耐高温纤维

耐高温纤维（精选8篇）

耐高温纤维 篇1

消防员灭火防护服又称消防战斗服,是消防队员执行灭火任务时最基本的防护装备,是保护一线消防官兵人身安全的重要装备之一。消防战斗服的研究是保障消防官兵生命安全的重要技术支持。笔者分析总结近年来消防战斗服用耐高温纤维的研究进展。

1 消防战斗服的阻燃及耐高温技术要求

消防战斗服由阻燃外层、防水透气层、隔热层、舒适层、局部外层加强材 料,以及救生 拖拉带等 部分组合 而成。2014年3月1日实施的CA 10-2014《消防员灭火防护服》行业标准对消防战斗服面料的耐高温性、热稳定性、阻燃等性能要求 较高,所用纤维 须满足阻 燃性能优 异、熔融温度高、机械性能佳、尺寸稳定性好以及服用性能优良等条件。联系实战需要,总结消防战斗服可用的耐高温纤维主要有:芳纶纤维、芳砜纶纤维、聚酰胺酰亚胺纤维、聚苯并咪唑纤维、蜜胺纤维,以及聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚酰亚胺纤维、聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维、聚苯硫醚纤维、酚醛纤维。

表1列出了所述纤维的性能参数、主要应用等。

2 耐高温纤维简介

耐高温纤维按其主链结构可分为:芳香族聚酰胺纤维、芳香族杂环类纤维、芳环杂原子类纤维等。

2.1 芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维简称“芳纶”,主要包括间位芳纶、 对位芳纶及间位芳香族聚酰胺类聚酰亚胺纤维。

2.1.1 间位芳纶(PMIA)

间位芳纶即聚间苯二甲酰间苯二胺纤维,我国称为芳纶1313纤维,由间苯二 胺 (MPD)和间苯二 甲酰氯 (ICI)经界面缩聚或低温溶液缩聚后纺丝制得。其特点是耐高温性能优良,受火时,间位芳纶织物固化、熔融、成炭从而形成保护层,且燃烧时生烟量小,应用广泛。

2.1.2 对位芳纶(PPTA)

PPTA即聚对苯二甲酰对苯二胺 纤维,我国命名 为芳纶1414纤维,是以浓硫 酸为溶剂,经液晶纺 丝制成。 其分子链处于伸直状态,刚性结构的大分子赋予其优异的拉伸强度和耐高温性能。PPTA纤维分为均聚和共聚两种,其中均聚PPTA具有很高 的弹性和 模量,而共聚PPTA的耐化学腐蚀性和耐水蒸气性更强。对位芳纶在高温下不熔融,热收缩也很小,离火自熄,在200 ℃下力学性能几乎保持不变。

PPTA纤维是国外消防战斗服的常用材料。目前主要应用于航空航天和国防工业,除了用作高温防护材料外,还用作防弹材料、耐磨材料、密封材料、复合材料等。

2.1.3 聚酰胺酰亚胺纤维(PAI)

PAI纤维以聚酰胺和酰亚胺基交替键合而成,具有内在、耐久的阻燃性能。其织物导热率仅为其他间位芳纶织物的一半,且生烟量较低,在高温下不熔融、离火自熄,手感柔软、舒适性佳。由于其机械强度较低,通常与其他纤维混纺使用,主要用于军服、防护服、绝热毯等。

2.2 芳香族杂环类纤维

此类耐高温纤维的聚合物分子主链以芳环和杂环为重复的基本结构单元,包括具有刚性棒状结构的PBI纤维、PBO纤维、PIPD纤维,以及聚酰亚胺纤维。

2.2.1 聚苯并咪唑纤维(PBI)

PBI纤维即聚2,2- 间苯撑 -5,5- 二苯并咪 唑纤维,通常采用间苯二甲酸二苯酯(DPIP)和3,3,4,4- 四氨基联苯胺(TAB)等原料缩聚后经干法纺丝制成。PBI纤维耐高温、阻燃性能突出,生烟量小,其织物长时间受火仍能保持完整和弹性,并且具有优良的纺织加工性能和耐化学腐蚀性。PBI纤维可用于制造各种耐高温防护服、消防战斗服,并且由于其高温下无烟低毒特点,可用于航天材料等。

2.2.2 聚对苯撑苯并双噁唑纤维(PBO)

PBO纤维是以4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐和对苯二甲酸为单体,经液晶纺丝而成。其结晶结构不仅使其强度、耐高温、阻燃等性能优异,而且弹性模量极佳,但成本较高。

2.2.3 吡啶环的芳杂环纤维(PIPD)

PIPD纤维(聚(2,5- 二羟基 -1,4- 苯撑吡啶并二咪唑))分子链间存在大量的氢键,具有优异的抗压缩性能,及良好的耐高温和优异的绝缘及耐腐蚀性能,燃烧时只在表面成炭,不熔融,且生烟量很低。

2.2.4 聚酰亚胺纤维(PI)

PI纤维是由酸酐和芳香族二异氰酸酯在二甲基甲酰胺等溶剂中缩聚后,经干法纺丝制成。聚酰亚胺分子链的共轭结构使其具有比芳香族聚酰胺纤维更优的耐高温性能,以及更高的强度和模量。同时,PI纤维还具有优异耐化学腐蚀与耐辐射性。

2.3 芳环杂原子类纤维

在芳香环上引入杂原子或杂原子基团,能进一步提高纤维的加工性能和耐高温性能,此类纤维主要包括芳砜纶和聚苯硫醚纤维。

2.3.1 聚砜基酰胺纤维(PSA)

PSA纤维简称芳砜纶纤维,将对苯二甲酰氯和二氨基二苯砜缩聚后 纺丝加工 而成,分子主链 上带有砜 基。 芳砜纶的耐热、阻燃及尺寸稳定性较好,受火时不熔融、 不续燃、收缩小,且机械性能、绝缘性、化学稳定性及织物加工性能俱佳。

2.3.2 聚苯硫醚纤维(PPS)

PPS纤维是对二氯苯和硫化钠缩聚后经熔融纺丝而成的热塑性纤维,分子主链中带有苯硫基。由于电子云的共轭作用,PPS具有优良的耐高温性、阻燃性、抗化学腐蚀性及良好的介电性能、尺寸稳定性、抗辐射性及纺织加工性能。主要应用于过滤织物、阻燃织物,并可作为造纸毛毡、加固材料等。

2.4 其他纤维

2.4.1 酚醛纤维(PF)

采用热固性树脂制成,制成的酚醛纤维交联度高达85%。由于其三维交联的网状大分子结构,具有杰出的耐高温性、阻燃隔热性、化学稳定性及尺寸稳定性,受火时逐渐成炭,完全炭化后仍保持原有纤维结构。由于该纤维隔热、阻燃、质轻、炭化收缩小等特性,其无纺毡类织物可用于制造消防战斗服的隔热层。

2.4.2 蜜胺纤维(MF)

蜜胺纤维又称三聚氰胺纤维,以三聚氰胺和甲醛在溶剂中缩聚后,通过离心纺丝高温固化成纤。其三维网状结构使其耐高温、阻燃及耐化学腐蚀性俱佳。暴露于火焰中不熔融、收缩小,烟雾密度及毒性较低。由于具有良好的纺织加工性能和穿着舒适性,通常与芳纶等混纺制成消防战斗服等防护纺织品。

3 耐高温纤维的研究进展

3.1 芳香族聚酰胺纤维

近年来对芳纶的研究主要集中在纤维表面性能的改善及新型面料的开发方面。Zou等考察了氦等离子体处理对涂覆有纳米二氧化硅的Kevlar○R纤维的影响,结果表明处理后Kevlar○R纤维表面粗糙度增加、接触角减小,纤维延展性提高。王春霞等的研究表明,常压等离子处理纤维过程中,随着环境湿度的增加,等离子体处理后芳纶与树脂的粘结性增强,但水分对纤维拉伸强度影响不大。 经氟化处理后纤维表面粗糙度增加,从而使其与树脂的粘结性提高,且氟化处理可进一步提高纤维的热稳定性和表面能。

由于聚酰胺酰亚胺纤维的机械强度及紫外辐射稳定性较差,通常与其他纤维混纺使用。

3.2 芳香族杂环类

芳香族杂环类聚合物纤维的耐高温阻燃性能与机械性能俱佳,未来的开发前景较 广阔。PBI面料经不 断改进,其拉伸强度极强,并具有质轻、耐磨、耐腐蚀、高舒适度等特点。

PBO纤维的综合性能优异,但其界面粘结性能较差, 且压缩强度和光稳定性欠佳。氧、氩等离子体处理可对PBO纤维表面产生刻蚀作用,处理后可增加纤维表面粗糙度,提高纤维比表面积,改善与树脂粘结强度,且对纤维强度影响不大。

