)部壓力，減少了水蒸氣的擠脹作用，減輕了裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而提高了混凝土的強(qiáng)度；而玄武巖纖維的熔點(diǎn)較高，溫度變化對(duì)本身的力學(xué)性能影響較小，同時(shí)，玄武巖纖維的阻裂作用一定程度上限制了混凝土試件在高溫作用下的體積變化，對(duì)基體內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展起到了限制作用，避免了由于高溫作用導(dǎo)致混凝土爆裂現(xiàn)象的發(fā)生，使得混雜纖維混凝土在高溫條件下有較高的殘余強(qiáng)度。但與此同時(shí)，摻入過(guò)長(zhǎng)的纖維會(huì)在混凝土攪拌過(guò)程中發(fā)生結(jié)團(tuán)，降低了其對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果。故在混凝土中摻入長(zhǎng)度適當(dāng)、摻量合理的混雜纖維可以有效的提高混凝土的耐高溫性能。

3 強(qiáng)度預(yù)測(cè)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)應(yīng)用較為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。利用Matlab的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，建立預(yù)測(cè)模型，考慮溫度條件、玄武巖纖維長(zhǎng)度作為混雜纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行訓(xùn)練分析，訓(xùn)練及預(yù)測(cè)的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 立方體抗壓強(qiáng)度訓(xùn)練值及預(yù)測(cè)結(jié)果

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，模擬訓(xùn)練的結(jié)果具有較高的精度。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)玄武巖纖維長(zhǎng)度為12 mm與24 mm的混雜纖維混凝土在不同溫度條件下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)摻入的玄武巖纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，在800 ℃后，其抗壓強(qiáng)度較素混凝土提高了17.2%。

4 結(jié)論

1) 與素混凝土相比，混雜纖維混凝土展現(xiàn)出了更好的耐高溫性能，800 ℃后混雜纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度較素混凝土分別提高了16.6%和39.7%。

2) 隨著溫度的升高，素混凝土與混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈先上升后下降的趨勢(shì)。素混凝土的抗壓強(qiáng)度在200 ℃時(shí)達(dá)到峰值，而混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度則是在400 ℃時(shí)達(dá)到最高。

3) 素混凝土與混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì)。與常溫條件下相比，800℃時(shí)素混凝土及H6，H18，H30混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度分別降低了77.7%，74.4%，73.1%和74.9%。

4) 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)結(jié)果，得出了混雜纖維混凝土中玄武巖纖維的最佳長(zhǎng)度范圍為12~18 mm。

[1] 黃業(yè)勝. 纖維混凝土高溫后力學(xué)性能與恢復(fù)[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2015. HUANG Yesheng. Mechanical properties and recovery of fiber reinforced concrete after high temperature[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2015.

[2] Lau A, Anson M. Effect of high temperatures on high performance steel fiber reinforced concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(9): 1698?1707.

[3] Chunxiang Q, Patnaikuni I. Properties of high-strength steel fiber-reinforced concrete beams in bending[J]. Cement and Concrete Composites, 1999, 21(1): 73?81.

[4] PENG G F, WANG L, YANG J, et al. Title effect of steel fiber on explosive spalling of high performance concrete subjected to high temperatures[C]// AIP Conference Proceedings. AIP, 2013, 1569(1): 376?379.

[5] 邵蓮芬, 劉華偉. 高溫后纖維混凝土力學(xué)性能研究[J]. 新型建筑材料, 2016, 43(7): 38?41. SHAO Lianfen, LIU Huawei. Mechanical properties of fiber reinforced concrete after high temperature[J]. New Building materials, 2016, 43(7): 38?41.

[6] 李晗. 高溫后混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度[J]. 混凝土, 2012(2): 93?95. LI Han. Compressive strength of hybrid fiber reinforced concrete after high temperature[J]. Concrete, 2012(2): 93?95.

