不同水泥基材玻璃纤维混凝土耐高温性能的研究

宁夏工程技术NingxiaEngineeringTechnologyVol．15No．4

Dec．2016

文章编号：1671－7244（2016）04－0351－03

不同水泥基材玻璃纤维混凝土

耐高温性能的研究

王艳琼，孟云芳*

（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川

摘

750021）

要：针对混凝土抗火性能较低，遇火灾或高温发生爆裂并且无任何预兆，给工程造成极大损坏。采用普

通硅酸盐水泥、低碱度硅酸盐水泥、耐碱玻璃纤维配制成混凝土，在进行高温试验后检测混凝土的外观变化、质量损失和力学性能，探究不同水泥基材玻璃纤维混凝土的耐高温性能。结果表明，以低碱度硅酸盐水泥为基材的玻璃纤维混凝土具有良好的耐高温性能。关键词：高温；低碱度硅酸盐水泥；耐碱玻璃纤维中图分类号：TU528

文献标志码：A

随着高层建筑及大跨度桥梁和隧道工程的发

展，高性能混凝土得到日益广泛的应用。虽然高性能混凝土具有优良的工作度、较高的抗压强度和耐久性，但其耐高温性能较低以及高温下发生爆裂现象发生依然是人们关注的焦点。因此，对混凝土尤其是在火灾中位于结构表层的混凝土进行防火、耐高温的研究就非常必要[1]。玻璃纤维具有优秀的耐火性以及在混凝土中有很高的阻裂作用，使玻璃纤维混凝土可以作为钢结构、钢筋混凝土构件表面的覆盖材料，可保障混凝土的耐火性，提高结构的耐火度。针对高温条件下混凝土爆裂、力学性能指标下降等缺陷，许多学者[2—6]进行了掺加纤维的尝试，取得了较好的效果。例如，P.Kalifa[2]的研究表明，在高性能混凝土中掺入聚丙烯纤维是避免高性能混凝土火灾下爆裂的途径之一；B.Chen[3]的研究表明，与聚丙烯纤维不同，钢纤维仅可推迟而不能阻止高性能混凝土的高温爆裂。本次研究采用低碱度硅酸盐水泥、耐碱玻璃纤维配制成混凝土，通过高温试验检测玻璃纤维混凝土外观变化、质量损失以及力学性能的研究。

1

1.1

试验原材料及试验方案

胶凝材料（1）水泥。本试验选取两种水泥：①宁夏赛马水

泥有限公司的P.O42.5R级普通硅酸盐水泥，经过

检测，其性能指标满足《普通硅酸盐水泥》（GB175—2007）标准中的规定要求；②宁夏赛马水泥有限公司的P.O42.5（低碱）普通硅酸盐水泥，其各项性能指标与同等级普通硅酸盐相同，主要区别在于低碱水泥通过控制生产原料使水泥中碱含量小于0.6%，且杂质较少，使其水化后碱性物质较少。

（2）粉煤灰。采用宁夏银川热电厂生产的Ⅰ级

经过检测，各项物理粉煤灰，比表面积为0.28m2/g。

性能指标符合国家标准要求。

（3）硅灰。采用上海天恺硅粉材料有限公司生产的920硅粉，外观为灰色粉末，SiO2质量分数为85%~87%。2.2骨料

（1）粗骨料。试验中用到的粗骨料的粒径为4.75~9.5mm、9.5~16mm、16~25mm三个单粒级配的人工碎石，按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52—2006)对骨料进行筛分析检测，计算得到以2∶4∶1的比例配成粒径为5～25mm的连续级配粗骨料。

（2）细骨料。选用宁夏镇北堡的人工水洗山砂作为试验的细骨料，细度模数为2.78。2.3玻璃纤维

本试验所用玻璃纤维来自襄樊汇尔杰玻璃纤维有限责任公司生产的ZrO2质量分数为14.5%的

收稿日期：2016-03-13

作者简介：王艳琼（1989—），女，硕士，主要从事水工结构工程的研究。

*通信联系人：孟云芳（1954—），女，教授，博士生导师，主要从事水工建筑材料的研究，（电子信箱）meng_yf@nxu.edu.cn。

352宁夏工程技术

表2

高温对比试验配合比

第15卷

ARC15-98-12mmL（H）耐碱玻璃纤维。它是一种高耐碱玻璃纤维短切纱，其流动性、集束性、分散性、耐碱性、耐腐蚀和耐久性均较好。其性能指标见表1。

2.4高效减水剂

试验采用安徽佳源建材有限公司生产的JW-VII聚羧酸系高性能减水剂SUNBOPC-1016(20%L)，其为棕色透明液体，符合《混凝土外加剂规范》（GB8076—2008）指标要求。