PIPD纤维的压缩强度及耐高温阻燃等性能比PBO纤维更优。国外学者对其分子内氢键结构进行了深入研究,为以后的纤维改性指引了方向。

我国在聚酰亚胺纤维的生产研发方面发展迅速。已有科研单位利用两步法湿法纺丝技术研发了一种耐高温聚酰亚胺纤维。

3.3 芳香族杂原子类

芳砜纶是我国特有的阻燃纤维,研究发现,虽然芳砜纶综合防护性很强,但燃烧后表面严重脆化,故不适于作为消防战斗服的阻燃外层。有学者利 用纳米ZnO对芳砜纶进 行改性整 理,使ZnO与芳砜纶 分子进行 化学连接,提高其抗紫外老化性能。

聚苯硫醚纤维也是近年来国内研究的热点。已有多种达到了一定的耐化学品渗透性能,且阻燃性、透气性与力学性能良好的织物和耐高温、阻燃、机械性能优良的防护服问世。

3.4 其他纤维

酚醛纤维的断裂伸长低,纤维韧性差,其改性主要集中在增强酚醛纤维的力学性能方面。

蜜胺纤维的纺丝工艺主要有3种:德国的湿法干纺工艺、日本的湿法湿纺工艺、美国的干法纺丝工艺。国内对蜜胺纤维的研究起步虽晚,但进展较快。有学者研制的混纺织物,具有优良的阻燃性能,各项主要技术指标已达到甚至超过了国际同类产品。

4 实验部分

笔者选用酚醛纤维布及酚醛纤维毡进行阻燃及热稳定性测试。采用JF-3型氧指数仪研究了两种酚醛织物的阻燃性能。利用STA6000型同步热分析仪研究了两 种酚醛织物的热稳定性,在空气气氛或氮气气氛下,STA以20 ℃/min的升温速率由40 ℃升至800 ℃,气体流量均为20mL/min。

LOI测试过程中,酚醛纤维织物燃烧时,生烟量几乎为零,无熔融、滴落现象。LOI测试前后 对比如图1所示,图中左侧为酚醛 纤维布样 品,右侧为酚 醛纤维毡 样品。从图1可以看到,酚醛纤维织物燃烧后收缩均较小, 炭化后仍保持原织物结构。表2为酚醛纤维与其他几种常见消防服面料的LOI值对比。酚醛纤维 布的LOI值为34,而酚醛纤维毡的LOI为37,达到难燃接近不燃等级。说明酚醛纤维的阻燃性能优良。

图2、图3分别为酚醛纤维布在空气气氛和氮气气氛下的热失重曲线图,初始热分解温度(5%热失重对应温度)、最大热失重温 度和最大 热失重速 率,如表3所示。 从图3可以发现,40~800 ℃的TG曲线出现了两个失重台阶:278 ℃左右的失重为织物整理剂硅油类物质的 分解所致;398 ℃左右开始出现明显失重,这是酚醛纤维受热分解 ;结合DTG曲线发现 ,579 ℃ 达到热失 重速率峰 值,酚醛纤维迅速氧化分解,失重约70 %,热失重速率为13 ℃/min;650 ℃ 以上酚醛 纤维才基 本氧化分 解完全。 在氮气气氛中,283 ℃左右的失重仍是硅油整理剂的 分解;而酚醛纤维的变化如同普通的炭化过程,其失重速率较空气中缓慢,640 ℃ 左右的最 大失重速 率约为4 ℃/ min,此时失重率为37%;800 ℃时酚醛纤维失重65%。

图4、图5分别为酚醛纤维毡在空气和氮气气氛下的热失重曲线图,可以看出,酚醛纤维毡的STA结果与上述酚醛纤维布的情况差别不大,参数如表3所示。

以上研究表明,在空气和氮气中中酚醛纤维织物的热稳定性均比较好,适合用作消防战斗服。

5 结束语

随着时代的发展及社会的进步,火场环境日益复杂, 对消防战斗服的要求逐渐由单一危险因素防护提高到多种危害因素的综合防护,而消防战斗服的核心技术之一就在于耐高温纤维的改性及耐高温面料的研发。新材料不断开发利用,各种高性能阻燃纤维不断涌现,现有纤维的多种组合面料也为消防战斗服提供了更加多样性和功能性的选择。但现代火灾的复杂性和救援任务的艰巨性对消防战斗服提出了更高的要求,如多功能、轻量化、抗静电、防水透湿等。未来消防战斗服用耐高温纤维的研发及改性将进一步适应新的性能要求。

耐高温纤维 篇2

高温烟气除尘用纤维滤料研究进展

摘要：本文对工程上高温烟气来源进行了分类,对当前高温烟气过滤的核心技术的`耐高温过滤材料的使用现状进行了分析,对高温玄武岩纤维过滤材料进行了重点探讨与展望,指出玄武岩纤维滤材当前在高温烟气过滤行业中急需解决的问题和产业科技成果转化方向.作 者：张小良    沈恒根  作者单位：张小良(上海应用技术学院,土木建筑与安全学院,上海,35;东华大学,环境学院,上海,51)

沈恒根(上海应用技术学院,土木建筑与安全学院,上海,200235)

期 刊：中国安全生产科学技术  ISTICPKU  Journal：JOURNAL OF SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：, 5(5) 分类号：X964 关键词：高温烟气    纤维过滤    过滤材料    连续玄武岩纤维   

耐高温纤维 篇3

随着混凝土技术的发展, 纤维混凝土的产生和应用日益成熟, 尤其以合成纤维混凝土及钢纤维混凝土发展最快, 已被广泛应用于公路路面、机场道面、隧道工程等项目。钢纤维混凝土具有较高的强度和韧性、耐久性和吸收动能能力优异特性, 经过研究与工程实践, 钢纤维混凝土的优良性能已得到全世界广大工程界的认可。合成纤维对防止混凝土早期收缩裂缝, 改善混凝土耐久性、提高混凝土抗冻融循环能力方面的作用十分显著, 因此合成纤维混凝土在各工程领域也正在被广泛推广应用[1]。但是, 不管是钢纤维混凝土还是聚丙烯纤维混凝土都不能同时解决混凝土易开裂、弯拉强度低、耐高温、耐火能力差等问题。根据复合材料理论, 采用低熔点 (聚丙烯纤维) 及高熔点纤维 (钢纤维) 混杂的方法, 对混凝土高温性能、耐火性能、抗折强度、抗压强度及劈裂抗拉强度, 抗爆裂性能、进行改善, 不同纤维材料之间可产生性能互补、工艺互补、使用效能互补和经济效应互补, 从而产生性能可靠具有较好经济和社会效益的新型复合材料[2]。随着我国建筑火灾的增加, 使用混合纤维混凝土可以有效解决工程中所面临的混凝土材料强度低、容易开裂、耐火性差等问题[3]。

2 混杂纤维混凝土强度性能研究

2.1 实验原材料

本试验用水泥均为浙江新都水泥有限公司生产的新都P.O 42.5水泥。技术性能满足国家标准的相关要求。粗集料采用石英碎石;细集料为普通河砂, 细度模数2.6;本试验用了两种钢纤维, 一种是普通钢纤维, 另一种为短细钢纤维, 两种钢纤维均为北京海达工顺科技有限公司生产。所用聚丙烯纤维为杭州华驰新型建筑材料有限公司生产的聚丙烯拉丝型纤维。

2.2 试验方案

本试验按照一般普通道路混凝土配合比设计方法设计弯拉强度标准值是5.0MPa的基准混凝土。并以0.42和0.43两个水灰比来调整基准混凝土配合比, 然后选择较优配合比作为基准配合比。在确定基准配合比的基础上, 分别以钢纤维体积率为1.2%、1.1%、1%、0.9%、0.8%、0.7%、0.6%和聚丙烯纤维体积率为0.3%、0.2%、0.1%进行单掺纤维混凝土试验, 以此考察钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土的各种强度性能的影响。

采用不同几何尺寸混杂纤维水泥基复合材料可使其强度与韧性均得到很大提高从而配制出高性能水泥基复合材料, 可以采用普通钢纤维和微细钢纤维按1∶1比例组合, 提高混杂纤维混凝土的强度和韧性。聚丙烯纤维掺量为0.2%、0.1%两个变化进行混合纤维混凝土试验。以此综合考察混合纤维混凝土强度变化规律。混杂纤维混凝土配合比见表1。

