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摘 要：为了探究改善超高性能混凝土（UHPC）高温性能的措施，从力学性能、质量损失、超声检测等方面研究了纤维（不掺纤维、单掺钢纤维、混掺钢纤维与合成纤维）对UHPC高温性能的影响。结果表明：当纤维掺量增加时，UHPC的工作性与抗压强度均随之下降，抗折强度则先升后降；随着目标温度的升高，UHPC的残余抗压强度先升后降，损伤逐步加重；纤维的加入可以延缓裂缝的发展，混掺钢纤维与合成纤维可以有效改善UHPC高温爆裂行为。
关键词：纤维；超高性能混凝土（UHPC）；高温性能；力学性能；工作性；超声检测
0 前言
近年来，随着我国经济的发展，高层建筑不断涌现，一方面促进了超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，以下简称UHPC）的发展，另一方面也增加了建筑物发生火灾的可能性。混凝土在经历高温作用后会产生性能劣化，强度降低，并最终导致结构发生损伤、变形甚至崩塌。因此，混凝土的高温性能已成为人们日渐关注的问题。研究表明，等级越高的混凝土，其抗爆裂能力反而越低，越容易发生爆裂。UHPC的强度等级很高、微观结构非常致密，在高温作用下容易发生较为严重的爆裂，这在很大程度上限制了UHPC的推广与应用。杨娟等、AHMAD等研究发现，不含纤维的UHPC在高温条件下会发生严重爆裂，通过单掺钢纤维的方式能够改善其高温爆裂性能，但并不能阻止该现象的发生。
目前，学者们发现向混凝土中掺入低熔点的合成纤维，可以改善混凝土的高温性能。肖建庄等探究了聚丙烯纤维（以下简称PP纤维）对不同等级混凝土高温后性能的影响，发现掺加PP纤维的试块均未发生爆裂，PP纤维的加入对残余抗压强度影响甚微，随着温度的升高，残余抗压强度下降。吴慧萍、褚洪岩等分别研究了PP纤维对高强混凝土与牺牲混凝土的影响，发现其高温后残余抗压强度均随温度的升高而不断降低。邵莲芬等发现，素混凝土、单掺PP纤维或钢纤维混凝土、钢-PP纤维混掺混凝土的力学性能均随温度的升高而明显下降。丁明冬等、贺一轩等研究表明，钢纤维与PP纤维混掺会使UHPC高温后的残余力学性能随温度上升而下降。
上述学者们认为高温后混凝土的力学性能会随着温度的升高而逐渐下降，但也有部分学者认为高温后混凝土的力学性能随着温度的升高呈先上升后下降的变化规律。
洪亚强发现，单掺PP纤维混凝土高温后的抗压强度呈先上升后下降的趋势，在200 ℃处发生转折。王岳华等对比分析了合成纤维对混凝土高温后强度的影响，发现低掺量的PP纤维与聚丙烯腈纤维（以下简称PAN纤维）均会提高混凝土高温后的抗压强度（抗压强度在300 ℃处有所提高，之后直线下降）。王志旺研究发现，空白组与单掺PAN纤维组高温后的抗压强度先上升后下降，在200 ℃或400 ℃处达到峰值，增幅最大可达10 MPa。李根研究表明，单掺PP纤维UHPC的抗爆裂能力随PP纤维掺量的增加而增强，较低掺量的PP纤维（体积掺量为0.1%和0.2%）UHPC仍会发生爆裂；混掺钢-PP纤维时，即使PP纤维掺量较低，UHPC也不会发生爆裂，高温后的抗压强度随温度升高先上升后下降。朋改非等、杨婷等发现，混掺PP纤维与钢纤维可有效提高UHPC高温性能，且UHPC的力学性能随温度的升高先上升后下降。
综上所述，目前学者们针对UHPC高温性能的研究得出的结论并不一致，合成纤维的较优掺量也尚未得到较为统一的答案，不同种类的合成纤维混掺对UHPC高温后的性能影响仍有待进一步研究。