[7] Algburi A H M, Sheikh M N, Hadi M N S. Mechanical properties of steel, glass, and hybrid fiber reinforced reactive powder concrete[J]. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2019, 13(4): 998?1006.

[8] 丁明冬, 杜紅秀. 混雜纖維對(duì)活性粉末混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度的影響[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2017, 36(8): 2763? 2767. DING Mingdong, DU Hongxiu. Effect of hybrid fibers on compressive strength of reactive powder concrete after high temperature[J]. Silicate Bulletin, 2017, 36(8): 2763? 2767.

[9] 劉鑫, 楊鼎宜, 范志勇, 等. 熱?力耦合作用下PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 混凝土, 2018(2): 22? 25. LIU Xin, YANG Dingyi, FAN Zhiyong, et al. Experimental study on compressive strength of PVA fiber reinforced concrete under thermal-mechanical coupling [J]. Concrete, 2018(2): 22?25.

[10] Sanchayan S, Foster S J. High temperature behaviour of hybrid steel–PVA fibre reinforced reactive powder concrete[J]. Materials & Structures, 2016, 49(3): 769? 782.

[11] 李根. 摻聚丙烯纖維活性粉末混凝土高溫后力學(xué)性能研究[J]. 新型建筑材料, 2018, 45(6): 29?32. LI Gen. Mechanical properties of reactive powder concrete with polypropylene fibers after high temperature [J]. New Building Materials, 2018, 45(6): 29?32.

[12] 楊娟, 朋改非. 纖維對(duì)超高性能混凝土殘余強(qiáng)度及高溫爆裂性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2016, 33(12): 2931?2940. YANG Juan, PENG Gaifei. The effect of fibers on the residual strength and high temperature bursting properties of ultra-high performance concrete[J]. Journal of Composite Materials, 2016, 33(12): 2931?2940.

[13] Varona F B, Baeza F J, Bru D, et al. Influence of high temperature on the mechanical properties of hybrid fibre reinforced normal and high strength concrete[J]. Construction and Building Materials, 2018, 159: 73?82.

[14] 大連理工大學(xué). 纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2010. Dalian University of Technology. Standard for fiber reinforced concrete test method[M]. Beijing: China Planning Press, 2010.

[15] 單晨晨, 楊鼎宜, 張?chǎng)吴? 等. 纖維混凝土高溫力學(xué)機(jī)理綜述[J]. 混凝土, 2018(4): 87?90, 94. SHAN Chenchen, YANG Dingyi, ZHANG Xinyi, et al. Summary of high temperature mechanical mechanism of fiber reinforced concrete[J]. Concrete, 2018(4): 87?90, 94.

Experimental research on mechanical properties of hybrid fiber concrete after high temperature

LI Tong, ZHANG Xiaodong, LIU Huaxin, FAN Jinze, CHEN Chen

(School of Civil Engineering and Architecture, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

In order to study the mechanical properties of basalt-cellulose hybrid fiber concrete after high temperature, the compressive and flexural strength tests of hybrid fiber concrete with different basalt fiber lengths at different temperatures were carried out. Based on the statistical analysis of experimental data, the relationship between the relative compressive strength and the relative flexural strength of hybrid fiber reinforced concrete with different basalt fiber lengths was established. The optimum length range of basalt fibers in hybrid fiber concrete was obtained by using BP neural network. The results show that the compressive strength of plain concrete reaches its peak at 200 ℃, while that of hybrid fiber concrete reaches its peak at 400 ℃. The flexural strength of plain concrete and hybrid fiber concrete decreases with the increase of temperature. After 800 ℃, the flexural strength of plain concrete and hybrid fiber concrete remains. The remaining rates are only 22.3% and 26.9% respectively.

high temperature; hybrid fiber concrete; mechanical properties; BP network

TU528

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1171 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190694

2019?08?02

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015020208)

張曉東(1971?)，男，遼寧錦州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事新型土木工程材料理論研究與應(yīng)用；E?mail：843610469@qq.com.com

(編輯 涂鵬)