混杂纤维增强超高性能混凝土高温后性能研究

Study on Properties of Hybrid Fiber Reinforced Ultra-high Performance Concrete after Elevated Temperatures

摘要

为了研究混杂纤维超高性能混凝土（UHPC）在高温作用后的性能变化规律，文章采用宏观力学试验并结合扫描电子显微镜（SEM）分析，研究温度、钢纤维和聚丙烯纤维对UHPC表观变化、质量损失以及力学性能的影响，观察高温后UHPC的微观结构。结果表明，随着温度的升高，UHPC试样的质量损失率逐渐增加，而轴心抗压强度则呈现先上升后下降的趋势。在各个目标温度下，混杂纤维UHPC试样的抗压强度均高于单一钢纤维UHPC试样。其中，钢纤维体积分数为2.00%、聚丙烯纤维体积分数为0.15%的混杂纤维UHPC试样力学性能和抗高温爆裂性能表现最佳。在200 ℃的临界温度下，该试样的抗压强度较常温时提高15.43%。此外，UHPC微观结构的显著变化从宏观角度揭示其力学性能的变化机制。

Abstract

In order to investigate the properties of hybrid fiber ultra-high performance concrete (UHPC) after exposure to high temperatures, the effects of temperature, steel fiber, and polypropylene fiber on the apparent changes, mass loss, and mechanical properties of UHPC were examined through macroscopic mechanical testing combined with scanning electron microscopy (SEM) analysis. The microstructure of UHPC after high-temperature exposure was observed. The results indicated that as the temperature increased, the mass loss rate of UHPC specimens gradually increased, while the axial compressive strength exhibited a trend of first increasing and then decreasing. At each target temperature, the compressive strength of the hybrid fiber UHPC specimens was higher than that of the single steel fiber UHPC specimens. Among them, the hybrid fiber UHPC specimen with a steel fiber volume fraction of 2.00% and a polypropylene fiber volume fraction of 0.15% demonstrated the best mechanical properties and high-temperature burst resistance. At the critical temperature of 200 ℃, the compressive strength of this specimen increased by 15.43% compared with that at room temperature. Furthermore, the significant changes in the microstructure of UHPC revealed the mechanism of its mechanical property changes from a macroscopic perspective.

Graphical abstract

关键词

混杂纤维 / 超高性能混凝土 / 力学性能 / 微观结构

Key words

Hybrid fiber / Ultra-high performance concrete / Mechanical property / Microstructure

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型超高性能水泥复合型材料^[1-2]，因其具有优异的超高强度、高韧性、高体积稳定性和耐久性等优势，被广泛用于桥梁、隧道、超高层结构建设中^[3]。然而，随着UHPC应用范围的不断扩大，其暴露于恶劣高温环境中的概率也相应增加。但目前大量的研究工作主要集中在常温下UHPC的性能研究方面，受实际试验条件等因素的限制，关于UHPC在高温后性能的研究相对较少^[4-5]。作为极具发展前景的材料之一，UHPC高温后的力学性能对火灾后建筑物性能的评估具有重要的参考价值。截至目前，关于普通混凝土与高强混凝土高温性能已有大量试验研究。研究表明，随着温度升高，普通混凝土与高强混凝土的损伤程度愈重，力学性能持续退化，高强混凝土的抗压强度降低速率高于普通混凝土^[6-7]。与其他混凝土相比，UHPC具有更加致密的微观结构、更低的渗透性以及更高的抗压强度^[8]，使其发生高温爆裂概率显著增加。UHPC高温爆裂的危险性，对其在实际工程中的进一步应用和发展造成一定的限制。为改善UHPC在高温环境下的爆裂现象，向UHPC中加入适量钢纤维(SF)或聚丙烯纤维(PPF)能够显著提升其力学性能，有效降低高温爆裂风险^[9-12]。SF具有良好的导热性及热稳定性，能够在高温影响下连接UHPC产生的宏观裂缝^[13]，减少因内外温差造成的温度应力，缓解基体内部缺陷的扩展，从而在一定程度上缓解UHPC高温性能的劣化程度。韩方玉等^[14]研究不同SF掺量的UHPC在200 ℃至800 ℃高温后的力学性能，探究SF的高温拔出机制，以评价高温后UHPC性能的劣化情况。结果表明，当SF的体积分数为2%时，能够确保UHPC具有良好的高温残余抗压强度，在400 ℃时，其抗压强度仍高于常温状态下的抗压强度。此外，对温度、SF掺量与UHPC的抗压强度之间的关系，进行回归分析，得出相关的关系式。RÍOS等^[15]对掺入PPF的UHPC的微观结构进行研究，揭示了PPF抗高温爆裂性能的工作机理以及其高温后的力学性能。结果表明，当温度上升至大约165 ℃时，PPF开始熔化，UHPC的孔隙率随之上升，但仍保持最初大孔径的微观结构。这有助于缓解UHPC基体内部的蒸气压，从而显著降低了其发生高温爆裂的概率，但掺入PPF会导致UHPC高温后力学性能发生一定程度的退化。HUNG等^[16]研究发现，混合掺入体积分数为0.1%的SF、0.5%的PPF或1.0%的PPF的UHPC试样，在1 000 ℃影响下仍能保持一定的完整性。以300 ℃为阈值，UHPC试样的残余抗压强度达到峰值且残余抗压强度比值高达1.8。当温度高于300 ℃时，其残余强度逐渐下降。PPF有助于缓解UHPC高温爆裂现象，但过量的PPF会对UHPC高温后力学性能产生不利影响。