·ｍ－３）编号水胶比粉煤灰／%硅灰／%砂率/%玻璃纤维／（ｋｇＪＺＹＸＤＪＷＸ

０．３０．３０．３０．３

０１０１０１０

０１．５１．５１．５

３６３６３６３６

０２．７２．７０

注：ＪＺ：基准组；ＹＸ：优选组；ＤＪ：低碱度水泥组；ＷＸ：无纤维组。

3试验方案

普通硅酸盐水泥本文将试验混凝土分为4组：为基材的玻璃纤维混凝土、以低碱度硅酸盐水泥为基材的玻璃纤维混凝土、不加纤维的混凝土、素混凝土。通过对比试验，研究不同水泥基材玻璃纤维混凝土在高温下的力学性能，混凝土的配合比见表2。根据混凝土受高温的物理化学变化[7]情况以及玻璃熔点，设置高温试验加热温度为300，440，600，850，1100℃。由于混凝土试件是经过标准养护28d后取出，此时试件内含有大量的自由水，直接进行高温加热会在高温试验过程中发生爆裂，影响试验结果，所以试件从标准养护室取出后先放入烘箱，在105℃条件下烘干72h，降低试件含水率，保证试验安全，力求试验结果的准确性。

裂缝，其中WX组和JZ组相对较多，DJ组和YX组

几乎没有裂缝，各组混凝土颜色基本无变化，所有试件完整，没有掉渣、剥落等现象。440℃高温后，各组混凝土表面微细裂缝相对增多，但仍不是很明显，表面淡淡浅粉色，试件无掉渣、剥落的现象。600℃后，试件颜色变为灰白色，JZ组和WX组表面裂缝较多且相互贯通，YX组和DJ组裂缝相对增多，但仍不是极为明显贯通，所有试件表面裂缝宽度增大，但无明显的脱落和掉渣现象。850℃高温后，混凝土试件体积较前几组有所增大，可以看到试件轻度疏松，WX组和JZ组出现掉渣现象，所有试件表面裂缝宽度明显增大且相互贯通，表面颜色变为白灰偏黄。1100℃高温后，各组试件表面裂缝密麻，试件看上去明显疏松，颜色浅黄泛绿，裂缝交叉相错，JZ组和WX组外皮掉渣、缺角、剥落、疏松等现象严重，YX组次之，DJ组最为完整。

4

4.1

试验结果

混凝土外观变化

混凝土经过模拟高温火灾后，试件外观变化内容主要包括：试件颜色、表面裂缝、疏松脱落等现象。混凝土经受不同高温后，呈现出不同的颜色、表面裂缝、剥落、疏松等现象。通过对混凝土试块外观的观测，分析其变化规律，可作为火灾温度的判断方法之一，有利于混凝土结构灾后损伤程度的评估，对灾后建筑结构的鉴定和修缮起到指导作用。另外，当混凝土含水量越大，温度升高时，孔隙中的蒸汽压力也随之变大；加热速度越快，混凝土内外层的温度差越大，其温度压力越大，这些都容易造成混凝土爆裂现象。

混凝土遭受高温后，因为所受温度的不同外观也将发生不同程度的变化，见图1。经观察发现，混凝土试件遭受300℃温度后，表面有极少数的微细

表1

项目指标数值

长度／ｍｍ１２

纤维直径／μｍ１４～１７

）密度（／ｇ·ｃｍ－３

２７００

图1各组混凝土不同高温煅烧试验后的外观变化

高温作用后混凝土质量损失

混凝土试件在放入箱式电阻炉之前和经历高温并自然冷却后分别用案秤（测量范围0.1~20kg，测量精度g）称量试件的质量，并计算得到每组试件的质量损失率。表3为各系列试件高温前后的质