2.3 混杂纤维混凝土抗压强度实验结果与分析

对混杂纤维抗折强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm的试件, 抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm的试件, 测定其无约束受力状态下的抗压强度。实验显示当聚丙烯纤维掺量为0.1%时, 所有混杂纤维组合均为正效应, 并且随着钢纤维掺量增加混杂系数逐渐减小;而当聚丙烯纤维掺量为0.2%时出现负效应。从整体趋势看, 混杂纤维混凝土抗折强度的影响如图1所示, 混杂纤维混凝土抗压强度的影响如图2所示。

当总体积掺量为1.2%时, 混杂系数αf<1, 即产生了负混杂效应。当总体积掺量为1.0%和0.8%时, 混杂系数αf>1, 即发挥正混杂效应;同时可以发现, 不管聚丙烯纤维掺量为0.1%还是0.2%, 混杂系数都随钢纤维掺量的增加而减小, 而且聚丙烯纤维掺量为0.2%时混杂系数的平均值要比聚丙烯纤维掺量为0.1%时混杂系数的平均值大。通过上面的实验说明混凝土中钢纤维掺量不宜过大, 过大则可能引起负混杂效应, 所以钢纤维的掺杂量不能过大也不能过少。另外, 从纤维增强系数βf来看, 混杂纤维混凝土的纤维增强系数均明显大于单一纤维的纤维增强系数, 说明混杂纤维较好地发挥了混杂效应。其中, 纤维组合为0.2%~0.6%时, 纤维增强系数达到最大值, 即其抗折强度较基准提高了约30%, 当纤维组合为0.1%~1.1%时, 纤维增强系数出现最小值, 即其抗折强度较基准提高了约10%。整体看来, 所有混杂纤维的抗折强度平均增幅约为20%。

(a) 混杂系数 αf (b) 纤维增强系数βf

(a) 混杂系数αc (b) 纤维增强系数βc

3 混杂纤维混凝土耐高温性能研究

3.1 实验原材料

本试验用水泥均为甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥。技术性能满足国家标准的相关要求。粗集料采用玄武岩碎石;细集料为普通河砂, 细度模数2.7;本试验用钢丝钢纤维长度30 mm, 直径0.60 mrn。所用聚丙烯纤维为杭州华驰新型建筑材料有限公司生产的聚丙烯纤维。本试验研究用各混杂纤维混凝土配合比见表2。

3.2 试验方案

实验中试件成型后, 经过室温下养护脱模, 然后在标准养护室中养护, 再在常温下放置一段时间以后进行高温试验。高温试验中加热使用电炉加热。此电炉的最高温度可达1 200℃, 炉膛温度可以自动控制, 达到指定温度后恒温3个小时。加热过程中把混凝土从初始温度直接升到目标温度, 本实验的目标温度为400, 800, 1 000 ℃。冷却方式采用炉内自然慢慢冷却。

3.3 混杂纤维混凝土耐高温性能实验结果与分析

实验结果发现同配比的PS2, PS1, PS3的抗折强度较PS0的高, 在200 ℃前PS0的抗折强度随温度升高而降低的速度比其他几种的慢, PS1抗折强度降低的速度最快。在200 ℃~400 ℃范围内, PS0的抗折强度随温度升高而降低的速度比其余几种的快。混凝土达到800 ℃高温时, 第一种与后面几种的抗折强度相差不多, 剩余抗折强度约为常温混凝土抗折强度的5.8%左右, 而PH3的抗折强度剩余率约为14.8%, 出现上述现象的原因是聚丙烯纤维的熔点为165 ℃, 随着温度的升高超过了它的熔点, 聚丙烯纤维将会挥发逸出, 则聚丙烯纤维对抗折强度所起的作用也将消失, 同时由于纤维挥发会在混凝土中形成一定数量的孔道, 对混凝土的抗折强度非常不利。在温度在400℃范围内缓慢增加时, 混凝土由于受到高温的作用, 内部蒸汽压也急剧增加, 基准混凝土中由于没有纤维挥发时形成的孔道, 抗折强度急剧下降。到温度升高到一定程度时, 聚丙烯纤维挥发殆尽, 导致上面几种配比的试样抗折强度随温度的变化趋同。

下面分析混杂纤维对高温下混凝土抗压强度的影响, 从图3可以看出, PS0, PS1常温下的抗压强度相差不大, 后两种的抗压强度高于第一种。随着温度升高, 四种试样抗压强度的变化趋势相同, 而且抗压强度降低的速度也趋于相同。

4 结论

(1) 钢纤维与聚丙烯纤维混杂可以对混凝土强度产生正负两种效应。合适的体积率匹配可以产生正混杂效应, 而负混杂效应一般出现在体积率较高时。

正负效应主要取决于总体积率和体积率匹配。综合多种因素考虑, 试验范围内对混凝土强度综合效果最好的纤维匹配应该是钢纤维体积率为0.8%左右, 聚丙烯纤维体积率为0.1%左右, 并且总体积率小于0.9%为最优值。

(2) 混合纤维混凝土抗高温试验中, 混凝土在高温下, 混杂纤维能有效地阻止混凝土产生的爆裂, 并且能较好地保持混凝土的完整性。高温后仍可以承受较高荷载, 在1 000 ℃高温下, 混杂纤维混凝土的抗折强度剩余率为9%左右。高温下, 混杂纤维混凝土中聚丙烯纤维熔化后会留下若干孔洞, 形成高压蒸汽的排出通道, 阻止了爆裂的产生, 但也同时削弱了混凝土的强度, 从而有可能降低混凝土的耐久性。

随着我国目前建筑物火灾的增多, 混杂纤维混凝土可用于有防火要求的重要建筑结构中, 扩大了高性能混凝土的实用范围和领域。

参考文献

[1]禹凯, 等.聚炳烯纤维对混凝土早期收缩影响的实验研究[J].混凝土, 2007, (5) :65-68.

[2]刘国平, 等.生态合成纤维抑制混凝土开裂性能的研究与应用[J].混凝土, 2006, (10) :41-44.

耐高温纤维 篇4

1 实验材料及方法

1.1 试验材料

耐高温纤维的规格及基本性能如表1所示。

1.2试样处理

将等量的纤维PPS、PSA、PI、芳纶1414放入20mL酸或碱溶液中, 处理4h、8h、12h后取出, 用蒸馏水清洗三次, 放100℃烘箱中烘1h后取出。

1.3酸碱处理条件

酸碱的种类:30%硫酸、75%硫酸、20%NaOH、40%NaOH;

温度:室温;

处理时间 (h) :4、8、12。

1.4 力学性能测试仪器和参数

力学性能测试:实验仪器为YG 001N型电子纤维强力仪, 试样在温度为20℃、相对湿度为65%, 在经过调湿处理后进行拉伸实验。测试标准参照《化学纤维单纤维断裂强力和断裂伸长的测定》国标, 测试条件:拉伸速度20mm/min, 夹持距离20mm。

2 力学性能测试和分析

2.1 未处理的纤维力学性能

未经处理的纤维的力学性能如表2所示。

2.2硫酸处理后纤维的力学性能分析

图1为30%硫酸处理纤维强力保持率, 从图可以看出, 在30%硫酸条件下, 聚苯硫醚纤维的强力保持率高于其它三种纤维, 芳砜纶的强力保持率较低, 芳纶1414的强度保持率优于聚酰亚胺纤维。

图2为75%硫酸处理纤维强力保持率。纤维的断裂强力保持率=处理后断裂强力÷处理前断裂强力×100%, 所以, 从图可以看出, 经75%硫酸长时间处理后, 芳纶1414纤维的断裂强力保持率迅速降低, 所以在75%硫酸条件下, 芳纶1414的耐酸性差, 聚苯硫醚在75%的硫酸条件下, 有较高的强度保持率, 所以其耐酸性优于其余三种纤维, 芳砜纶的耐酸性差于聚酰亚胺纤维, 综上, PPS纤维较其它三种纤维, 具有较强的耐酸腐蚀性[2]。

2.3 碱处理后纤维的力学性能分析

图3为20%碱处理纤维强力变化情况, 从图可以看出, 在20%NaOH条件下, 聚酰亚胺会发生溶解, 说明其耐碱性能差, 长时间作用下, 聚苯硫醚的耐碱性优于芳砜纶和芳纶1414, 芳纶1414的耐碱性差。