综上所述，上述两种纤维在缓解混凝土高温爆裂方面均发挥积极作用。PPF在缓解其高温爆裂方面相比SF更有效，而SF在提高力学性能方面优于PPF。目前，大量研究主要集中于单一纤维对降低UHPC高温爆裂以及提升其高温后力学性能的作用^[17-18]。然而，混杂纤维增强UHPC在高温后性能演变规律尚未得到广泛报道，需要进一步的研究。

因此，本文研究混杂纤维(SF-PPF)增强UHPC的高温(25~800 ℃)性能，对其表观变化、质量损失和轴心抗压强度进行探究。采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同温度下混杂纤维UHPC微观结构变化，探究其高温后性能退化机理。

1 实验部分

1.1 主要原料

高强硅酸盐水泥，强度等级为P·O 52.5，比表面积为381 m²/kg，28 d抗压强度为61.4 MPa，山东省诸城市九七建材有限公司；硅灰，SiO₂质量分数96.16%，7 d活性指数为105%；高性能聚羧酸减水剂，减水率≥14%，泌水率≤90%，河南省巩义市清洋水处理材料有限公司；高炉矿渣，S95级，28 d活性指数为99%，河南省巩义市百川环保工程有限公司；石英砂细骨料，SiO₂质量分数为99.85%，氧化铁质量分数为0.02%，损失率0.15%，含泥量0.06%，粒径40~70目、70~140目，河南巩义市清洋水处理材料有限公司；钢纤维(SF)，直径0.22 mm，长度13 mm，河北衡水普金方金属材料有限公司；聚丙烯纤维(PPF)，直径48 μm，长度13 mm，河北衡水普金方金属材料有限公司。表1为纤维性能参数。

1.2 仪器与设备

家台车式高温炉，SX2-75-14A，英山县建力电炉制造有限公司；三轴仪，HYAS-1000C；双束扫描电子显微镜(SEM)，北京普瑞赛斯仪器有限公司。

1.3 样品制备

试验前期，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试样对UHPC的抗压强度进行预试验，测得其抗压强度为122.96 MPa，确定抗压强度满足技术标准T/CEC S10107—2020^[19]后，再浇筑36组圆柱体试样(Φ为50 mm，h为100 mm)，每组设置5个平行试样，共180个试样。试验变量包括温度(25、100、200、300、400、500、600、700、800 ℃)和混杂纤维中SF、PPF占混凝土的体积分数。表2为UHPC的配合比，其中减水剂的百分数为占凝胶材料的质量分数。

为了减小试验结果离散性，UHPC与混杂纤维的搅拌过程为：首先，将所有原料(水泥、硅灰、矿渣、石英砂)干混300 s；然后分3次投入SF和PPF，每次投入后，均搅拌90 s；之后分两次投入水和高效减水剂，每次投入后，均湿拌60 s；将所有材料拌合240 s，使材料混合均匀且呈流态；拌合完成后，将试样装模，充分振捣60 s以去除试样中的气泡，静置1 d后拆模，在常温下养护28 d。

1.4 性能测试与表征

1.4.1 高温处理的升温制度

为了降低试样发生高温爆裂可能性。试验前，将试样置于100 ℃烘箱内1 w，使试样内部的含水量降低至原本的4%~6%。采用台车式高温炉进行高温试验。加热速率为3 ℃/min。达到目标温度后，恒温2 h，使试样受热均匀，保证试样中心温度与表面温度一致^[20]。为避免炉内外温差过大，导致试样爆裂，升温结束后，待炉内温度降至200 ℃以下，取出试样，自然冷却至室温后，备用。

1.4.2 性能测试

力学性能测试：采用三轴仪对试样进行单轴压缩试验，轴向加载方式为位移加载，加载速率为0.003 mm/s。

SEM测试：采用双束扫描电子显微镜对高温后UHPC的微观结构进行表征。用导电胶将粉碎、清洗、烘干后的样品贴于制样台，对样品表面进行喷金处理，然后在真空条件下进行测试。

