外掺短切纤维对TRC基体高温力学性能的影响

The effect of chopped fibers on the mechanical properties of TRC matrix at high temperature

摘要

为提高传统纤维编织网增强混凝土（TRC）中基体材料的高温力学性能，提出外掺短切纤维至TRC材料的基体中。为明确短切纤维对TRC基体材料高温后力学性能的影响规律，开展其高温后的力学性能试验，并考虑纤维掺量、纤维种类和高温处理时间等因素的影响。研究结果表明，短切钢纤维和碳纤维的加入能有效提升TRC基体试件常温及高温后抗压强度和抗折强度，特别是短切钢纤维的加入能有效改善试件高温后的抗压强度，较对照组而言，其提高幅度为40%~50%；而外掺短切聚丙烯纤维对TRC基体材料的残余力学性能产生不利影响。此外短切纤维的掺入对试件相对残余抗折强度的影响较小。

Abstract

In order to improve the high temperature mechanical properties of matrix for textile reinforced concrete (TRC), the addition of chopped fibers to the TRC matrix was proposed. To investigate the influence of chopped fibers on the mechanical properties of the TRC matrix after high temperature, the residual mechanical properties tests were conducted, taking into accouint such key factors as fiber content, fiber types and high temperature time. The results show that the addition of chopped steel fiber and carbon fiber can improve the compressive strength and flexural strength of the fine concrete both at room temperature and after high temperature. Among these chopped fibers, the addition of chopped steel fiber had the best effect on the residual compressive strength of the specimens, which was 40%~50% higher than that of the control group. The incorporation of chopped polypropylene fiber had an adverse effect on the mechanical properties of the specimens after high temperature. The way of adding chopped fibers had little effect on the relative residual flexural strength of the specimens.

Graphical abstract

关键词

TRC基体材料 / 高温 / 短切纤维 / 残余力学性能

Key words

TRC matrix / high temperature / chopped fibers / residual mechanical properties

纤维编织网增强混凝土(Textile reinforced concrete，TRC)是由多轴定向非金属纤维编织网和无机水泥基体材料组成。作为一种纤维增强复合材料，TRC具有承载力高、耐腐蚀、韧性好等优点，其构件保护层厚度仅需满足纤维编织网的锚固要求，特别适合制成薄壁轻质构件，在建筑结构领域具有广泛的应用前景^[1-2]。

水泥基体材料作为TRC的重要组成部分，其与纤维编织网间的协同工作性能将影响TRC构件的工作机制。为提高TRC构件的力学性能，诸多学者针对TRC的基体材料开展了系列研究^[3-8]。在国内，徐世烺等^[4]提出了适合用作TRC基体材料的配合比，并将该类基体称为精细混凝土。该类混凝土最大骨料粒径较小(≤1.2 mm)，具有自密实、不离析、高强、流动性佳等特点，既能充分渗透纤维编织网，与纤维网形成受力整体，也可方便施工。基于该配比，尹世平等^[5]进行了精细混凝土的棱柱体单轴抗压强度试验，研究结果表明，该类混凝土的弹性模量低于相同抗压强度的普通混凝土。Yao等^[6]采用超高性能混凝土作为TRC的基体材料，该种结合方式能有效提高纤维编织网的工作效率，改善TRC构件的强度和延性。为实现TRC快速加固混凝土构件，张汉振等^[7]制备了改性后的早强类硫酸镁水泥砂浆作为TRC的基体材料，并研究了该类基体材料与纤维编织网之间的界面粘结性能。曾晨^[8]则研究了纤维编织网增强轻骨料混凝中基体配合比的设计，较传统TRC基体材料而言，该类轻骨料混凝土的密度降低了30%~40%。

建筑结构所受各类灾害中，以火灾最为频繁，其耐高温性能将直接影响到人民的生命和财产安全。TRC基体材料（如精细混凝土等）作为建筑结构的重要组成部分，其耐高温性能必须得到重视和保证^[9-11]。至今为止，国内外关于TRC基体材料耐高温性能方面的研究报道相对较少。沈玲华等^[12]研究了以高铝水泥为主要胶凝材料的TRC基体高温后力学性能，旨在改善TRC中基体材料的耐高温性能。研究表明，当目标温度为800 ℃时，试件残余力学性能仅为常温下的10%~20%。通过改变水泥基材料的种类，TRC基体材料的耐高温性能有所提升，但是存在高铝水泥性能不稳定、后期强度无法得到保障等缺点。