图4为4种耐高温纤维经40%NaOH处理不同时间后的强力保持率, 从图可以看出, PI纤维经碱处理后纤维会溶解, 所以, 聚酰亚胺纤维不耐碱, PPS纤维经碱处理后, 断裂强力保持率很高, 高达90%左右, 所以其耐碱性能优于其它3种纤维, 芳纶1414在碱浓度长时间作用下, 保持率降低, 且低于芳砜纶。

2.4 酸处理后纤维的伸长和伸长率变化

从图5可以看出, 纤维经过30%硫酸处理后, 伸长和伸长率都有减小的趋势, 其中, 4种纤维的伸长保持率都很高, 但是, PSA和PPS纤维经过75%浓硫酸处理后, 伸长有增大的趋势, 这可能是由于纤维经浓硫酸处理后导致大分子链收缩, 所以伸长才有所增大[3]。

2.5 碱处理后的纤维的伸长和伸长率变化

聚酰亚胺纤维经碱处理后溶解, 所以伸长和伸长率都不存在, 从图6可以看出, PPS的伸长和伸长率都大于PSA和芳纶1414, 经过碱处理后, 它们的伸长率都有减小的趋势, 并且PSA和芳纶1414的伸长保持率高于PPS纤维。

3 实验结果和讨论

3.1 经上述实验可知, 其中PPS纤维的耐酸耐碱性优于其它纤维, 在酸碱环境下使用, 具有优良的力学性能。

3.2 耐酸性测试可知, 聚苯硫醚比聚酰亚胺优, 聚酰亚胺优于芳砜纶, 芳砜纶优于芳纶1414。

3.3 耐碱性能测试可知, 聚苯硫醚比芳砜纶优, 芳砜纶优于芳纶1414, 芳纶1414优于聚酰亚胺。

3.4 PPS和PSA纤维经75%浓酸处理后纤维的伸长和

伸长率都有一定程度的增加, 这说明PPS和PSA纤维在经过浓酸处理时, 大分子链可能会发生一定的收缩, 所以伸长会有一定的增大。

参考文献

[1]汪晓峰, 李晔.耐高温纤维的发展及其在产业领域的应用[J].合成纤维, 2004, (2) :1-3.

[2]贺湘兵等.酸碱条件对聚苯硫醚纤维力学性能的影响[J].浙江理工大学学报, 2001, (28) :1-5.

[3]张金城.芳砜纶的性能与应用合成纤维[J].合成纤维[J].1985, (5) :37-42.

[4]罗益锋.世界主要高性能纤维简况.化工新型材料[J].2001, 29 (9) :1.

耐高温纤维 篇5

高温时及高温后混凝土的材料性能是研究混凝土结构和构件性能的基础。普通混凝土作为常用建筑材料, 是一种非匀质复合材料。各组成材料的热工性能及力学性能有悬殊的差距, 并且在经过高温环境后会产生大量复杂的物理及化学变化。而普通混凝土在掺入了混杂纤维以后, 本身力学性能在各方面有所变化。要准确评估混杂纤维混凝土在高温后的损伤程度和残余承载力, 以便选择出最佳的纤维掺加方案。为了取得最合理的纤维掺入方案, 有必要对混杂纤维混凝土的高温性能进行全面的研究。

近年来, 纤维混凝土被广泛用于道路、桥梁以及军事建筑等领域, 对混杂纤维混凝土高温后的各项力学性能有更加深入透彻的研究。单一纤维混凝土往往只能在某些有限的方面发挥自己的优点, 如:聚丙烯纤维虽然增强效果不佳, 但可以显著提高混凝土的韧性和延性[1]。但是单纯加入聚丙烯纤维容易受到制作工艺的影响导致纤维无法分散均匀, 从而难以达到设计要求。而二元纤维混杂甚至三元纤维混杂则能解决混凝土单方面性能提高的问题。目前研究较多的是钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等高弹模纤维与聚丙烯纤维、乙纶、丙纶等低弹模延性较高合成纤维混杂[2]。

关于混杂纤维混凝土高温后力学性能的研究还处于探索阶段, 各研究成果不尽相同。

本文对掺入不同混杂纤维后的混凝土进行20℃, 200℃, 400℃, 600℃, 800℃五个温度段, 时间为6 h的加热。高温加热结束后放置于炉膛内冷却24 h后取出进行质量损失、弹性模量和单轴抗压强度的测量。并探究其在高温后的表现和高温对混凝土各项力学性能的影响, 从而找到一种相对安全有效的二元或三元纤维混杂组合, 能够使得混凝土各项性能有较大的提高。这些研究成果可为需要高强度和高延性建筑提供可靠的参考和科学依据。

1 试验介绍

1.1 实验材料

水泥采用上海海螺水泥有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥;粗骨料为连续级配的碎石 (最大粒径为25 mm) ;细骨料为颗粒级配属于级配Ⅱ区的中砂, 表观密度为2 700 kg/m3;聚丙烯纤维采用束状单丝聚丙烯纤维, 长度9 mm;碳纤维采用束状单丝碳纤维, 长度6 mm;钢纤维采用波浪形钢纤维。

1.2 试件设计与试件制作

本次试验共制作了80块试块, 其尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试验中采用了5组混凝土试件, 分别为钢纤维、碳纤维与聚丙烯纤维混杂混凝土、钢纤维与碳纤维混杂混凝土、碳纤维与聚丙烯纤维混杂混凝土、碳纤维混凝土以及普通素混凝土。其中普通素混凝土作为参照组用来与其他4组进行对比。5组不同编号的试件分别进行20℃, 200℃, 400℃, 600℃, 800℃五种不同目标温度的加热。加热时间为6 h, 升温速度为10℃/min。各组试件编号和纤维掺量如表1所示。

本试验中基准混凝土强度等级设计C35, 配合比见表2 (除添加不同比例的各种纤维外, 其他材料及配合比与普通混凝土一致) 。本试验中的纤维添加量属于低掺量, 即所掺纤维重量相对于混凝土自重可忽略不计。试件制作完成后将其放入空调房 (恒温20℃) 中养护, 24 h后用拆模器拆模随后搬入标准养护室中 (20℃±3℃, 相对湿度90%以上) 养护28 d, 再将试件常温下放置3 d。

kg/m3

待试件表面水分晾干后放入高温箱式电阻炉 (SMF1900-50型) 进行高温试验, 升温速率为10℃/min, 达到制定温度后恒温6 h, 以保证试件内外温度一致。高温后试件的冷却方式采用炉膛内自然冷却至室温。

2 试验结果

2.1 高温后试件的表观形态

高温作用后试件外观会发生一系列变化, 温度达到200℃时, 混凝土试块与常温下混凝土试块相比灰色加深, 为青灰色, 外观完整, 未出现缺角、裂缝等现象;温度达到400℃时, 混凝土试块颜色变浅, 为浅灰色, 外观完整, 未出现缺角、裂缝等现象;温度达到600℃时, 混凝土试块颜色略趋向暗红色, 部分试块出现裂缝和缺角现象;温度达到800℃后, 混凝土试块颜色为浅棕色, 有明显的烧焦痕迹, 外观不完整, 有裂痕, 掺有聚丙烯纤维的试块有部分出现爆裂掉皮现象, 且混凝土明显疏松。

2.2 质量损失率

通过将各温度处理后的试块质量和常温下试块质量进行比对, 得出了5种不同种类混凝土试块的质量损失率折线图, 见图1。将素混凝土N的质量损失率折线作为参考系, 比对4种含碳纤维混凝土质量损失和温度的关系。

试验结果表明纤维的掺入在200℃时并未对混凝土试件的质量损失产生影响。

当温度达到400℃时折线图出现了分歧, 掺入了单一碳纤维的混凝土C质量损失率最低, 为2.84%。作为参考系的素混凝土N和两种混杂纤维混凝土SC, PC的质量损失几乎一致。而M型混杂纤维混凝土质量损失率最高, 达到了3.62%。这说明碳纤维的掺入在400℃情况下, 从某种方面抑制了混凝土内自由水的散失。而M型混杂纤维混凝土在400℃时因为导热系数要高于混凝土, 试件内部的钢纤维可较快传导热量并且使得钢纤维与骨料的联接性下降。而且因为M型混凝土内纤维种类和含量较高, 使得混凝土本身不够紧密, 导致自由水散发更快。

当温度达到600℃时, 5种混凝土的质量损失开始贴近, 差距缩小至可以忽略。说明在500℃~600℃阶段主要是因为氢氧化钙晶体的分解导致质量损失的提高, 纤维种类和掺量对此过程的影响不大[3]。

