劉華新 鄭太元

(1.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 210018；2.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧錦州 121001)

當混凝土結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)時，過高的溫度會嚴重影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且極易出現(xiàn)爆裂，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力迅速降低，峰值應(yīng)變加大，耐久性下降，嚴重威脅建筑物的安全性，因此如何提高混凝土在火災(zāi)中耐高溫性能成為現(xiàn)在越來越多的學(xué)者所關(guān)注的課題。已有研究表明[1-7]，在混凝土中摻入玄武巖纖維可以改善其高溫性能，由于玄武巖纖維熔點較高，高溫作用對其影響較小，可以在高溫作用下起到一定的阻裂作用，對于提高混凝土高溫后的抗壓、抗拉等性能有一定的效果。納米材料相對傳統(tǒng)材料在小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)等[8]方面有更好的表現(xiàn)，在混凝土中可以起到填充和增強的作用。Kawashima等通過研究發(fā)現(xiàn)：摻入納米CaCO3后加快了水化反應(yīng)速率，降低了孔隙率，提高了抗壓強度等性能，對于早期強度影響較明顯[9]；Shih等通過納米SiO2對硅酸鹽水泥復(fù)合材料性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)在水泥凈漿中加入適量溶膠態(tài)納米SiO2，可以有效提高其強度[10]。陳剛等通過研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維的摻入能夠改變納米SiO2混凝土的破壞形態(tài)，隨著納米SiO2摻量的增加，鋼纖維納米SiO2混凝土的抗壓強度和劈拉強度均有所提高[11]；Guneyisi等研究了納米SiO2摻量對粉煤灰陶粒自密實混凝土的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著納米SiO2摻量的增加，混凝土的強度提高，摻量為5%較摻量為0%時的混凝土強度提高了20%左右[12]。Chithra等通過采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對納米SiO2混凝土抗壓強度進行預(yù)測，認為摻量在2.0%時最優(yōu)[13]。燕蘭等通過研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)過400 ℃熱處理后，摻納米SiO2的鋼纖維混凝土的抗壓、劈拉、抗折強度較普通混凝土分別提高了35.09%、84.62%、87.23%；且通過SEM分析發(fā)現(xiàn)，在鋼纖維與過渡區(qū)的界面處，致密度有所提高[14]。

近年來，火災(zāi)頻發(fā)對工程結(jié)構(gòu)抗火的要求越來越高，已有的研究大多集中在纖維納米材料復(fù)合增強混凝土的常溫力學(xué)性能研究，對于混凝土結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)時的高溫性能研究較少，且高溫后性能的研究多集中在鋼纖維與納米材料復(fù)合增強混凝土性能的研究，對除鋼纖維以外的其他纖維與納米材料復(fù)合增強混凝土高溫后的力學(xué)性能研究還處在初級階段。為此，通過研究玄武巖纖維增強納米SiO2混凝土在高溫后的抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度，可為纖維材料與納米材料在混凝土中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗采用渤海牌P·O 42.5水泥；采用連續(xù)級配5～20 mm的粗骨料；細骨料為普通河沙，細度模數(shù)為2.53，屬Ⅱ區(qū)中砂；玄武巖纖維的主要參數(shù)見表1；納米SiO2為混凝土專用納米SiO2，其主要參數(shù)見表2；水為普通自來水。

表1 玄武巖纖維主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexs of basalt fiber

表2 納米SiO2主要技術(shù)指標Table 2 Main technical indexs of nano-SiO2

1.2 試驗設(shè)計與配合比

試驗考慮纖維不同摻量和溫度變化對玄武巖纖維納米SiO2混凝土高溫后抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度的影響。玄武巖纖維(BF)摻量為0.10%、0.15%、0.20%，按體積百分比算法摻入到混凝土中，納米SiO2(NS)按膠凝材料總質(zhì)量的1.0%等量替代水泥加入到混凝土中，基于已有學(xué)者對混凝土高溫后的研究[1,15]，試驗設(shè)定溫度為20(對照組),200,400,600,800 ℃，共5種溫度，共設(shè)計5組試驗，試驗分組及配合比見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

試驗采用的抗壓試件和劈裂抗拉試件的尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，抗折試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，不同溫度下的抗壓強度、劈裂強度、抗折強度試驗的試件數(shù)量均為75個(每組試件為3個)，共計225個試件。在高溫試驗中，分別將目標溫度設(shè)定為200,400,600,800 ℃，將試件放入高溫爐中以10 ℃/min的速率升溫至目標溫度，基于已有學(xué)者對于混凝土高溫后試驗的研究[1,15]，達到目標溫度后恒溫1 h，然后取出試塊，使其自然冷卻到室溫，進行力學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土外觀變化

