新型钢纤维增强混凝土材料,可应用于各种建筑物和民用基础设施!

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钢纤维增强混凝土(SFRC)作为一种先进的水泥基复合材料,越来越多地应用于各种建筑和民用基础设施。近年来,建筑业对SFRC的要求越来越高。此外,SFRC的防火性能也引起了人们的关注,因此,人们对SFRC的残余性能进行了大量的研究。本文严格审查了SFRC在高温下的力学性能,包括其残余抗压强度、抗弯强度、抗拉强度、弹性性能、断裂性能和应力-应变关系。详细回顾了SFRC的残余力学性能和钢纤维的作用机制。此外,还讨论了影响混凝土在高温下爆炸性剥落的因素,以及钢纤维对加热混凝土微观结构的影响。研究表明,一般情况下,SFRC在暴露于高温下时表现出比普通混凝土更好的残余力学性能,可以更有效地防止爆炸性剥落的风险。


相关论文以题为“Mechanical Properties and Explosive Spalling Behavior of Steel-Fiber-Reinforced Concrete Exposed to High Temperature—A Review”发表在《Applied Sciences》上。


新型钢纤维增强混凝土材料,可应用于各种建筑物和民用基础设施!


混凝土是一种传统的人造建筑材料。虽然其抗拉强度或脆性较低,但由于其材料来源广泛、可加工性好、强度高、成本低,是建筑业中使用最多的材料。目前,随着建筑业和基础产业的不断发展,高层建筑和地下结构正以惊人的速度增加。但是,由于燃气和电器的广泛使用以及建筑功能的复杂化,这些结构更容易发生火灾。火灾隐患是比较严重的问题。近年来,世界范围内发生在这些结构中的火灾频频见诸报端,严重威胁着人们的人身和财产安全。因此,暴露在高温下的混凝土的残余性能或混凝土在高温下的力学性能越来越引起研究者的关注和讨论。研究发现,混凝土在高温或火灾的作用下,表现出脱水、分解等物理、化学反应,不仅会严重破坏混凝土的微观结构,而且会降低混凝土的强度和刚度,从而引起混凝土的爆炸性剥落和机械衰减。以往的大量研究表明,混凝土内部孔隙蒸汽压力的积累和热应力是影响混凝土强度劣化机理和发生爆炸性剥落的主要因素,在火灾中会显著降低混凝土的力学性能。因此,可以通过加入纤维对混凝土进行加固。


在此背景下,本文报告了有关高温对SFRC的残余力学性能、爆炸性剥落行为和微观结构影响的最新进展。详细介绍了钢纤维对混凝土残余力学性能的影响,总结了现有的混凝土受高温影响的残余力学性能的实验数据。此外,研究人员还讨论了SFRC的残余力学性能,包括抗压强度、抗折强度、抗拉强度、弹性性能、断裂性能和应力-应变关系。他们还介绍了混凝土爆炸性剥落行为的主要影响因素和爆炸性剥落的机理,并在此基础上详细讨论了钢纤维防止高温下混凝土爆炸性剥落行为的作用机制。


残余抗压强度


暴露在高温下的混凝土的残余抗压性能不仅对结构的防火设计,而且对结构的评价和修复都特别重要。关于SFRC的残余抗压强度,已经进行了大量的实验研究。关于SFRC残余抗压强度的一些实验数据如图1所示。如图所示,最高暴露温度与残余抗压强度的关系可分为三个不同的阶段:(1)在初级阶段,当温度范围在室温至400℃之间时,由于高温使水泥水化反应发生得比较充分,SFRC的残余抗压强度略有下降,甚至可能略有上升;(2)第二阶段,当温度从400℃上升到800℃时,SFRC的残余抗压强度明显下降;(3)在最后阶段,当温度超过800℃时,SFRC的残余抗压强度几乎完全丧失。


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图1.钢纤维增强混凝土(SFRC)暴露于高温后的相对抗压强度。


从对比试验数据可以看出,由于利用了钢纤维,混凝土残余抗压强度的衰减得到了有效抑制。Lau和Anson观察到,在105-1200℃的温度范围内,加入体积含量为1%的钢纤维,混凝土的残余抗压强度可提高5%-15%。Xie等人将加入1%体积量钢纤维的试件与不加入钢纤维的试件进行比较,发现前者的抗压强度在200℃时提高了19.4%,400℃时提高了24.3%,600℃时提高了92.9%,800℃时提高了123.2%。当最高暴露温度为900 ℃和1000 ℃时,添加1.0%钢纤维添加剂的28 d样品的残余抗压强度比未添加钢纤维添加剂的样品提高了48%。当温度从20℃提高到800℃时,添加0.5%钢纤维加固的混凝土抗压强度高于对照混凝土。由于混凝土暴露在高温下,基体中的C-S-H发生了水化和脱水,骨料受热时,水泥内部发生了热变形。


此外,水泥孔隙中积累的水产生的孔隙压力是混凝土体积膨胀的关键因素。随着混凝土内部发生的这些膨胀和收缩,裂缝开始出现并逐渐发展,导致混凝土的抗压强度下降。由于钢纤维的桥接裂缝作用,钢纤维应用于混凝土后,混凝土在温度急剧变化或高温环境下的体积变化行为受到限制,混凝土内部发生的缺陷的引发和膨胀减少。同时,其固有的高熔化温度保证了其在高温条件下的良好性能。因此,利用钢纤维可以减少混凝土残余抗压强度的恶化。