当温度达到800℃时, 发现质量损失率提升的速度有所下降, 并且几种混凝土的质量损失率数据相差不大。所以可以得出碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维的掺入与混凝土800℃后的质量损失并没有什么直接关联。

2.3 抗压强度

将各温度处理后的试块进行单轴抗压强度的测试, 得出了5种不同种类混凝土试块随温度变化的抗压强度变化曲线, 见图2。将素混凝土N的抗压强度折线作为参考系, 比对4种含碳纤维混凝土抗压强度随温度变化的相对关系。

试验结果表明, 随着温度的升高, 混凝土试件抗压强度的总体趋势是下降的。其中, N型混凝土作为参考系, 试验所得出的结果与相关参考文献中所描述的大体一致[4]。

其中, C, SC, PC型混凝土试件的抗压强度与N型混凝土的下降趋势整体一致, 都是随着温度的上升而下降。并且在温度达到600℃的时候抗压强度会有大幅度的降低。其主要原因是混凝土中Ca (OH) 2分解导致的抗压强度下降。但相对来说SC型混凝土由于钢纤维的加入, 较大的提高了混凝土的整体抗压强度, 使得SC型混凝土在600℃之前的强度要高于其余3种纤维混凝土, 在600℃之后的强度高于包括N型混凝土试件在内的所有种类试件。这说明钢纤维混凝土在温度不超过800℃的情况下, 对混凝土试块的抗压强度能得到持续加强的作用。

C型混凝土高温后抗压强度总体趋势是随温度的增高而下降, 但在400℃时其抗压强度出现了一个不降反升的现象。在排除实验误差并参照碳纤维本身性能之后, 认为此处强度的提高是因为碳纤维在高温下, 碳纤维的石墨化程度提高, 碳纤维在高温处理过程中石墨微晶堆叠厚度逐渐提高, 碳纤维本身强度增加[5,6], 并使碳纤维在400℃左右对混凝土的抗压强度支撑得到了最大增强。而其后混凝土产生了化学分解, 导致混凝土试件整体结构变得松散, 与碳纤维的粘结性降低, 碳纤维对混凝土的抗压强度支撑失去了作用。所以C型混凝土的抗压强度在400℃之后又恢复了和其他种类混凝土试件相同的下降趋势。

而PC型与SC型混凝土的抗压强度没有在400℃时有明显的上升, 是因为添加了其他的纤维, 导致其中的力学变化并不纯粹。添加了聚丙烯纤维和碳纤维的PC型混凝土, 因为聚丙烯纤维的掺入使得PC型混凝土抗压强度处在本组试验中最低的位置, 因为其中的聚丙烯纤维与碳纤维都未能起到增强其抗压强度的功能。聚丙烯纤维掺入混凝土最主要的功能是增强混凝土在高温下抗爆裂的能力[7], 碳纤维性能与聚丙烯纤维相结合能起到高温防爆裂和混凝土增韧的效果。相对来说SC型混凝土和M型混凝土中钢纤维能起到增强抗压强度的作用, 碳纤维起到增韧和形成纤维网络增强混凝土整体性的效果, 聚丙烯纤维起到在低温情况下形成纤维网络和在高温状况下形成孔道防止混凝土爆裂的效果。将3种纤维混合起来的M型混凝土的抗压强度要比PC型混凝土抗压强度高, 这说明M型混凝土吸收了三种纤维的特性, 达到了混杂纤维混凝土在抗压强度方面希望达到的性能。

2.4 杨氏模量

杨氏模量是描述固体抵抗形变能力的物理量, 本次试验所测得的杨氏模量绘制出的折线图如图3所示。总体趋势依然是杨氏模量E随温度的升高而下降, 但在200℃时普遍有所提高。普遍认为在200℃时因为温度的原因使得混凝土中的水化反应加快, 最终导致混凝土完整性加强, 杨氏模量提高, 更加不容易产生变形, 这种变化主要是水化物本身的变化, 与纤维的种类与掺量关系并不大[3]。

从图3中我们可以看出, 从400℃开始, 添加了纤维的4组混凝土试块相对参考组普通混凝土试块而言, 其弹性模量始终处于随着温度的上升而平稳下降, 没有出现骤降的情况。而普通混凝土在600℃之后弹性模量产生了骤降, 即是由于其中的胶结物质破坏而导致骨料颗粒间无法紧密连接[8]。而添加了纤维的混凝土试块具有低弹模、高韧性的特点[9,10,11]。所以在随着温度升高的变化中, 纤维混凝土的弹性模量逐渐降低, 但不会和普通混凝土一样产生突然破坏的情况。

3 结语

1) 混凝土中的碳纤维在400℃情况下可以一定程度上抑制混凝土内自由水的流失, 而混凝土中的钢纤维会加速传导热量导致自由水蒸发加速。2) 碳纤维混杂纤维混凝土较普通混凝土而言, 提高了韧性, 降低了强度。并且混杂纤维混凝土在600℃之后的强度下降比普通混凝土平缓, 因此不易出现混凝土爆裂而完全破坏的现象。3) 混杂纤维混凝土的弹性模量较普通混凝土更低, 其中混杂了碳纤维或聚丙烯纤维的混凝土的弹性模量最低。而钢纤维能相对提高混凝土的弹性模量, 提高混凝土的刚度和抗压强度。4) 碳纤维的加入提高了混凝土的整体性, 在钢纤维的帮助下可以很好的提高混凝土的安全性能。

摘要：通过高温电阻炉持续加热掺入碳纤维与碳纤维混杂纤维的混凝土, 分析了在不同温度加热后, 各种纤维混凝土物理力学性能的变化情况, 通过设置温度变量, 定量分析了不同温度下混杂纤维混凝土的变化与损伤规律, 试验结果表明混杂纤维提高了混凝土的安全性。

高温后纤维混凝土力学性能研究 篇6

纤维混凝土是以混凝土为基体,以金属纤维或有机纤维作为增强材料制成的一种水泥基复合材料,常用的纤维有钢纤维、聚丙烯纤维及二者混杂使用[4,5,6]。掺入纤维可以有效地克服混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等缺陷[7,8]。聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土在工程中都有大量的应用,因此,研究其高温后力学性能变化十分有必要。

研究普通混凝土(C)、聚丙烯纤维混凝土(PFRC)、钢纤维混凝土(SFRC)及混杂纤维混凝土(HFRC)在高温后力学性能的变化及残余值,对火灾后建筑物的安全评定及加固提供参考。

1 试验

1.1 原材料

P·O42.5水泥,武汉华新水泥有限公司生产;武汉碎石,5~20 mm连续级配;长江中砂,细度模数2.7,含泥量1.2%;聚丙烯纤维,长沙博赛特建筑工程材料有限公司提供,性能参数如表1所示;端钩钢纤维,来自浙江博恩金属制品有限公司,性能参数如表2所示。

1.2 试验方法

抗压、抗折和劈裂抗拉强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能测试方法标准》进行测试。抗压强度及劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。成型1 d后脱模,在标准养护室中养护至28 d龄期进行相应测试。

高温试验:高温炉升温速度为10℃/min,分别升温至200、400、600和800℃,保温3 h以保证试件内外温度一致,加热结束后自然冷却,7 d后再进行力学性能测试。

1.3 混凝土配合比

以C40混凝土为研究对象,普通混凝土及纤维混凝土配合比如表3所示,其中纤维按照体积掺量掺入。

2 结果与讨论

2.1 高温后纤维混凝土抗压强度变化(见图1、图2)

由图1可知,普通混凝土及纤维混凝土抗压强度都随着温度的升高而降低,在相同温度条件下,各组混凝土抗压强度都呈现如下规律:普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC)<混杂纤维混凝土(HFRC)<钢纤维混凝土(SFRC)。

由图2可知,普通混凝土及纤维混凝土抗压强度残余率都随着温度的升高而降低,在相同温度条件下,各组混凝土抗压强度残余率变化规律与强度变化规律有所不同:普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC)<钢纤维混凝土(SFRC)<混杂纤维混凝土(HFRC)。纤维混凝土较普通混凝土具有更高的耐高温性能。

不同温度条件下,各组混凝土受温度的影响也不尽相同。200℃时,普通混凝土抗压强度残余率为79%,而3组纤维混凝土的抗压强度残余率都保持在85%~88%;400℃时,普通混凝土抗压强度残余率只有54%,而3组纤维混凝土的抗压强度残余率达到70%~73%;600℃时,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为38%左右,钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度残余率大于50%;800℃时,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为23%左右,钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度仍具有33%残余。普通混凝土随着温度的升高都呈现出明显的强度损失;当温度低于400℃时,3组纤维混凝土都具有很高的抗压强度残余率,当温度高于400℃时,聚丙烯纤维混凝土抗压强度残余率显著降低;钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土在不同温度条件下,都具有较高的抗压强度残余率。