在經(jīng)歷不同溫度作用后，各組混凝土的外觀會發(fā)生一些變化。圖1為NB2組混凝土在經(jīng)歷不同溫度作用后的外觀變化，可以看出，常溫時，混凝土表面呈現(xiàn)青灰色，試件完整；200 ℃時，混凝土表面顏色開始發(fā)生微小變化，顏色由青灰色略微變黃，但顏色同常溫時變化不大，試塊表面無裂紋出現(xiàn)；400 ℃時，混凝土表面顏色變深，并且試塊表面開始出現(xiàn)少量的細小裂紋；600 ℃時，混凝土表面顏色開始變淺，且試塊表面細小裂縫開始增多；800 ℃時，混凝土表面顏色呈現(xiàn)灰白色，表面裂縫較多。

a—20 ℃；b—200 ℃；c—400 ℃；d—600 ℃;e—800 ℃。圖1 不同溫度后NB2組混凝土表觀變化Fig.1 The changes on concrete apparenances of group NB2 after being subjected to different temperatures

2.2 質(zhì)量損失

圖2為各組混凝土的質(zhì)量損失率隨溫度的變化曲線，試驗以尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件進行質(zhì)量損失率測定?？梢钥闯?，隨著溫度的上升，混凝土的質(zhì)量損失率在逐漸增加。在摻入玄武巖纖維和納米SiO2后，混凝土的質(zhì)量損失率較素混凝土有所下降。200 ℃后的質(zhì)量損失率約為1.41%～1.68%，主要是自由水及毛細孔中水的蒸發(fā)，帶走了部分質(zhì)量；200～400 ℃后的質(zhì)量損失率增大較快，400 ℃后的質(zhì)量損失率為5.38%～6.11%，主要原因是混凝土中凝膠吸附水的散失及氫氧化硅的分解；600 ℃后的質(zhì)量損失率為6.54%～7.39%，主要是混凝土中結(jié)合水的繼續(xù)散發(fā)及水化物的分解；800 ℃后的質(zhì)量損失率為7.83%～9.45%，主要原因是高溫后混凝土中C-S-H的分解以及碳酸鈣的分解。

— NB0;— NB1;— NB2;— NB3;— NB4。圖2 混凝土質(zhì)量損失率隨溫度變化Fig.2 Changes in mass loss ratios of concrete with temperatures

2.3 抗壓強度

圖3、圖4給出了各組混凝土的抗壓強度和抗壓強度殘余率隨溫度變化的規(guī)律?？梢钥闯觯弘S著溫度的升高，各組混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。20～400 ℃時，抗壓強度呈現(xiàn)出一定的增長，20～200 ℃時的抗壓強度提高幅度約為0.4%～1.7%，提高幅度非常小。200～400 ℃時的抗壓強度較常溫時提高約為3.5%～6.8%。400 ℃后各組混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，在經(jīng)歷600，800 ℃高溫作用后，強度下降幅度分別為16.0%～22.8%，47.4%～59.2%。

NB0; NB1; NB2; NB3; NB4。圖3 抗壓強度Fig.3 Compressive strength

NB0; NB1; NB2; NB3; NB4。圖4 抗壓強度殘余率Fig.4 Residual ratios of compressive strength

摻入納米SiO2后對混凝土的抗壓強度有提高作用，在經(jīng)歷20，200，400，600，800 ℃后，抗壓強度較素混凝土分別提高了9.7%、10.4%、7.8%、12.2%、7.9%。常溫時，纖維摻量為0.10%、0.15%的玄武巖纖維納米SiO2混凝土抗壓強度較納米SiO2混凝土分別提高了4.9%、3.8%；200 ℃時，分別提高了5.5%、4.0%；400 ℃時，分別提高了7.7%、5.0%；600 ℃時分別提高了13.6%、10.6%；800 ℃時分別提高了28.3%、33.7%。摻量為0.20%的玄武巖纖維對納米SiO2混凝土的抗壓強度產(chǎn)生了不利的影響，在各個溫度下，抗壓強度均低于納米SiO2混凝土，這是由于玄武巖纖維摻量過高時，在攪拌過程中會發(fā)生成團現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土抗壓強度降低。

由圖4可知，隨著溫度的升高，各組混凝土的抗壓強度殘余率變化規(guī)律同抗壓強度相似，也呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在各個溫度條件下，摻量0.10%、0.15%的玄武巖纖維提高了混凝土的抗壓強度殘余率，400 ℃時，各組混凝土抗壓強度殘余率均達到峰值，分別為105.8%、103.9%、106.8%、105.1%、104.2%，600 ℃后，各組混凝土抗壓強度殘余率開始下降，800 ℃時，各組混凝土抗壓強度殘余率均降到最低，分別為41.5%、40.8%、50%、52.5%、43.3%。