为进一步改善TRC构件的高温力学性能，提出外掺短切纤维的TRC基体砂浆，研究其在不同时间的高温作用后力学性能的变化规律，为合理设计TRC基体砂浆、提高其耐高温性能给出建议，为TRC结构在实际建筑工程中的防火性能与设计提供试验依据。

1 试验概况

1.1 原材料

试验原材料包括水泥、粉煤灰、硅灰、减水剂、砂、短切纤维等，表1给出了试验研究的6组TRC基体砂浆的配比组分和比例。对照组OPC的配比见表1^[4]，水泥选用PⅡ 52.5R硅酸盐水泥，减水剂选用Sika三代，为确保骨料级配的均衡分配，选择两种粒径的细骨料，即0~0.6 mm和0.6~1.2 mm，并设定二者的重量比为1∶2。图1给出了不同短切纤维的形态，其中短切纤维几何特征参数和基本力学性能见表2。

1.2 试件制作与加载方式

试验共制备了54个混凝土试件，试块尺寸均为40 mm×40 mm×160 mm，根据表1中试块编号进行分组，每组3个试件，成型试件形貌见图2。试件制备过程如图3所示，先将水泥、硅灰、粉煤灰等胶凝材料与粗砂(0.6~1.2 mm)充分混合搅拌，并加入细砂(0~0.6 mm)搅拌1 min后，加入水和减水剂，充分混合后加入纤维等，搅拌2 min后倒入模具。试件浇筑完成1 d后成型拆模，在标准养护28 d后进行试验。考虑的变量有外掺的纤维种类（碳纤维、钢纤维以及聚丙烯纤维），纤维掺量(0.5%和1.0%)和不同高温处理时间(0.5 h和0.75 h)等。

由于TRC基体砂浆中骨料的最大粒径不超过1.2 mm，故按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)^[13]的相关规定对基体砂浆的力学性能进行测试。抗折强度试验采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试块，试验仪器如图4所示。根据GB/T 17671—2021规范，通过加载头(40 mm×40 mm)形式，采用抗折强度试验折断后的棱柱体残块进行立方体抗压强度试验，即抗压强度试验中试件尺寸为40 mm×40 mm×40 mm。试验过程中采用2.5 kN/s力控制进行加载，试验仪器如图5所示。

1.3 温升设备及升温曲线

升温设备采用的是可编程高温试验炉SXF-12-10，试验仪器如图6(a)所示。开展高温试验前，先将试件放入设定温度35 ℃电热鼓风干燥箱中干燥3 h，随后开展高温试验，达到设定时间后将试件取出，自然冷却后，进行残余力学性能试验。采用标准升温曲线ISO-834进行升温处理^[14]，其表达式如下：

T_{\mathrm{g}}-T_{\mathrm{g}}^{\mathrm{0}}=\mathrm{345}\mathrm{l}\mathrm{g}(\mathrm{8}t+\mathrm{1})(1)

其中，t为高温处理的时间，T_g和T_{\mathrm{g}}^{\mathrm{0}}分别为t时刻试件的温度和初始环境温度。基于《建筑设计防火规范》(GB 50016—2023)^[15]中对房间隔墙耐火等级的划分，对试件高温处理的时间设定为0.5 h和0.75 h，分别对应二级与一级耐火极限的要求。图6(b)为可编程高温试验炉中的升温曲线与试验设定曲线的对照图。由图可知，当t超过0.2 h时，炉内实际升温曲线已逐渐趋近于ISO升温曲线。