基于此，本文研究纤维组合（不掺纤维、单掺钢纤维、混掺钢纤维与合成纤维）、合成纤维种类（PP纤维、PAN纤维）及掺量（0、0.1%、0.3%、0.5%）对含粗骨料UHPC性能的影响。首先，研究合成纤维种类及掺量对UHPC工作性和常温下力学性能的影响；在此基础上，进一步从质量损失、抗压强度、超声波波速等方面研究纤维组合对UHPC高温性能的影响，以期为UHPC的实际工程应用提供参考。
1 试验概况
1.1 原材料
粗骨料：5~10 mm的玄武岩碎石；细骨料：15%机制砂（细度模数为2.8~3.0）+85%河砂（细度模数为1.7~1.9）；胶凝材料：P·Ⅱ52.5级水泥（性能参数见表1），硅灰（性能参数见表2），粉煤灰；外加剂：聚羧酸高性能减水剂，含固量23%，减水率30%；纤维：短直形钢纤维、PP纤维及PAN纤维的主要性能参数见表3。
1.2 试验配合比
试验水胶比为0.19，各组别的编号及配合比见表4，U表示基准组。
1.3 试验方法
1.3.1 试件制备
首先，将胶凝材料加入搅拌机中干拌2 min，然后，加入骨料继续混合干拌1 min，再将混合均匀的水与减水剂缓慢加入，湿拌5~6 min，最后，待混合料成为浆体状态，在搅拌机低速运转过程中少量、多次地加入纤维，搅拌5~6 min。试件成型后覆膜养护24 h，拆模之后将试件放入恒温水浴箱（90 ℃）养护2 d，然后随箱冷却至室温后取出试件，进行常温力学性能测试。高温试验中，试件养护结束后，需进行高温炉预处理，以尽可能地去除多余水分，升温速率5 ℃/min，目标温度200 ℃、400 ℃、600 ℃，恒温时间2 h，随炉冷却至室温后，进行高温后相关性能测试。
1.3.2 测试方法
依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行工作性测试；依据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》进行抗压、抗折强度测试；依据CECS 21:2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》采用NM-4A型非金属超声检测仪进行超声波波速测试。
混凝土动弹性模量和高温损伤程度计算公式见式（1）和式（2）：
式中：Ed为动弹性模量；μ为泊松比；ρ为混凝土表观密度；v为超声波速；D为高温损伤度；E0为高温前动弹性模量；E1为高温后动弹性模量。
2 结果与分析
2.1 常温试验
2.1.1 工作性
图1为各组试件的扩展度。从图1可以看出，基准组（U组）的工作性最好，钢纤维与合成纤维的掺加均会使扩展度下降，并且随着合成纤维掺量的增加，降低幅度增大。此外，纤维在UHPC中起到了约束与阻碍的作用，减缓了浆体的流动速率。
图3为部分试验组经过抗压试验之后的破坏形态。从图3可以看出，U组最脆弱，受压过程中发生明显的脆性破坏，破坏时无法保持原有的立方体形状，内部也较为干燥。单掺钢纤维和混掺纤维组在受压过程中破坏时发出低沉的闷响；在裂缝宽度和数量方面，单掺钢纤维组约为混掺纤维组的两倍，且多为贯穿的粗长裂缝；混掺纤维组中，随着合成纤维掺量的增加，裂缝宽度增大，数量增多，0.3%掺量组与0.5%掺量组的裂缝数量分别约为0.1%掺量组的2倍和3倍。
造成以上现象的原因是，钢纤维属于高弹性模量的刚性纤维，在UHPC内部能够发挥出强力的桥接作用，抑制裂缝的产生与发展，起到很好的阻裂作用，对于抗压和抗折强度具有明显的改善效果，而PP纤维、PAN纤维为低弹性模量的柔性纤维，对于抗压强度的改善作用并不明显，但在抗折强度方面，合成纤维通过与基体之间的黏结力以及试验过程中所产生的摩擦力，耗散掉部分能量的同时也起到一定的连接作用，从而提高了UHPC的抗裂能力，宏观表现为抗折强度的提升。然而，纤维掺量过多会影响UHPC内部的密实程度，产生一定的孔隙，反而会导致强度降低。