2 结果与讨论

2.1 质量损失

图1为高温处理后UHPC的质量损失与相对质量损失率。从图1可以看出，随着温度升高，高温处理后UHPC的质量损失均增加。在100 ℃之前，所有试样的相对质量损失率小于2%，质量损失较为缓慢，这主要是由于试样内部的自由水蒸发逸出所致。100~500 ℃时，相对质量损失率激增，这是由于试样内部的水化硅酸钙(C—S—H)结合水分解和胶凝水受到高温蒸发所致。当温度超过500 ℃时，相对质量损失率增速减缓。总体而言，试样的质量损失主要源于其内部结合水受高温影响逸出以及当温度大于600 ℃时C—S—H凝胶和CaCO₃的大量分解。试验结果显示，相对质量损失率与纤维掺量相关。当温度相同时，PPF的体积分数越高，试样质量损失率越大。这是由于当温度大于165 ℃时，PPF开始熔化，在UHPC基体内部留下大量释放内部蒸气的孔洞。

2.2 轴心抗压强度

图2为高温处理后UHPC的轴心抗压强度。从图2可以看出，不同纤维掺量试样的轴心抗压强度均可分为初始稳定、退化和完全丧失3个阶段。在临界温度200 ℃之前，试样轴心抗压强度的增加与其内部水化反应加快密切相关；在200 ℃之后，试样基体受到高温影响，导致孔隙内部自由水蒸发。此时，试样经历高温的过程相当于“高温固化”，水泥水化反应更为充分。同时，硅灰和矿渣中的活性物质SiO₂，与水泥水化产物Ca(OH)₂发生火山灰反应，生成C—S—H凝胶。高温高压环境下，C—S—H凝胶会转变成硬硅钙石和托勃莫来石，从而使试样内部更密实，抗压强度提高。

200 ℃时，UHPC0、UHPC0.10、UHPC0.15和UHPC0.20试样的轴心抗压强度分别达到125.39、128.56、132.89、125.20 MPa，相比室温下分别提升14.00%、13.35%、15.43%和10.81%。高温能够强化混杂纤维试样内部的密实性，当掺入体积分数为2%的SF和0.15%的PPF时，抗压强度显著提高，二者表现出最佳的正向协同效应。然而，当UHPC中PPF的体积分数增至0.20%时，抗压强度降低。这是由于大量PPF的掺入导致UHPC内部产生过多的缝隙与孔洞，破坏了UHPC的整体性与密实性，最终导致抗压强度下降。超过临界温度后，试样的轴心抗压强度显著下降。但在300 ℃时，轴心抗压强度仍高于室温，这可能是在略高于临界温度时，再水化反应和火山灰反应得到更充分的发挥。400 ℃时，UHPC0、UHPC0.10、UHPC0.15和UHPC0.20试样的轴心抗压强度相比室温时分别下降11.98%、3.30%、2.05%和5.29%，这归因于试样内部再水化反应进一步减弱以及高温损伤持续增加。600 ℃时，UHPC0、UHPC0.10、UHPC0.15和UHPC0.20试样的轴心抗压强度分别为51.80、75.67、80.86、75.63 MPa，降至初始温度的71.63%、34.58%、30.49%和35.12%。这主要是因为试样基体中由再水化反应与火山灰反应生成的C—S—H凝胶，在高温作用下发生断键松散，同时试样内部基体裂纹增多，孔结构也变得粗化。800 ℃时，轴心抗压强度最小，抗压强度损失超过90%。这是由于高温使得试样内部产生严重裂缝，并且出现多处孔洞，同时钢纤维的氧化脱碳现象也十分严重。

以上研究结果表明，PPF熔化后在基体内部留下多处孔洞，尽管可以缓解试样内部蒸气压，但也增加了其内部缺陷。经历相同温度后，轴心抗压强度损失率的大小顺序为：UHPC0>UHPC0.10>UHPC0.20>UHPC0.15，这表明混杂SF和PPF具有较好的积极作用。掺入体积分数为2%的SF与0.15%的PPF对UHPC高温后轴压强度提升效果最佳。

2.3 高温后试样表观及与微观结构分析

2.3.1 表观结构

通过表观颜色变化可以大致判断建筑物经所受火灾温度，从而为受火灾建筑物的损伤识别和探测提供参考依据。高温试验过程中，不同体积分数纤维的UHPC的表观变化大致相同。图3为不同温度处理后UHPC0.15的表观形貌。从图3可以看出，随着温度升高，试样表观颜色由深变浅，劣化情况逐渐加重。具体如下：25~200 ℃时，试样呈青灰色，表面无明显裂缝；300~500 ℃时，试样呈灰棕褐色，表面裂缝与孔隙开始发展；600~700 ℃时，试样呈灰白色，表面裂纹和孔隙显著，且粉化掉皮现象明显；800 ℃时，试样呈浅红褐色，表面出现大量长宽裂纹和孔隙，剥落现象严重。

