高溫后高強混凝土剪切強度與細觀結(jié)構

李志衛(wèi)，肖建莊，孫振平

（1.同濟大學 建筑工程系，上海 200092；2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；3.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306）

隨著社會發(fā)展，高強混凝土（HSC）在土木工程中的應用越來越廣泛.與普通混凝土（NSC）相比，HSC 雖然抗壓強度高、耐久性好，但抗火性能較差［1］.火災對HSC剪切強度的影響直接關系到結(jié)構的安全.國內(nèi)外專家已經(jīng)對常溫下HSC 和NSC 的剪切強度進行了研究，并取得了一定的成果［2－3］.混凝土剪切強度受到混凝土抗壓強度和骨料類型等因素的影響［4－5］，骨料咬合作用是混凝土開裂后剪切強度的主要來源之一［6］.隨著溫度的升高，HSC 的水泥漿體和骨料會發(fā)生一系列變化，進而對HSC的骨料咬合作用產(chǎn)生影響.

混凝土作為一種典型的多尺度材料，可以分為宏觀、細觀和微觀3個尺度等級.某一尺度等級的力學性能可以由下一尺度等級的結(jié)構特點作出解釋［7］，HSC的剪切強度和骨料咬合分別屬于宏觀和細觀尺度等級.本文通過push－off試驗研究了高溫后2種抗壓強度等級HSC 的剪切強度，同時采用數(shù)碼顯微鏡觀察HSC 剪切面的骨料咬合作用，從細觀尺度進一步分析了HSC 剪切強度隨溫度變化的機理.

1 試驗

1.1 試件制作

設計2種抗壓強度等級的HSC，L系列和H 系列（配合比如表1所示），其立方體抗壓強度分別為64.7，94.0MPa.試驗原材料為：42.5R（L 系列）和52.5R（H 系列）普通硅酸鹽水泥；900 級硅粉；S95級礦渣微粉；5～20mm（H 系列）和5～25mm（L 系列）硅質(zhì)碎石；細度模數(shù)為2.7的中砂；自來水；聚羧酸減水劑.

表1 HSC配合比Table 1 Mix proportion of HSC kg／m3

L 系列和H 系列各成型11個Z 型試件，試件尺寸如圖1所示，試件配置4根直徑8mm 的封閉箍筋，箍筋配筋率ρ＝1.12%，配筋方案參照文獻［5］.在試件厚度（150mm）方向距表面5，33mm（縱筋處）和75mm（中心處）各預埋1個熱電偶.

圖1 試件尺寸Fig.1 Dimensions of specimen（size：mm）

所有試件在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28d，再在自然環(huán)境下養(yǎng)護60d，然后進行高溫試驗.設計加熱溫度分別為200，400，800℃，每個溫度下同系列各3個試件，常溫下（20℃）同系列各2 個試件.為表述方便，對每個試件進行編號，如L－200－1表示L 系列HSC在經(jīng)歷設計溫度為200℃后的第1個試件.

1.2 高溫試驗

將試件放入電爐內(nèi)加熱，升溫速率為5℃／min，達到設計溫度后保持恒溫，直到試件中心與設計溫度的溫差小于10%時停止加熱.加熱過程中，H－800－1，H－800－2 和H－800－3試件發(fā)生了表面爆裂，但剪切面完好，經(jīng)表面修補后不會對下一步的push－off試驗產(chǎn)生影響.

1.3 Push－off試驗

將試件垂直放到試驗機上，試件上端和下端分別設置刀口和滾軸支撐.試件表面設置3個水平方向位移計來測量試件的裂縫寬度，另一面設置2個垂直方向位移計來測量試件的裂縫滑移.預設一個很小的試驗機力（如1kN），試件緩慢升高直到頂部與刀口剛好接觸，然后切換為位移加載方式，位移速率為0.05mm／min，計算機采集系統(tǒng)自動記錄試驗機力、裂縫寬度和裂縫滑移.當試驗機力基本不變時停止試驗，加載過程中試件沿剪切面開裂.

1.4 細觀結(jié)構觀察

Push－off試驗后，人工剪斷試件裂縫處的箍筋，使試件沿剪切面分開.采用VHX－5000系列數(shù)碼顯微鏡對試件剪切面細觀結(jié)構進行觀察.