混凝土的残余抗压强度受钢纤维体积含量的影响。Chen等人通过实验观察了不同钢纤维含量(0、40、80、120、160 kg/m3)制备的样品在不同最高温度下的残余抗压强度变化规律。如图2所示,随着钢纤维用量的增加,SFRC的残余抗压强度在室温至300℃之间有所提高。但从500~800℃,当钢纤维含量小于80 kg/m3时,SFRC的抗压强度随着钢纤维含量的增加而增加;此外,当钢纤维用量继续增加到160 kg/m3时,SFRC的抗压强度随着钢纤维用量的增加而降低。这种变化趋势得到了Zheng等人的结论支持。当混凝土承受的温度超过900℃时,SFRC残余抗压强度的变化趋势如图3所示,表明当钢纤维含量小于1%时,SFRC的残余抗压强度随钢纤维含量的增加而增加;但当钢纤维含量超过1%时,残余抗压强度随钢纤维用量的增加而降低,混凝土的龄期对这一趋势影响不大。当温度升高到500℃以上时,钢纤维的影响开始变得更加显著;但是,钢纤维含量越高越会引起钢纤维的凝结,导致可用面积减少。此外,水泥和钢纤维之间的热膨胀较大,产生了更多的裂缝,这被认为是随着钢纤维用量的增加,混凝土抗压强度下降的原因。此外,Scheinherrová等人发现,暴露在高温下的混凝土的残余抗压行为受钢纤维涂层类型的影响。


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图2.SFRC的残余抗压强度与温度的关系。


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图3. SFRC的抗压强度与钢纤维用量的关系。


暴露于高温下的SFRC的微观结构


事实证明,高温将严重破坏混凝土的化学成分和微观结构,但加入钢纤维可以在一定程度上改善混凝土的微观结构。通过图4中的SEM观察,Huang等报道,随着温度的升高,钢纤维的直径发生变化,钢纤维中的含氧量增加。这可能是由于钢纤维附近的小孔阻碍了水分的蒸发,基体中积聚了大量的水蒸气,使钢生锈,氧化产物沉积在纤维表面。研究表明,在400℃时,普通混凝土中的微裂缝密度远小于纤维增强混凝土。纤维增强混凝土中的微裂缝主要形成于砂和骨料骨架之间及周围,厚度约为1 mm,而普通混凝土中的微裂缝通常发生在大骨料之间,厚度约为10 mm。研究表明,混凝土的孔隙率随最高加热温度的升高而增大,但SFRC的孔隙率较低,平均孔径比无纤维混凝土小。


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图4. 暴露在200℃(a)和400℃(b)不同高温下的SFRC中纤维的形态。


Ahmad等人研究了高温下钢纤维增强高性能混凝土的基体-纤维界面的微观结构。如图5所示,他们的研究结果表明,随着暴露时间的增加,基体-纤维的粘结强度逐渐降低。此外,SFRC经过一段时间的高温暴露后,基体-纤维粘结力逐渐破裂,从而逐渐降低了钢纤维的活化效率,这可能是由于毛细水的排出和一些水合物在高温下长期分解而产生的收缩。但这只能降低钢纤维对混凝土高温性能的贡献,而不能消除这种影响。一些研究认为钢纤维能改善RPC高温后的微观结构。此外,Chen等人的研究表明,钢纤维对RAC高温暴露后的微观结构有积极影响。


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图5.CRFC(钢纤维增强混凝土)的SEM显微照片


结论


由于钢纤维的桥接裂缝效应和固有的高熔化温度,加入钢纤维后,高温下混凝土的残余抗压强度有明显提高。SFRC的残余抗压强度受钢纤维的体积含量和试样的温度历史,包括加热速度和冷却制度的影响。大多数研究表明,当钢纤维的含量为1%时,发挥的效果最为显著。


当暴露温度小于800℃时,钢纤维能显著提高混凝土的残余抗折强度。超过800℃时,由于钢纤维的氧化和腐蚀作用,钢纤维逐渐失去作用。与混合钢纤维和聚丙烯FRC及单根聚丙烯FRC相比,单根钢纤维FRC的残余抗折强度最高。


混凝土的抗拉强度与其在高温下的爆炸性剥落行为密切相关。SFRC在高温下保持了良好的抗拉性能。随着钢纤维用量的增加,SFRC的残余抗拉强度明显提高。与类型相比,钢纤维的长径比和体积分数对残余抗拉强度的影响更大。


高温对混凝土弹性模量的影响最为显著。SFRC的弹性模量约呈线性下降。此外,钢纤维可以提高RAC的残余弹性性能。


随着暴露温度的提高(400℃以下),混凝土的残余断裂能逐渐增加。钢纤维的存在进一步提高了混凝土的残余断裂能,显著提高了高温暴露后混凝土的断裂韧性。此外,不稳定断裂韧性的提高约为启动断裂韧性的两倍。


随着温度的升高,SFRC应力-应变曲线的前峰和后峰阶段都逐渐变得平缓,峰值应力逐渐减小,峰值应力处的应变逐渐增大。此外,钢纤维的存在还改善了加热混凝土的韧性。


高温下混凝土内部的水蒸气压力和温度梯度引起的热应力是造成爆炸性剥落的主要原因。大多数研究报告指出,加入钢纤维可以降低混凝土爆炸性剥落的风险。钢纤维的存在可以减缓混凝土内部蒸汽压力的积累,降低温度梯度,弥合混凝土内部的微裂缝,提高混凝土的抗拉强度。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/7/2324/htm



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