此外，高温炉的使用过程中，试样并未发生高温爆裂现象，这可能是因为PPF的掺入为UHPC在高温条件下水蒸气的逸出提供了通道，从而降低了其爆炸性剥落的风险。

2.3.2 基体界面

为进一步研究UHPC高温后劣化损伤机理，采用扫描电子显微镜对基体界面进行观察。图4为不同温度处理后UHPC0.15试件的SEM图片。从图4可以看出，在室温(25 ℃)下，UHPC基体的微观形貌较为密实、完整。这是由于在UHPC的制备过程中，剔除了粗骨料，全部为细集料，同时硅灰和矿渣粉填充了水泥颗粒间的孔隙。当温度低于200 ℃时，UHPC基体的微观形貌呈现出更为致密的状态。这是由于高温后UHPC内部的自由水蒸发，基体呈现“固化”状态。此时，基体内的水泥水化反应和火山灰反应相互促进，该正向效应超过高温对强度产生的不利影响。然而，当温度升至400 ℃时，UHPC基体上开始出现少量网状微裂纹。这主要是因为试样内部的自由水和结合水基本全部蒸发，导致水泥基体开始变得松散，在宏观上，表现为试样的抗压性能相较200 ℃时有所衰退。当温度超过600 ℃后，水泥水化产物发生高温分解，导致基体上出现更多的裂纹和孔隙，基体变得疏松多孔。同时，试样表面出现较多裂纹，使其强度大幅降低。当温度升至800 ℃后，UHPC基体呈现破碎蜂窝状，内部出现大量的宽粗裂纹和孔洞，基体失去原有密实状态，抗压强度损失率超过90%。

2.3.3 纤维-基体界面

图5为不同温度处理后UHPC0.15试件中纤维与基体界面的SEM图片。从图5可以看出，在200 ℃时，SF与基体之间的界面过渡区(ITZ)呈紧密黏结的状态。随着温度的升高，SF与基体界面的裂纹宽度不断增大，界面逐渐变得疏松。同时，SF开始出现炭化现象，这标志着SF的高温劣化过程的开始，试样的抗压强度也随之开始大幅下降。图中展现了SF拔出与断裂两种失效模式。当温度超过165 ℃时，PPF熔融，在基体内部留下多处孔洞，这为试样内部的水蒸气释放提供了通道。然而，内部多处孔洞也增加了UHPC内部的缺陷。

根据SEM的微观形貌观察结果，UHPC基体在高温后微观结构发生变化节点温度为200 ℃。该节点温度之前，试样整体微观结构紧密，形态完整；该节点温度之后，内部水化胶凝产物逐渐变小直至消失，原本紧密的结构逐渐开始展现出高温后劣化的状态。纤维与基体界面随温度变化也存在相同的温度节点，当温度超过200 ℃时，SF炭化现象明显，PPF气化逸出。混杂纤维与基体界面黏结性逐渐减弱，连接处出现裂纹，直至纤维与基体黏结处发生剥落。掺入混杂纤维，有助于在高温后UHPC基体内部留下孔隙通道，高效缓解由于内部各类水气化产生的蒸气压，降低试样高温爆裂的可能性。基体内部多处宽大裂缝和孔洞，导致试样内部结构致密性降低，宏观上表现为力学性能退化。

3 结论

高温后，UHPC试样裂纹宽度增大、孔隙增多，质量损失率上升。试验温度升高，试样颜色变浅，裂纹和孔隙数量增加，质量损失率提高。这源于基体内部水分蒸发、矿物质分解及外表面高温损伤。混杂纤维UHPC的耐高温和抗火性能优于单一纤维UHPC。高温试验中，掺混杂纤维的UHPC试样未爆裂，外表面高温损伤也少于单一纤维UHPC试样。温度变化和纤维掺量等参数影响UHPC试样的受压破坏过程和形态。不同SF和PPF掺量的UHPC试样高温后轴心抗压试验表明，抗压强度随温度提高先升后降，临界温度200 ℃，强度提高10.81%~14.00%。SF的体积分数为2%、PPF的体积分数为0.15%时，强度升至132.89 MPa，正向协同效应最佳。SEM结果显示，温度升高，SF在基体处留下裂缝，PPF熔化形成孔洞，增加了微观孔隙结构，为自由水蒸发逸出提供通路，降低了高温爆裂概率。

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基金资助

国家自然科学基金(52078052)