2 高温后试块表面特征和质量损失

2.1 高温后试块表面特征

本文所浇筑试件高温后均未发生爆裂。表3为高温处理0.75 h后试件的表面特征，由表可知，当高温处理时间较长时，试件边角出现一定程度的疏松现象。

2.2 高温后的质量损失率

经过高温后，TRC基体砂浆内部会发生一系列的物理和化学反应，导致试件质量发生变化。高温对TRC基体砂浆质量损失率的影响如图7所示。由图可知，随着高温时间变长，各组试件的质量损失率均有一定程度的提高。图8为各组试件的质量损失率随高温处理时间的变化规律。从图中可知，当高温处理0.5 h后，试件质量损失幅度较大，其质量损失率高达10.1%~12.1%，表明当高温处理时间为0.5 h时，试件内部自由水和结合水大部分均已流失，短切碳纤维和钢纤维均已发生氧化反应，而聚丙烯纤维已熔融。上述过程中，质量损失率最大的试件组为S100P50，这是因为聚丙烯纤维的熔点一般低于200 ℃，因此，当高温时间为0.5 h时，纤维熔融产生孔洞，引起内部水分快速释放，造成试件质量损失率偏高。当高温处理时间增加至0.75 h，质量损失率的范围为11.9%~13.0%，其中S50组试件质量损失率最小，而C100组试件质量损失率最大。可见不同类型的纤维对试件质量损失率的影响各不相同，这可能与不同类型的纤维在高温作用下发生的化学反应密切相关。在高温有氧环境下，钢纤维的微观形貌特征表观为氧化产物凹凸不平的附着，而碳纤维则呈现出不同程度的高温劣化损伤(图9)^[16]。对于纤维掺量而言，0.75 h高温处理后，相比C50或S50组试件，C100和S100的质量损失率略有提高，表明同类型纤维的含量增多造成了质量损失率的增大(图7(c)~(f))。

3 试验结果分析

3.1 残余抗折强度试验结果分析

图10给出了不同高温处理时间后各组试件抗折强度平均值及标准差，其中f_cf代表抗折强度。图11分析了各组试件常温及高温后抗折强度和相对抗折强度的变化，其中f_{\mathrm{c}\mathrm{f}}^{\mathrm{0}}代表常温下的抗折强度。由图可知，随着高温处理时间的增加，各组试件的抗折强度下降趋势明显，下降幅度在69%~82%之间。当高温处理时间由0变化至0.5 h时，各组试件中抗折强度退化幅度最高已达71%，表明高温作用对试件抗折强度的影响较为敏感。较对照组OPC试件组而言，外掺短切纤维对试件残余抗折强度和相对残余抗折强度的最大提高幅度分别为273%和19%，表明外掺短切纤维能较好地改善试件的残余抗折强度，但对相对残余抗折强度的影响并不大（图11）。

外掺的纤维种类对残余抗折强度的影响规律。当高温处理0.5 h后，外掺钢纤维组S100和碳纤维组C100较对照组而言残余抗折强度分别提高了267%和44%；当高温处理时间为0.75 h时，外掺钢纤维组S100和碳纤维组C100较对照组而言残余抗折强度分别提高了273%和47%，但外掺短切聚丙烯纤维组S100P50较试件组S100而言，其残余抗折强度下降了33%。上述现象表明以下两点：1) 纤维种类对试件高温后抗折强度的影响不同。在相同掺量下，短切钢纤维比短切碳纤维对试件残余抗折强度的提升效果更好，这可能与高温下纤维的劣化性能密切相关。而试件组S100P50残余强度的降低可归因于聚丙烯纤维高温熔融余留的孔洞，劣化了混凝土的密实程度，对试件的抗折强度产生了不利作用。2) 当纤维掺量为1.0%时，高温处理时间对外掺短切钢纤维和碳纤维试件残余抗折强度的提升幅度的影响较小。

外掺的纤维掺量对残余抗折强度的影响规律。较C50组试件而言，C100组试件的残余抗折强度和相对残余抗折强度的提高幅度分别为23%~29%和15%~22%；较S50组试件而言，当高温处理时间由0.5 h增至0.75 h时，S100组试件的残余抗折强度分别提高了98%和20%。表明随着高温处理时间变长，外掺钢纤维掺量对试件抗折强度的改善效果逐步减弱。