將各組混凝土高溫后的抗壓強度與常溫下的抗壓強度相比，得到抗壓強度比隨溫度變化的關(guān)系曲線，如圖5所示。各組混凝土抗壓強度比與溫度的擬合關(guān)系式為：

(1e)

NB0;NB1;NB2;NB3;NB4。圖5 高溫后混凝土相對抗壓強度Fig.5 Relative compressive strength of specimens after being subjected to high temperatures

2.4 劈裂抗拉強度

圖6、圖7給出了各組混凝土的劈裂抗拉強度和劈裂抗拉強度殘余率隨溫度變化的規(guī)律?？芍?，隨著溫度的升高，各組混凝土的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在經(jīng)歷各個溫度后，納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強度較素混凝土分別提高了7.8%、9.4%、6.0%、12.2%、7.7%。常溫時，玄武巖纖維摻量0.10%、0.15%、0.20%的玄武巖纖維納米SiO2混凝土劈裂抗拉強度分較納米SiO2混凝土別提高了3.0%、8.9%、4.0%；200 ℃時分別提高了7.5%、11.2%、5.6%；400 ℃時分別提高了6.5%、7.8%、4.8%；600 ℃時分別提高了3.9%、6.9%、2.5%；800 ℃時分別提高了15.6%、13.5%、7.3%。由此可知，玄武巖纖維的摻入，對于高溫后納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強度有所提高，尤其是在800 ℃時，對納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強度提高效果較好。綜合來看，在各個溫度下，摻量為0.15%的玄武巖纖維對納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強度提高效果較為顯著。

NB0; NB1; NB2; NB3; NB4。圖6 劈裂抗拉強度Fig.6 Splitting tensile strength

NB0; NB1; NB2; NB3; NB4。圖7 劈裂抗拉強度殘余率Fig.7 Residual ratios of splitting tensile strength

由圖7可知，在各個溫度條件下，劈裂抗拉強度殘余率均隨著溫度的升高而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在800 ℃時降至最低，此時，素混凝土的劈裂抗拉強度殘余率僅剩27.6%，納米SiO2混凝土僅剩24.5%；在不同溫度下，玄武巖纖維納米SiO2混凝土均表現(xiàn)出了良好的抗拉能力，纖維摻量為0.15%的玄武巖纖維納米SiO2混凝土在經(jīng)歷800 ℃后，其劈裂抗拉強度殘余率較納米SiO2混凝土提高了14.6%。

將各組混凝土高溫后的劈裂抗拉強度與常溫下的劈裂抗拉強度相比，得到劈裂抗拉強度比隨溫度變化的關(guān)系曲線，如圖8所示。各組混凝土劈裂抗拉強度比與溫度的擬合關(guān)系式為：

(2e)

NB0;NB1;NB2;NB3;NB4。圖8 高溫后混凝土相對劈裂抗拉強度Fig.8 Relative splitting tensile strength of specimens after being subjected to high temperatures

2.5 抗折強度

圖9、圖10給出了各組混凝土的抗折強度與抗折強度殘余率隨溫度變化的規(guī)律。由圖9可知：各組混凝土的抗折強度均隨著溫度的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢。摻入納米SiO2后，混凝土的抗折強度有所提高，在經(jīng)歷各個溫度后，抗折強度較素混凝土分別提高了8.7%、5.3%、18.4%、7.8%、4.3%。常溫時對應(yīng)纖維摻量0.10%、0.15%、0.20%的玄武巖纖維納米SiO2混凝土較納米SiO2混凝土的抗折強度分別提高了8.0%、4.9%、2.9%；200 ℃時分別提高了12.9%、6.1%、2.9%；400 ℃分別提高了13.9%、8.9%、2.2%；600 ℃時分別提高了33.3%、16.4%、6.7%；800 ℃時分別提高了17.2%、11.8%、8.9%。玄武巖纖維的摻入，對高溫后納米SiO2混凝土的抗折強度有所提高，尤其是在600 ℃時，對納米SiO2混凝土的抗折強度提高效果較好。綜合來看，在各個溫度處理后，摻量為0.1%的玄武巖纖維對于納米SiO2混凝土的抗折強度提高效果較為顯著。

NB0;NB1;NB2;NB3;NB4。圖9 抗折強度Fig.9 Flexural strength

NB0;NB1;NB2;NB3;NB4。圖10 抗折強度殘余率Fig.10 Residual ratios tention of flexural strength