此外，PAN纤维的弹性模量高于PP纤维，并且PAN纤维的亲水性使其与水泥基体之间的黏结作用更好。因此，SN组的抗压强度高于SP组。但是，PP纤维的直径明显大于PAN纤维（约为3倍），因此，在同等体积掺量下，混凝土内部PP纤维之间的间距更小，其对裂缝的抑制作用也更强，故PP纤维对抗折强度的提高效果优于PAN纤维。
2.1.3 超声波波速
混掺组UHPC的超声波检测结果见图4。从图4可以看出，超声波波速与抗压强度的变化趋势大体上保持一致，即随合成纤维掺量的增长而逐渐下降，且SN组大于SP组。这说明UHPC内部结构的密实程度与超声波波速、抗压强度具有一定的关联性，内部结构越密实，超声波传播时间越短，波速越快，抗压强度越高。当出现内部结构疏松、裂缝与孔隙增多等现象，则会延长超声波传播时间，波速下降，抗压强度降低。因此，超声波波速可以作为一种无损检测方法间接衡量UHPC的强度大小。
综上所述，通过改变合成纤维的种类与掺量，发现PP纤维对力学性能影响较大，PAN纤维对力学性能的影响较小，且存在一个较优掺量。综合工作性与力学性能，0.3%的PAN纤维可作为混掺纤维组的较优选择，故选取U组、S1组、SN3组进行高温试验，探究纤维对UHPC高温性能的影响。
2.2 高温试验
2.2.1 外观形貌
图5~图8为各试验组经历不同高温后的外观形貌特征。由图5~图8可以看出，随着温度的升高，UHPC高温后的形貌均有不同程度的劣化与损伤，而纤维对UHPC的形貌与爆裂具有一定的改善作用。200 ℃后，U组、S1组、SN3组均为完整状态，没有裂缝、掉皮、缺角等现象，表面颜色无明显变化；400 ℃后，U组发生粉碎性爆裂，S1组出现局部剥落现象，S1组与SN3组表面颜色为灰色，表面出现微细裂缝；600 ℃后，S1组发生爆裂，但由于钢纤维的存在，相较于U组，其产生的碎块尺寸较大，粉末较少，SN3组仍保持相对完整的形貌，表面呈现灰白色，表面裂缝数量有所增多。
记录SN3组的宏观破坏形态并使用体视显微镜测量裂缝宽度，结果见图9和图10。由图9可知，随着目标温度的升高，UHPC的破坏形态愈发严重，宏观表现为裂缝数量明显增多，尤其是较宽的裂缝。由图10可知，裂缝宽度也逐步增大，200 ℃、400 ℃、600 ℃后裂缝宽度分别为1.22 mm、1.96 mm、2.91 mm，大致表现为成倍增宽。而且试块破坏后的完整性也越来越差，600 ℃后试块整体结构疏松，表层部分已呈现脱落趋势，依靠纤维的桥接作用才得以与主体部分有所连接而未分离。
2.2.2 质量损失
混凝土经历高温作用后质量会受多方面因素（如水分蒸发、C-S-H凝胶分解、纤维熔化与碎块爆裂等）影响而发生不同程度的改变，从而可以间接反映其内部结构的发展情况。因此，将预烘干的试块在高温试验前称取质量，高温试验后随炉冷却至室温，清除表面杂质后称取质量，计算相应的质量损失率，结果见表5。
由表5可知，随着温度的升高，各组的质量损失均有不同程度的增加，由于试块瞬间爆裂，400 ℃时的U组和600 ℃时的S1组均达到质量损失率的峰值。常温至200 ℃之间，质量损失率较小，其主要原因是UHPC内部自由水分的蒸发；200~400 ℃之间，质量损失率急剧上升，其主要损失来源是脱水分解的水化物（如C-S-H凝胶、钙矾石、Ca(OH)2晶体等），生成的水分在高温作用后以水蒸气形式逃逸出去，同时PAN纤维在此温度段开始软化或熔化；400~600 ℃之间，质量损失率缓慢增长，此时的质量损失除了外观表面部分破损外，还包括UHPC内部化学结合水的损失以及熔化分解的PAN纤维。
