聚丙烯纤维改善高强混凝土高温爆裂机理浅析

聚丙烯纤维改善高强混凝土高温爆裂机理浅析
一、前言
混凝土中掺加纤维并不是近几年才形成的思想，其实纤维补强的雏形在很早之前就已经出现了，例如自制土坯砖的时候，为了增加砖的强度而加入适量的稻草。

不过，那个时候只是简单地利用添加材料改善砖的韧性与强度而已。

现如今，混凝土中掺加适量的纤维以改变混凝土的各种性能已经逐步得到应用，玻璃纤维、钢纤维、合成纤维等掺入混凝土中，可从多方面改善混凝土的物理力学性能。

这其中，聚丙烯纤维由于价格低廉、性能优异、加工工艺简单等特点得到了最为广泛的应用[]。

在我国建筑业迅猛发展的今天，高强混凝土也得到了空前的发展，不过普通高强混凝土脆性大、韧性差、密实度高，在火灾中易于爆裂[]，爆裂现象会导致混凝土构件承载力急剧降低，严重影响混凝土结构的耐火性能和结构安全性，而在高强混凝土中掺加聚丙烯纤维是改善其脆性、韧性及抗火性能的有效措施之一。

二、聚丙烯纤维的物理化学性质
聚丙烯纤维是一种高分子碳氢化合物，其原材料从单体C3H6得来。

Zonsveld通过研究，在其论文[]中指出，聚丙烯纤维有以下性能：
1.熔点低。

聚丙烯纤维的熔点在160～170℃左右，常温下可正常使用，超过100℃的温度下能短时间使用，超过200℃的高温中，可迅速熔化。

2.化学性质稳定。

聚丙烯纤维基本不会与一般常见化学物质发生化学反应，也就是说，对混凝土的组分没有腐蚀作用的化学物质，也不会腐蚀聚丙烯纤维。

3.分子链平行取向。

聚丙烯纤维的这个微观性质有利于纤化纤维的形成，从而使水泥基体能够渗透进各根原纤维之间的网状
结构中，在纤维与基体之间形成机械的粘结。

4.表面疏水性。

表面疏水即是说，聚丙烯纤维在混凝土搅拌过程中不会被水泥浆浸湿，保证了聚丙烯纤维不会像黄麻那样聚集成团，使其可在混凝土中具有良好的分散性。

正是由于聚丙烯纤维具有以上优良性质，才使得其被掺入后，高强混凝土的某些性能得到一定幅度的改善。

高丹盈、李晗等人的研究已经明确，聚丙烯纤维的掺入确实可以有效防止高强混凝土的高温爆裂性能，本文重点探讨聚丙烯纤维改善高强混凝土高温爆裂性能的作用机理，希望能从理论上解释这种现象。

三、聚丙烯纤维改善高强混凝土高温爆裂机理分析
1.高强混凝土高温爆裂机理
高温爆裂是高强混凝土在火灾高温下的一种灾难性的破坏形式，发生在1996年的英法海峡隧道火灾便是最为典型的案例，10h的火灾导致数千米长的高强混凝土发生大面积爆裂，爆裂深度达450mm[]。

目前，对于高强混凝土的高温实验，大多学者都采取模拟现实火灾的方法对高强混凝土进行高温作用。

混凝土自身强度、受火温度、受火持续时间是影响混凝土构件高温后性能的三个主要因素，对受高温后高强混凝土损伤机理的探索研究，是目前业界的热门研究领域，纵观国内外学者的研究成果，高强混凝土的高温爆裂作用机理主要有以下三种理论[]：
1.1蒸汽压机理（The vapor pressure mechanism）：由于混凝土构成材料和制作工艺的原因，其内部实际上含有相当分量的水分，当受到高温或者火灾情况下，这些水分因受热蒸发变成汽态形式，体积急剧增大。

而高强混凝土具有高密实性以及低渗透性的特点，使这些急剧产生的水蒸汽无法及时逸出，从而在混凝土内部产生蒸汽压，当内部蒸汽压聚集到一定数值时，即引发混凝土爆裂。

1.2温度应力理论（The thermal stress mechanism）：热惰性是混凝土材料的又一特性，由于混凝土是一种不可燃烧的材料，
导热系数很小，当混凝土受到高温或者火灾情况下，热惰性导致其内部热量传导不均匀，造成混凝土内部不均匀温度场的产生，在深度方向上产生一定的温度梯度，引起混凝土构件内部应力的变化，伴随温度梯度产生的温度应力最终引起混凝土的爆裂。

1.3热不相容理论（The thermal incompatibility）：混凝土内部并不是单一均匀介质，当混凝土受到高温或者火灾情况下，其内部骨料和浆体之间、混凝土和钢筋之间的物理性能产生不一致变化，而这种变化的产生和发展在高温下相当迅速，从而引起爆裂。

2.聚丙烯纤维混凝土高温抗爆裂作用机理分析
1965年，Goldfein在建造美军工兵部队的防爆建筑中，建议用聚丙烯纤维作为混凝土的掺和料。

在这之后，人们便开始关注纤维对混凝土性能的改善作用[]。

众多学者以及笔者自己的实验研究均表明，聚丙烯纤维掺入混凝土中之后，既呈现三维乱向分布，有时又有不同程度、不同类型的定向性。

常温下，聚丙烯纤维对高强混凝土具有增强、增韧、降低弹性模量的效果[]，高温下合适掺量的聚丙烯纤维对高强混凝土表现出较明显的抗爆裂性能[]。

总结已往国内外对爆裂临界温度的研究成果可以看出，高强混凝土的爆裂临界温度主要集中在350～500℃范围内。

如前所述聚丙烯纤维物理化学性质可知，聚丙烯纤维的熔点大概在160～170℃左右，当高强混凝土受到高温或者火灾情况下，温度达到聚丙烯纤维熔点之后，聚丙烯纤维迅速熔解，并在混凝土中留下相当于纤维体积的孔道。

由于聚丙烯纤维均匀乱向分散于混凝土当中，所留下的孔道势必也是均匀乱向分布于混凝土构件当中，这就为高温引起的水蒸气提供了逸出通道，避免了混凝土内部蒸汽压的聚集升高，从而有效地改善了高强混凝土的高温爆裂性能。

以上理论，既有宏观的实验现象支持，也有学者从微观的角
度进行了研究。

柳献、袁勇等人通过实验在其文献中[]给出了处于熔解过程中的纤维图像，并认为：熔解的纤维将被其周围的固相产物所吸收并进一步挥发，形成连通通道的同时，通过吸收过程连通材料内部原有的封闭孔隙，从而相应的提高了构件高温后的渗透性能，保证了内部水蒸气的及时逸出，达到避免高温爆裂的作用。

四、结束语
随着建筑业的发展，高强混凝土势必是将来发展的趋势，而高强度与高性能的结合，必定是混凝土材料研究的重点方向。

在我国，聚丙烯纤维改善高强混凝土高温后各种性能的研究起步较晚，目前所完成的研究还不够深入和系统，仍将有大量的研究和开发工作亟待展开，聚丙烯纤维混凝土将具有广阔的应用前景。