2.2 高温后纤维混凝土抗折强度变化(见图3、图4)

由图3可知,各组混凝土的抗折强度都随着温度的升高而降低,在相同温度条件下,各组混凝土抗折强度与抗压强度具有相同规律:普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC)<混杂纤维混凝土(HFRC)<钢纤维混凝土(SFRC);不同的是,钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度明显高于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土。

由图4可知,各组混凝土的抗折强度残余率都随着温度的升高而降低;200、400和600℃条件下,各组混凝土抗折强度残余率规律相同:混杂纤维混凝土(HFRC)<钢纤维混凝土(SFRC)<普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC),温度为800℃时为:普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC)<混杂纤维混凝土(HFRC)<钢纤维混凝土(SFRC)。

钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度在各个温度条件下都明显高于普通混凝土及聚丙烯纤维混凝土;聚丙烯纤维的掺入使得混凝土抗折强度略有提高,但不明显;钢纤维和混杂纤维显著提高了混凝土的抗折强度。在800℃条件下,钢纤维混凝土的抗折强度仍大于7 MPa,与20℃时普通混凝土抗折强度相差不大(8.3 MPa)。

2.3 高温后纤维混凝土劈裂抗拉强度变化(见图5、图6)

由图5可知,各组混凝土的劈裂抗拉强度都随着温度的升高而降低。在20℃和200℃时,各组混凝土劈裂抗拉强度变化规律为:普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC)<钢纤维混凝土(SFRC)<混杂纤维混凝土(HFRC);400、600和800℃时,各组混凝土劈裂抗拉强度变化规律为:普通混凝土(C)<聚丙烯纤维混凝土(PFRC)<混杂纤维混凝土(HFRC)<钢纤维混凝土(SFRC)。

由图6可知,各组混凝土的劈裂抗拉强度残余率随着温度的升高而降低。当温度低于600℃时,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的劈裂抗拉强度残余率大于钢纤维及混杂纤维混凝土;当温度为800℃时,劈裂抗拉强度残余率变化规律恰好相反,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土大于钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土。各组混凝土劈裂抗拉强度残余率变化规律与抗折强度残余率变化规律相同。

在相同温度条件下,钢纤维和混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度显著高于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土,并且温度越高,这种差距越明显。温度为800℃时,钢纤维混凝土劈裂抗拉强度为1.50 MPa,而聚丙烯纤维混凝土只有0.45 MPa。

2.4 高温后混凝土的折压比(见图7)

由图7可知,在相同温度条件下,各组混凝土折压比的变化规律为:钢纤维混凝土最大,混杂纤维混凝土次之,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土折压比相差不大,并且钢纤维和混杂纤维混凝土的折压比都明显大于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土。在高温环境中,混杂纤维混凝土和钢纤维混凝土具有更好的韧性。

2.5 机理分析

混凝土及纤维混凝土在高温后力学性能发生明显变化,究其原因主要分为以下2方面:一是混凝土自身原因,另一个是不同种类纤维的理化性能不同。

200℃时,自由水和物理结合水逸出,Aft发生分解,水化产物有所减少,水泥浆的热膨胀会导致骨料水泥浆体界面处原始裂纹的发展,从而导致混凝土强度衰减[9,10]。400℃左右时,水泥浆体中的水化硅酸钙和水化铝酸钙开始脱水[11],同时大量水蒸气的外逸冲刷和挤胀作用,又扩大了裂纹和孔隙,使水泥浆体中孔隙平均尺寸和微裂纹迅速增大,混凝土力学性能进一步降低。500℃时,水泥石中的氢氧化钙晶体受热分解,引起吸热反应,孔隙含量急剧增加[12];硅质骨料中的二氧化硅晶体发生相变而体积膨胀,骨料体积的增加使得骨料与水泥浆体之间的裂缝增大。600℃时,孔隙水完全失去,混凝土宏观破坏开始,因而其力学性能大幅下降,在600~700℃时,C-S-H凝胶分解[13]。800℃时石灰岩骨料膨胀、开裂,并产生二氧化碳气体,混凝土强度进一步降低。

聚丙烯纤维熔点较低(168℃),在高温下熔解而失去作用,但因其液态体积远小于固态所占空间,于是形成众多小孔隙。并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小且量又多,使得混凝土内部孔结构发生了变化,孔隙的连通性加强,为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道,缓解了由于水分膨胀所形成的分压,使内部压力大大降低,从而降低了水蒸气的冲刷和挤胀作用,降低裂纹的扩展[14]。因此在温度低于400℃时,聚丙烯纤维混凝土强度显著大于普通混凝土。钢纤维熔点高,自身力学性能受温度影响较小,另外,钢纤维的桥接作用和阻裂作用限制了混凝土在温度急剧变化和高温环境下产生的体积变化,减轻了混凝土内部微缺陷的引发和扩展,使混凝土在高温条件下表现出较好的力学性能[15]。

3 结论

(1)混凝土及纤维混凝土的抗压、抗折及劈裂抗拉强度及其残余率都随着温度的升高而降低。

(2)纤维的掺入对混凝土高温力学性能具有改善作用,聚丙烯纤维在温度不超过400℃时改善作用显著,钢纤维在800℃时改善作用仍明显。

(3)混杂纤维混凝土高温后抗压强度残余率最高,200℃时达87.9%,400℃时为73.7%,600℃时为52.5%,800℃时仍有32.4%。

摘要：研究了普通混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土高温后的抗压、抗折及劈裂抗拉强度的变化规律。结果表明,混凝土的力学性能随着温度的升高而逐渐降低;温度低于400℃时,聚丙烯纤维混凝土力学性能有所改善,温度高于400℃时,改善作用不明显;800℃时,钢纤维混凝土力学性能残余率都较高;混杂纤维混凝土抗压强度改善作用最显著,残余率最高达到32.4%。

高温后纤维混凝土力学性能研究 篇7

混凝土以其取材方便、制备简单、适应性强等特点, 被作为结构的主导材料大量应用于土建工程中, 并且还将会长期占据土木工程领域的主导地位。纤维混凝土是以混凝土为基体, 以金属纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料, 最常见的纤维就是钢纤维、聚丙烯纤维及二者混杂使用[4~6]。掺入的纤维可以有效地克服混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷[7,8]。聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土在工程中实际都有大量的应用, 因此研究其高温后的力学性能变化十分有必要。

研究普通混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土及混杂纤维混凝土在高温后力学性能的变化及残余值, 对火灾后建筑物的安全评定及加固提供指导。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

江西海螺P·O42.5普通硅酸盐水泥;江西德安碎石, 5~20mm连续级配;赣江中砂, 细度模数2.7, 含泥量0.8%。

聚丙烯纤维由长沙博赛特建筑工程材料有限公司提供, 性能参数如表1所示;

钢纤维来自浙江博恩金属制品有限公司, 性能参数如表2所示。

1.2 试验方法

抗压强度试件采用100mm×100mm×100mm模具成型, 抗折强度试件采用100mm×100mm×400mm模具成型。1d后脱模, 在标准养护室中养护至28d龄期进行相应测试。

高温炉升温速度为10℃/min, 分别升高至200℃、400℃、600℃和800℃, 保持3h以保证试件内外温度一致, 加热结束后自然冷却, 7d后进行力学性能测试。

1.3 混凝土配合比

以强度等级为C40混凝土为研究对象, 研究其高温后力学性能的变化。配合比如表3所示, 其中纤维量按照体积掺量掺入。

2 结果与讨论

2.1 纤维混凝土高温后抗压强度变化

普通混凝土及纤维混凝土在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃后抗压强度值及抗压强度残余率如图1、图2所示。

如图1所示, 普通混凝土及纤维混凝土抗压强度值都随着温度的升高而降低, 在相同温度条件下, 各组混凝土抗压强度值的大小都呈现如下规律:普通混凝土<聚丙烯纤维混凝土<混杂纤维混凝土<钢纤维混凝土。如图2所示, 普通混凝土及纤维混凝土抗压强度残余率都随着温度的升高而降低, 在相同温度条件下, 各组混凝土抗压强度残余率变化规律与强度值变化规律有所不同:普通混凝土<聚丙烯纤维混凝土<钢纤维混凝土<混杂纤维混凝土。这说明纤维混凝土较普通混凝土具有更高的耐高温性能。