3.2 残余抗压强度试验结果分析

图12给出了不同高温处理后各组试件抗压强度平均值和标准差，其中f_cu代表抗压强度。图13所示为常温及高温后试件抗压强度和相对抗压强度的变化，其中f_{\mathrm{c}\mathrm{u}}^{\mathrm{0}}代表常温下的抗压强度。可以看出，抗压强度受高温影响显著，基本呈线性下降趋势，最大降低幅度为79% (图13(a))。当高温处理0.5 h后，采用外掺短切纤维的方式未能有效改善试件的残余抗压强度，但当高温处理时间增至0.75 h时，除试件组S100P50外，其余5组试件的高温后抗压强度均高于对照组试件OPC，其中试件组S100的高温后抗压强度值为试件组OPC的1.5倍。

外掺的纤维种类对TRC基体砂浆高温后抗压强度的影响规律。从图13中可知，较对照组试件OPC和试件组S100而言，试件组S100P50高温后的抗压强度和相对抗压强度均较低，该现象表明外掺聚丙烯纤维对提高试件高温后抗压强度和相对抗压强度的效果不佳。当高温处理时间为0.5 h时，外掺短切钢纤维组S100和S50的残余抗压强度较同掺量的C100和C50而言分别提高了19.1%和15.9%；当高温处理时间为0.75 h时，外掺短切钢纤维组S100和S50的残余抗压强度较同掺量的C100和C50试件分别提高了31.8%和27.1%。由以上结果可知，短切钢纤维的掺入比短切碳纤维对残余抗压强度的改善更有利。其原因可能如下：1) 钢纤维的热传导系数优于碳纤维，高温作用下试件内部温度迅速趋于均匀状态，在某种程度上减少了因温度梯度产生的热裂纹^[17-18]。2) 由图9可知，较钢纤维而言，高温后碳纤维劣化程度更为严重，故外掺碳纤维组中纤维的桥联和阻裂作用随高温处理时间增长而逐步减弱。

外掺的纤维体积掺量对TRC基体砂浆高温后抗压强度的影响规律。较试件组S50而言，S100抗压强度在常温下和高温0.5 h及0.75 h后分别提高了6.3%、7.8%和5.7%，表明在设定的掺量范围内，增加钢纤维掺量可小幅度改善TRC基体砂浆的残余抗压强度。对于外掺短切碳纤维试验组，试件组C100常温下、高温处理0.5 h和0.75 h后的抗压强度分别是试件组C50的93%、1.05倍和1.02倍，表明在参数范围内，提高短切碳纤维掺量对TRC基体砂浆的残余抗压强度改善影响不大，这可能是由于碳纤维在温度高且局部有氧的环境下易发生氧化而导致性能劣化。

4 结论

残余力学性能被视为评估材料在高温环境下性能优劣的关键参数之一。针对纤维种类、掺量、高温处理时间等因素对TRC基体砂浆力学性能的影响规律进行了深入探讨，通过上述研究，得到以下结论：

1) 纤维种类对各组试件的质量损失率影响较大。当高温处理时间为0.5 h时，各组试件的质量损失率大幅增加；当高温处理时间为0.75 h时，外掺钢纤维的试件组质量损失率最低，而外掺短切碳纤维的试件组质量损失率最高，且同类型纤维掺量越多，试件的质量损失率越高。

2) 掺入短切纤维对提高试件常温及高温后的抗折强度起到有利作用，但对相对残余抗折强度的影响不大。当高温处理时间为0.75 h时，纤维种类对残余抗折强度的影响程度的大小顺序为：钢纤维组>碳纤维组>复掺钢纤维和聚丙烯纤维组。

3) 当高温处理时间为0.75 h时，各组试件（除了试件组S100P50）的残余抗压强度均优于对照组试件OPC。尤其是经过高温处理作用后，较外掺短切碳纤维而言，采用外掺短切钢纤维的方式对试件抗压强度的提升作用更佳，且该作用随着钢纤维掺量的增多而增强。

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基金资助

山西省基础研究计划自然科学研究面上项目(202303021211131)