2.2.3 超声检测
超声波波速可用于检测混凝土内部缺陷程度，与混凝土高温后损伤程度存在一定的联系，高温前后各组试件的超声波波速测试结果见表6。各组试件损伤程度随目标温度的变化趋势见表7。
由表7可知，各组试件的损伤度均随温度的升高而增加。常温至200 ℃之间，损伤度上升较缓，幅度较小，这一阶段UHPC内未水化胶凝材料在高温作用下继续发生水化反应，水化产物增加，同时随着温度的上升，内部自由水减少，留下较多微型孔洞，钢纤维的加入可以限制内部蒸汽压和热应力引起的微细裂缝的产生与发展，一定程度上减缓了损伤度的增长速率。200~400 ℃之间，损伤度上升较为急剧，幅度较大，这一阶段自由水与吸附水持续消失，PAN纤维开始收缩或熔解，内部损伤情况逐渐严重，损伤度逐步增加，损伤度增长速率随之加快。400~600 ℃之间，损伤度加重更为明显，幅度更大，这一阶段内部多种水化物发生脱水反应，PAN纤维受热熔化分解，使水泥浆体的黏结力降低，粗化微细孔洞，内部损伤进一步加重，损伤度显著提高。
2.2.4 抗压强度
高温后UHPC的抗压强度试验结果见图11。由图11可知，U组经历高温后抗压强度直线下降，而在常温至400 ℃之间，S1组和SN3组的抗压强度都有所提高，提升幅度约10 MPa，但在400~600 ℃之间，抗压强度急速下降，降幅超过40 MPa。
由于UHPC密实的内部结构，内部水分经历高温作用后不易逸出，从而使其与周围未水化胶凝材料进行二次水化反应，进一步提升强度，同时，掺入钢纤维可以有效地传导热量，减小内部热应力的差异并通过阻裂作用减缓内部裂缝的延展，对抗压强度具有较为明显的促进作用。因此，相同温度下，U组的抗压强度降低而其他两组的强度提高。400 ℃前，UHPC内部二次水化反应持续进行，相继蒸发的水分相当于为UHPC提供高温高湿的养护环境，有效提高了矿物掺合料的火山灰活性，进一步促进了水化产物的生成，从而提高了强度。较高的温度使PAN纤维发生收缩或分解，熔化后的纤维可以部分填补孔隙，有利于基体的密实度，但内部也会相应地留下孔隙，内部结构的致密程度受到影响，SN3组强度的提升效果不如S1组。400 ℃后，强度显著降低，因为未水化的胶凝材料已大量消耗，二次水化反应效率降低，高温产生的内部损伤与PAN纤维受热分解引起的内部缺陷占据主导地位，削弱了水泥基体与纤维之间的黏结力，进而导致力学性能劣化。但PAN纤维产生的孔隙能够使UHPC内部蒸汽疏散并流通，缓解内部的高压环境，避免UHPC出现高温爆裂现象。
3 结论
（1）随着合成纤维掺量的增加，UHPC的工作性和常温抗压强度降低，抗折强度先升后降，0.3%为较优的合成纤维体积掺量，PAN纤维为较优的合成纤维种类。超声波波速的变化趋势与抗压强度一致，具有较高的关联性。
（2）纤维混掺及较高的合成纤维掺量对UHPC破坏后的裂缝数量和裂缝宽度具有减缓作用。单掺钢纤维可以提高UHPC耐高温性能，但并不能避免爆裂的发生，混掺钢纤维与合成纤维可以有效改善UHPC的爆裂性能。
（3）随着目标温度的升高，UHPC的抗压强度先升后降，400 ℃时达到峰值；质量损失逐渐增大，200~400 ℃之间最为显著；损伤度逐步增长，且幅度逐渐增大。合成纤维的掺入可在满足强度条件的同时避免发生爆裂现象。
（责任编辑：何雯丽）
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