不同温度条件下, 各组混凝土受温度影响也不尽相同。200℃时, 普通混凝土抗压强度残余率为79%, 而纤维混凝土都保持在85%~88%之间;400℃时, 普通混凝土抗压强度残余率只有54%, 纤维混凝土达到70%~73%;600℃时, 普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为38%左右, 钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度残余率大于50%;800℃时, 普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度残余率为23%左右, 钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土抗压强度仍具有33%残余。普通混凝土随着温度的增加, 都呈现出明显的强度损失;当温度小于400℃时, 纤维混凝土都具有很高的抗压强度残余率, 当温度大于400℃时, 聚丙烯纤维混凝土抗压强度残余率显著降低;钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土在不同温度条件下, 都具有较高的抗压强度残余率。

2.2 纤维混凝土高温后抗折强度变化

普通混凝土及纤维混凝土在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃后抗折强度值及抗压强度残余率如图3、图4所示。

如图3所示, 各组混凝土抗折强度值都随着温度的升高而降低, 在相同温度条件下, 各组混凝土抗折强度值的大小与抗压强度具有相同规律, 不同的是, 钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度明显高于普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土。如图4所示, 各组混凝土抗折强度残余率都随着温度的升高而降低;200℃、400℃和600℃条件下, 各组混凝土抗折强度残余率规律相同:混杂纤维混凝土<钢纤维混凝土<普通混凝土<聚丙烯纤维混凝土, 温度为800℃时为:普通混凝土<聚丙烯纤维混凝土<混杂纤维混凝土<钢纤维混凝土。

钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的抗折强度在各个温度条件下都明显大于普通混凝土及聚丙烯纤维混凝土;聚丙烯纤维的掺入使得混凝土抗折强度略有增长, 但不明显;钢纤维和混杂纤维显著增加了混凝土的抗折强度。在800℃条件下, 钢纤维混凝土的抗折强度仍大于7MPa, 与20℃时普通混凝土抗折强度相差不大 (8.3MPa) 。

2.3 机理分析

混凝土及纤维混凝土在高温后力学性能发生明显变化, 究其原因主要分为以下两方面:一是混凝土自身原因, 另一个是不同种类纤维的理化性能不同。

200℃时, 自由水和物理结合水逸出, Aft发生分解, 水化产物有所减少, 水泥浆的热膨胀, 会导致骨料水泥浆体界面处原始裂纹的发展, 从而导致混凝土强度衰减[9]。400℃左右时, 水泥浆体中的水化硅酸钙和水化铝酸钙开始脱水, 同时大量水蒸气的外逸冲刷和挤胀作用, 又扩大了裂纹和孔隙, 使水泥浆体中孔隙平均尺寸和微裂纹迅速增大, 混凝土力学性能进一步降低。500℃时, 水泥石中的氢氧化钙晶体受热分解, 引起吸热反应, 孔隙含量急剧增加[10];硅质骨料中的二氧化硅晶体发生相而体积膨胀, 骨料体积的增加使得骨料与水泥浆体之间的裂缝增大。600℃时, 孔隙水完全失去, 混凝土宏观破坏开始, 因而其力学性能大幅下降, 在600~700℃之间C-S-H凝胶分解[11]。800℃时石灰岩骨料膨胀、开裂, 并产生二氧化碳气体, 混凝土强度进一步降低。

聚丙烯纤维熔点较低 (168℃) , 在高温下熔解而失去作用, 但因其液态体积远小于固态所占空间, 于是形成众多小孔隙, 并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小且量又多, 使得混凝土内部孔结构发生了变化, 孔隙的连通性加强, 为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道, 从而缓解了由于水分膨胀所形成的分压, 使内部压力大大降低, 从而降低了水蒸气的冲刷和挤胀作用, 降低裂纹的扩展[12]。因此在温度小于400℃时, 聚丙烯纤维混凝土强度显著大于普通混凝土。钢纤维熔点高, 自身力学性能受温度影响较小, 另外, 钢纤维的桥接作用和阻裂作用限制了混凝土在温度急剧变化和高温环境下产生的体积变化, 减轻了混凝土内部微缺陷的引发和扩展, 使混凝土在高温条件下表现出较好的力学性能[13]。

3 结论

(1) 混凝土及纤维混凝土的抗压强度、抗折强度及其残余率都随着温度的升高而降低。

(2) 纤维的掺入对混凝土高温力学性能具有改善作用, 聚丙烯纤维在温度不超过400℃时改善作用显著, 钢纤维在800℃时改善作用仍明显。

耐高温纤维 篇8

以工业废料为主的细掺料加入混凝土中, 能减少混凝土的水泥与集料用量, 使混凝土成为可持续发展材料, 这也是发展高性能混凝土的有效途径之一。矿渣微粉是一种将粒化水淬高炉矿渣经过粉磨达到规定细度的粉体材料, 将其作为掺合料掺入混凝土中, 能显著提高混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能[1]。但研究发现, 高性能混凝土密实的微观结构使其脆性增加, 在遭受高温作用时更容易发生爆裂, 残余承载能力和变形能力劣化严重[2]。在高性能混凝土中掺入钢纤维和聚丙烯纤维, 利用纤维的改性机理能有效地改善混凝土高温后的力学性能[3]。纤维矿渣微粉混凝土就是将比表面积大于400m2/kg的矿渣微粉部分代替纤维混凝土中的水泥而配制成的纤维高性能混凝土。本文通过纤维矿渣微粉混凝土试件在不同温度下的抗折试验和韧性试验, 重点探讨了温度、矿渣掺量、纤维类型与掺量以及混凝土强度等级对高温后纤维矿渣微粉混凝土弯曲性能的影响, 建立了考虑温度、矿渣微粉掺量和钢纤维掺量等影响因素的纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度计算公式。

1 试验设计和试验方法

试验采用的原材料为:普通硅酸盐水泥;S95级矿渣微粉, 主要性能指标见表1;铣削型钢纤维, 纤维长度32.6mm, 等效直径0.950mm, 抗拉强度808.6MPa;聚丙烯纤维 (PP fiber) 采用束状单丝的杜拉纤维 (Dura fiber) , 长约19mm, 比重为0.91, 抗拉强度276MPa, 弹性模量3793MPa, 熔点160℃, 燃点约580℃;JKH-1型高效减水剂, 减水率为18.5%;细骨料为河砂, 属级配良好的中砂;粗骨料为粒径5~20mm连续级配的碎石。

本试验主要研究了温度为20℃、200℃、400℃、600℃、800℃;矿渣微粉等量置换0、30%、40%、50%水泥;钢纤维体积率分别为0、0.5%、1%、1.5%、2%, 聚丙烯纤维掺量分别为0、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg m3;混凝土强度等级分别为C40、C60、C80的17种不同配合比的混凝土 (配合比见表2) 。试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的小梁试件, 试件浇筑后在振动台上振动成型, 室内静置24h后拆模, 拆模后立即放入温度为20℃、相对湿度为95%的标准养护室中进行养护, 至90d取出晾干, 然后进行高温试验。

kg/m3

试验采用高温炉加热, 其升降温制度为:以10℃/min的升温速度加热, 分别达到200℃、400℃、600℃、800℃的目标温度后恒温2h, 高温炉自动关机停止加热, 试件在炉内自然冷却至常温后取出, 之后按照CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》的规定进行抗折试验和弯曲韧性试验。另外, 为了分析高温后性能劣化机理, 将高温作用后的纤维矿渣微粉混凝土破碎, 从骨料与水泥浆体的界面区处选取尺寸小于1cm的片状颗粒作为微观研究试样。将试样在烘箱中烘干后在观察面上喷金, 然后放入扫描电镜中抽真空, 进行微观结构观测。

2 高温后弯曲性能的影响因素

2.1 温度

图1为BⅢP2S2组试件经过不同目标温度后测得的荷载-挠度曲线。由图1可见, 随着温度的升高, 纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和极限荷载不断降低, 荷载-挠度曲线逐渐趋于扁平, 且所围成的面积减小。200℃和400℃时纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和挠度、极限荷载和挠度降低幅度较小, 荷载-挠度曲线与常温时相近;600℃和800℃时纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和挠度、极限荷载和挠度显著降低, 高温引起矿渣微粉混凝土弯曲韧性的劣化。

图2为纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度与温度之间的关系, 由图2可见, 随着最高温度的升高, 高温后纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度和相对抗折强度 (在相同条件下, 高温后纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度值除以其常温下抗折强度值所得的百分比) 均明显降低。