由圖10可知:在各個溫度條件下，抗折強度殘余率均隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，在800 ℃時降至最低，此時，素混凝土的抗折強度殘余率僅剩36.2%，納米SiO2混凝土僅剩34.7%；在經(jīng)歷高溫作用后，玄武巖纖維納米SiO2混凝土均表現(xiàn)出了良好的抗折能力，綜合考慮，纖維摻量為0.1%的玄武巖纖維對于納米SiO2混凝土的抗折能力提高最佳，在經(jīng)歷800 ℃后，其抗折強度殘余率較納米SiO2混凝土提高了6.6%。

將各組混凝土高溫后的抗折強度與常溫下的抗折強度相比，得到抗折強度比隨溫度變化的關(guān)系曲線，如圖11所示。各組混凝土抗折強度比與溫度的擬合關(guān)系式為：

(3e)

NB0;NB1;NB2;NB3;NB4。圖11 高溫后混凝土相對抗折強度Fig.11 Relative flexural strength of specimens after being subjected to high temperatures

3 機理分析

由以上分析可知，玄武巖纖維納米SiO2混凝土的力學(xué)性能受溫度和纖維摻量的共同影響，其中，溫度為主要影響因素。在經(jīng)歷200 ℃高溫后，混凝土內(nèi)部的自由水逐漸開始蒸發(fā)，減少了混凝土內(nèi)部孔隙，使結(jié)構(gòu)變得更加密實，進而在一定程度上提高了混凝土的強度，400 ℃高溫后，由于納米SiO2的摻入，可以在混凝土內(nèi)部進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生更多的C-S-H凝膠，這個過程還可以消耗對混凝土強度有不利影響的Ca(OH)2，納米SiO2粒子與水化產(chǎn)物Ca(OH)2在納米粒子表面形成鍵合，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)[14]：

SiO2+mH2O+nCa(OH)2→

nCaO·SiO2(m+n)H2O

(4)

從而使混凝土強度有所提高，經(jīng)過600 ℃高溫后，混凝土強度下降的主要原因是C-S-H凝膠被破壞，大量Ca(OH)2開始分解，使混凝土內(nèi)部孔隙與裂縫增多，導(dǎo)致混凝土強度急劇下降，800 ℃高溫后，混凝土內(nèi)部骨料發(fā)生嚴重破壞，導(dǎo)致剩余強度極低。

玄武巖纖維的摻入，在混凝土內(nèi)部形成三維亂向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以在混凝土內(nèi)部起到“二次加強筋”的作用，進而提高各個溫度下納米SiO2混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度。同時，由于玄武巖纖維的熔點很高，高溫作用對其影響較小，可以在高溫作用下起到一定的阻裂作用，對混凝土基體的裂縫起到一定的限制作用，避免了高溫作用下混凝土發(fā)生爆裂，使得玄武巖纖維納米SiO2混凝土在高溫作用下仍有相對較高的殘余強度。但摻入過量的玄武巖纖維后，產(chǎn)生了不利的影響，降低了混凝土強度，故在混凝土內(nèi)部摻入適量的玄武巖纖維可以提高納米SiO2混凝土的耐高溫性能。

4 結(jié)束語

1)隨著溫度的升高，素混凝土、納米SiO2混凝土和玄武巖纖維SiO2納米混凝土的表面裂縫逐漸增多，質(zhì)量損失率逐漸增大。

2)素混凝土、納米SiO2混凝土和玄武巖纖維納米SiO2混凝土的抗壓強度隨著溫度的變化趨勢為先上升后下降，400 ℃時各組混凝土強度達到峰值，800 ℃后各組混凝土抗壓強度殘余率約為47.4%～59.2%，摻量為0.20%玄武巖纖維對納米SiO2混凝土抗壓強度產(chǎn)生了不利的影響。

3)隨著溫度的升高，素混凝土、納米SiO2混凝土和玄武巖纖維納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。納米SiO2的摻入，提高了素混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度。800 ℃后，納米SiO2混凝土劈裂抗拉強度殘余率僅為24.5%，抗折強度殘余率為34.7%。

4)摻量為0.15%的玄武巖纖維對于納米SiO2混凝土的劈裂抗拉能力提高最佳，在經(jīng)歷800 ℃高溫后，其劈裂抗拉強度較納米SiO2混凝土提高了13.5%，劈裂抗拉強度殘余率提高了14.6%。摻量為0.1%的玄武巖纖維對于納米SiO2混凝土的抗折能力提高最佳，在經(jīng)歷800 ℃高溫后，其抗折強度較納米SiO2混凝土提高了17.2%，抗折強度殘余率提高了6.6%。

5)建立的混凝土強度預(yù)測模型，具有較高的精度。