4.2

（ER-13耐碱短切玻璃纤维）性能指标玻璃纤维

·ｇ－１）弹性模量（）比表面积（／ｃｍ２／Ｎ·ｍｍ－２

２５０００

８５００

）抗拉强度（／Ｎ·ｍｍ－２

６００～９００

第4期不同水泥基材玻璃纤维混凝土耐高温性能的研究王艳琼等：353

量及质量损失率。由表3可知：

各组混凝土试件在箱式高温电炉内加热后，混凝土所含有的水分不断蒸发，温度越高，水分损失就越多；各组试件质量均逐渐减轻，质量损失率不断增加；4组试件，从300~1100℃，随着温度的升高各组混凝土试件的烧失量在不断增大；在系列高温后，YX组和DJ组试件质量损失率相对较小，WX组损失率最大，JZ组损失率略小于WX组。

表3

玻璃纤维混凝土高温烧失量及损失率

温度

组别

质量/g高温前

高温后

烧失量/g

损失率/%

JZ

23802342381.60300℃

YX23492310391.66DJ23932345482.01WX22982240582.52JZ

23922333592.47440℃

YX23642306582.45DJ24042345592.45WX23212248733.15JZ

23682282863.63600℃

YX23512275763.23DJ24092337722.99WX23392261783.33JZ

238221812018.44850℃

YX235421831717.26DJ237722231546.48WX235922061536.49JZ

2382198839416.541100℃

YX2354202832613.85DJ2362201734514.61WX

2348

1887

461

19.63

4.3

混凝土高温力学性能

高温作用后，混凝土的基本力学性能指标主要包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量和应力、应变关系等。不同温度下混凝土力学性能的研究，为人们进一步分析火灾情况下混凝土构件内部各点的应力分布和评估结构在不同温度下的损伤情况及安全性提供依据。其中混凝土的抗压强度常常被作为基本参量决定着其他的力学性能，并确定混凝土的强度等级和质量标准。一般来说，混凝土的抗压强度和抗拉强度均随着受火温度的增高而降低，当温度大于400℃后近似按线性急剧降低[8]。

混凝土耐高温后抗压强度及劈裂抗拉强度的试验结果见图3~4。由图3~4可知：混凝土在高温加热过程中，除WX组外，其他组抗压强度均较常温下先增大后降低，每个温度下的DJ组强度均高于其他组；劈裂抗拉强度300℃之前急速下降，后

仍继续下降，但下降速率较300℃前变缓，每一组劈裂抗拉强度中DJ组最大。

１１００℃的混凝土在压力机上很快被压碎，但压力机没有自动停下来的趋势，表中所记录为手动操作停止后的抗压强度，方便作图，但不作为试验结论，此处试验结论认为是无抗压强度呈现。

图3混凝土耐高温后抗压强度试验结果

图4混凝土高温作用后劈裂抗拉压强度试验结果

5结论

本文通过高温下混凝土外观变化、

质量损失以及力学性能的研究，探究不同水泥基材、玻璃纤维对混凝土耐高温性能的影响，主要得出以下结论：

（1）300℃后，混凝土试件表面有极少数微细裂缝，颜色基本无变化，试件完整；440℃高温后，混凝土试件表面呈浅粉色，微细裂缝相对增多；600℃后，试件为灰白色，表面裂缝相对增多，且裂缝宽度增大；850℃高温后，试件体积有所增大，有轻度疏松，表面颜色变为白灰偏黄，裂缝宽度明显增大且相互贯通；1100℃高温后，试件表面裂缝密麻，试件看上去明显疏松，颜色浅黄泛绿，裂缝交叉相错。

（2）随着温度的升高，各组混凝土质量损失逐渐增加，玻璃纤维混凝土较素混凝土和无纤维混凝土损失率相对较小，但以普通硅酸盐水泥为基材的混凝土质量损失率略高于以低碱度硅酸盐水泥为基材的混凝土。

（3）高温后各组混凝土抗压强度均有不同程度的降低，温度越高抗压强度越低。同一温度下，低碱度硅酸盐水泥为基材的混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均高于以普通硅酸盐水泥为基材的混凝土强度。