从机理上分析, 高温作用引起矿渣微粉混凝土性能劣化的主要原因是由于试件内部胶凝材料水化产物的变化, 以及由此产生的大量缝隙所造成的, 其中骨料与水泥浆交接区域的界面过渡区结合力对混凝土力学性能影响较大。当混凝土受到外界因素作用时, 界面过渡区是最薄弱的部位, 也是缺陷及微裂缝的始发处[4]。从高温后矿渣微粉纤维混凝土扫描电镜照片 (图3) 中可见, 随着温度的升高, 骨料的膨胀和浆体的收缩使骨料与水泥浆体界面过渡区的孔洞不断增多, 200℃高温后逐渐形成微小裂缝;400℃时裂缝较为明显地增多增宽;800℃时骨料与水泥浆体界面粘结更加松散, 水泥浆体中孔洞也进一步扩大和增多, 骨料与浆体间的裂缝迅速扩展, 裂缝宽度更大, 骨料破坏比较严重。

2.2 矿渣微粉掺量

图4为400℃高温后, 对应不同矿渣微粉掺量下BⅠP2S2、BⅡP2S2、BⅢP2S2和BⅣP2S2组试件的荷载-挠度曲线。由图4可见, 加入矿渣微粉的纤维混凝土的开裂荷载和极限荷载都有显著提高, 荷载-挠度曲线较为饱满, 呈现出较大的韧性。这是因为矿渣微粉与富集在界面过渡区的Ca (OH) 2反应, 生成C2S2H凝胶, 从而使Ca (OH) 2晶体、钙矾石和孔隙大量减少。另外, 矿渣微粉颗粒极细, 可减少内泌水, 消除骨料下部的水膜, 使界面过渡区厚度变薄, 结构密实度与水泥浆体相接近, 骨料与浆体间的粘结力进而得到增强[5]。当矿渣微粉掺量为40%时, 增强效果最为显著。

图5 (a) 为400℃高温后素混凝土和不同矿渣微粉掺量下纤维混凝土的抗折强度试验结果。从图中可以看出, 矿渣微粉在一定程度上提高了400℃高温后素混凝土和纤维混凝土的抗折强度, 并且纤维矿渣微粉混凝土较素矿渣微粉混凝土的抗折强度提高幅度更大。对于素混凝土, 掺50%矿渣时的抗折强度最大;对于纤维混凝土, 掺40%矿渣时的抗折强度最大。由图5 (b) 可知, 相对抗折强度随矿渣微粉掺量的变化差别较小, 说明矿渣微粉掺量对高温后抗折强度的损失影响不明显。

2.3 钢纤维体积率

图6为经400℃高温后, 不同钢纤维体积率下, BⅢP2S0、BⅢP2S1、BⅢP2S2、BⅢP2S3和BⅢP2S4组试件的荷载-挠度曲线。从图6可以发现, 随着钢纤维体积率的增大, 高温后纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和极限荷载不断提高, 荷载-挠度曲线愈加饱满。即试件从开裂到破坏, 随着所需能量的增大, 韧性越来越好。随着裂缝的发展, 当纤维矿渣微粉混凝土承载能力达到临界值后, 因钢纤维与混凝土基体间界面粘结强度逐步达到了极限, 钢纤维被不断拔出或拉断, 承载能力降低, 跨中挠度增长较快, 曲线呈现缓慢下降趋势。钢纤维掺量越大, 荷载-挠度曲线下降趋势越缓。

抗折试验结果表明, 400℃高温后, 纤维矿渣微粉混凝土抗折强度比未掺钢纤维的大, 且随着钢纤维体积率增大, 抗折强度会显著提高, 见图7 (a) 。主要是由于钢纤维的桥联和阻裂作用有利于提高高温后矿渣微粉混凝土的抗折强度[6]。另外, 虽然钢纤维的导热系数非常高, 减少了混凝土基体内外温差以及因受热不均而产生的内部裂缝, 但钢纤维与矿渣微粉混凝土同时膨胀与收缩会产生微观间隙, 此间隙将影响钢纤维对混凝土高温性能的改善作用。由图7 (b) 可见, 钢纤维体积率对高温后抗折强度的损失影响不明显。

2.4 聚丙烯纤维掺量

图8为400℃高温后, 不同聚丙烯纤维掺量下的BⅢP0S2、BⅢP1S2、BⅢP2S2和BⅢP3S2组试件的荷载-挠度曲线。由图8可以看出, 聚丙烯纤维对纤维矿渣微粉混凝土弯曲韧性的影响较小, 但是聚丙烯纤维的存在提高了400℃高温后混凝土的抗折强度, 且随着聚丙烯纤维掺量的增大, 抗折强度呈上升趋势, 见图9 (a) 。随着聚丙烯纤维掺量的增加, 纤维矿渣微粉混凝土相对抗折强度也随着不断增大, 见图9 (b) 。表明通过增大聚丙烯纤维掺量可以降低矿渣微粉混凝土抗折强度的高温损失。这是因为, 虽然聚丙烯纤维的掺入会增加混凝土的含气量, 减小混凝土的密实度, 而且其在高温熔融后留下的孔道会增加混凝土内的毛细孔, 使混凝土基体内部缺陷增多, 对强度有不利影响, 但这些毛细孔的存在也加快了高温时混凝土内部水分的发散, 降低了混凝土内部的蒸汽压力, 缓解了高温中混凝土内的热损伤, 有利于减弱高温对抗折强度的劣化。在这两种因素的综合作用下, 本试验所选掺量范围内的聚丙烯纤维对缓解高温后纤维矿渣微粉混凝土强度损失起到了有利的影响。

2.5 混凝土强度等级

图10为400℃高温后, 纤维矿渣微粉混凝土在不同混凝土强度等级下, AⅢP2S2、BⅢP2S2和CⅢP2S2组试件的荷载-挠度曲线。由图10可见, 随着混凝土强度等级从C40增至C80, 高温后纤维矿渣微粉混凝土弯曲韧度逐渐增大。400℃高温后, 纤维矿渣微粉混凝土抗折强度也有类似的规律, 见图11 (a) 。但是, 高温后纤维矿渣微粉混凝土相对抗折强度则变化不大, 见图11 (b) 。

3 抗折强度的计算方法

试验结果表明, 高温作用降低了纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度。因此, 考虑温度、矿渣微粉掺量、钢纤维掺量影响的高温后纤维矿渣微粉混凝土抗折强度计算模型取为:

式中, fTftm、fftm分别为高温后和常温下纤维矿渣微粉混凝土抗折强度 (MPa) ;α、β是与温度有关系数, 为了反映高温前后纤维矿渣微粉抗折强度的变化, 根据对本文试验结果分析, 当温度20℃≤T≤800℃时, α、β分别为6×104、2.682。

对于常温下纤维矿渣微粉混凝土抗折强度的计算, 由于聚丙烯纤维对抗折强度的影响较小, 本文采用在钢纤维混凝土抗折强度计算公式的基础上[7], 考虑到矿渣微粉掺量影响, 即:

式中, γ为矿渣微粉等量置换水泥对纤维矿渣微粉混凝土抗折强度的影响系数, 根据本文试验结果, γ=1+0.5891η, 其中, η为矿渣微粉等量置换水泥量, %, 0≤η≤50%;ftm为素混凝土的抗折强度;αtm为钢纤维对混凝土抗折强度的影响系数, 在本试验中取为0.995;λf为钢纤维含量特征值。

将本文试验值与式 (2) 的计算值进行比较, 二者比值的均值为1.0026, 均方差为0.0016, 变异系数为0.0393, 符合程度较好。

4 结语

(1) 随着温度的升高, 纤维矿渣微粉混凝土高温后的抗折强度和弯曲韧性均不断降低。

(2) 矿渣微粉能提高高温后混凝土的弯曲性能, 其掺量为40%时效果较显著。

(3) 钢纤维和聚丙烯纤维均能有效提高纤维矿渣微粉混凝土高温后的抗折强度。随着钢纤维掺量的增大, 高温后矿渣微粉混凝土弯曲韧性有明显地提高, 但相对抗折强度变化较小。

(4) 随着混凝土基体强度的提高, 纤维矿渣微粉混凝土的弯曲性能有一定改善。

(5) 考虑温度、钢纤维掺量和矿渣微粉掺量的影响, 高温后纤维矿渣微粉混凝土抗折强度可用公式 (1) 和式 (2) 计算。

参考文献

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