（下转第358页）

358宁夏工程技术第15卷

Researchonthekeytechnologyofeighttrunkcanalliningfromthe

YellowRivertoYanhuandinginShanganning

FENGYouting

（NingxiaWaterResourcesManagementBureau,Yinchuan750001,China）

Abstract：IneighttrunkcanalreconstructionofwaterliftingprojectfromyellowrivertoShanganningYanhuanding,there-constructionschemeforseepagepreventionandantifreezingofcanalliningwereproposedbyfieldinvestigationandcombin-ingthepracticalengineering.Measuresincludingcast-in-placeconcretecurvedsloptoeandpolystyreneboardthermalinsu-lationweretakentoagainstthedamagecausedbyfrostheaving.Meanwhilethemetalgabionstonecageswereusedtore-movethecanalbasedsoilmoistureandeliminatethedrainagefromquicksandslopeslumpingpartinlateralseepagesec-tion.Additionally,suitedmasonrymeasurestolocalconditionswerepresentedonthebasisofcomprehensiveconsideringun-favorablefactorsincludingthefrostheave,slopecollapseandhighundergroundwaterlevelandanalysis.Atlast,somespe-cialtechnicalindexesoncanalliningmasonrywerepointedout.

Keywords：liningtothetransformation；destruction；schemecomparison；technicalrequirements

（责任编辑、校对王德平）

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第353页）

参考文献：

[1][2]

马超.聚酯纤维和玻璃渣混凝土耐高温性能的研究[J].银川：宁夏大学，2013.KALIFAP，CHENEG，GALLEC.High-temperaturebehaviourofHPCwithpolypropylenefibresFromspallingtomicrostructure[J].CementandConcreteResearch，2001，31（10）：1487-1499.CHENB，LIUJ.Residualstrengthofhybrid-fiber-reinforcedhigh-strengthconcreteafterexposuretohightemperatures[J].CementandConcreteResearch，2004，34（6）：1065-1069.

[4][5][6]

[3]

[7][8]

王海，黄静卿，代兵权.改性聚丙烯纤维混凝土耐高温性

能试验研究[J].人民黄河，2011，33（11）：133-134.高超，杨鼎宜，俞君宝，等.纤维混凝土高温后力学性能的研究[J].混凝土，2013（1）：33-36.任延檬，洪亚强，李浩，等.耐碱玻璃纤维混凝土的高温劈裂抗拉性能[J].消防科学与技术，2015，34（9）：1138-1141.

周全会.以烧失量鉴定混凝土受火温度的分析研究[D].重庆：重庆大学，2005.李卫.高温下混凝土强度和变形的试验研究[D].北京：清华大学，1991.

Studyonhightemperatureresistanceperformanceofglassfiberreinforced

concretewithdifferentcementsubstrate

WANGYanqiong，MENGYunfang*

）（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，ＮｉｎｇｘｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ

Abstract:Ｆｏｒｔｈｅｒｅａｓｏｎｔｈａｔｃｏｎｃｒｅｔｅａｌｗａｙｓｈａｓｌｏｗｆｉｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｉｔｂｕｒｓｔｓｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｗａｒｎｉｎｇ，

ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｒｅｄａｍａｇｅｄｇｒｅａｔｌｙ．Ｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｕｓｉｎｇｏｒｄｉｎａｒｙｐｏｒｔｌａｎｄｃｅｍｅｎｔ，ｌｏｗａｌｋａｌｉｎｉｔｙｐｏｒｔｌａｎｄｃｅｍｅｎｔ，ａｎｄａｌｋａｌｉｒｅｓｉｓｔａｎｔｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ｑｕａｌｉｔｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄ，Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｏｎｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｅｍｅｎｔｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｔｈａｔｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｌｏｗａｌｋａｌｉｎｉｔｙｐｏｒｔｌａｎｄｃｅｍｅｎｔａｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｈａｓｇｏｏｄｈｅａｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Keywords：ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｌｏｗａｌｋａｌｉｎｉｔｙＰｏｒｔｌａｎｄｃｅｍｅｎｔ；ａｌｋａｌｉｒｅｓｉｓｔａｎｔｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ

校对（责任编辑、王德平）