2 Push－off試驗結(jié)果與分析

假設試件所受剪切應力沿剪切面均勻分布，則剪切極限荷載所對應的峰值剪切應力即試件的剪切強度.試件的剪切極限荷載Pu、剪切強度τu和骨料斷裂率ρf 列于表2，其中τu取同一工況下所有試件剪切強度的平均值.

表2 HSC剪切強度與骨料斷裂率Table 2 Shear strength and aggregate fracture rate of HSC

由表2可知，與常溫時相比，200℃后H 系列的平均剪切強度提高了8.15%.這可能是由于HSC中水泥漿體的結(jié)合水逐漸脫出，導致凝膠體顆粒的表面張力增大［8］，骨料咬合作用增強.設計溫度大于200℃之后，H 系列的剪切強度迅速降低，L 系列的剪切強度基本上呈直線下降；800℃后L 系列和H系列的平均剪切強度分別降低為常溫時的47.03%和43.87%.由表2還可以看出，高溫后，H 系列的剪切強度均大于L系列.

3 細觀結(jié)構分析

3.1 低倍和高倍顯微鏡下的細觀結(jié)構

采用數(shù)碼顯微鏡的低倍（8×）和高倍（50×）放大功能觀察各工況下第1個試件剪切面的細觀結(jié)構，不同工況下的剪切面特征如圖2，3所示，其中圖2中實線框表示斷裂骨料，虛線框表示未斷裂骨料.

圖2 低倍顯微鏡下HSC的細觀結(jié)構圖Fig.2 Meso－structure of HSC at low magnification microscope（8×）

由圖2可見，常溫時L 系列剪切面的骨料部分發(fā)生斷裂，而H 系列剪切面的骨料則全部斷裂.這是因為HSC中水泥漿體的抗壓強度大于骨料，在骨料咬合作用下骨料與水泥漿體相互擠壓，導致骨料斷裂而水泥漿體完好［2］.由圖3 可知，常溫時HSC骨料與水泥漿體緊密地黏結(jié)在一起，界面區(qū)密實完整，水泥漿體中觀察不到裂縫.200℃后2個系列剪切面細觀結(jié)構與常溫時基本相同（如圖3（a）～（d）所示），在宏觀力學性能上表現(xiàn)為HSC 剪切強度變化不大.

圖3 高倍顯微鏡下HSC的細觀結(jié)構圖Fig.3 Meso－structure of HSC at high magnification microscope（50×）

400℃后L 系列剪切面的骨料斷裂現(xiàn)象減少，而H 系列剪切面上開始出現(xiàn)未斷裂的骨料.這是因為隨溫度升高，水泥漿體出現(xiàn)微裂縫，抗壓強度逐漸下降.在骨料咬合作用下骨料從水泥漿體中被推出，而不會發(fā)生骨料斷裂.L 系列界面區(qū)和水泥漿體中都出現(xiàn)了裂縫，H 系列的界面區(qū)仍較為密實，但少數(shù)骨料內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，水泥漿體中出現(xiàn)少量的裂紋（如圖3（e），（f）所示）.隨溫度的升高，骨料受熱膨脹，在界面區(qū)引起內(nèi)應力從而產(chǎn)生裂縫.同時由于毛細水和凝膠水產(chǎn)生脫附，水泥漿體收縮導致裂縫出現(xiàn)，抗壓強度也隨之降低.在宏觀力學性能上表現(xiàn)為HSC剪切強度有一定的下降，其中H 系列表現(xiàn)出更高的剪切強度.

800℃后L 系列剪切面的骨料全都保存完好，骨料咬合作用與普通混凝土相同［6］.H 系列剪切面上未斷裂的骨料增多，但仍有相當數(shù)量的斷裂骨料.可見800 ℃后L 系列的水泥漿體抗壓強度大幅下降，H 系列的水泥漿體則保持較高的殘余抗壓強度.L系列的水泥漿體結(jié)構變得松散，甚至出現(xiàn)了肉眼可見的裂縫.H 系列水泥漿體凹凸不平，在骨料與水泥漿體的界面區(qū)亦可觀察到若干裂縫.2個系列的骨料與水泥漿體幾乎彼此分離，界面區(qū)和水泥漿體的裂縫清晰可見（如圖3（g），（h）所示）.隨溫度升高，C－S－H 開始分解，結(jié)合水產(chǎn)生脫附，連續(xù)的水泥漿體被破壞成分散狀的小塊，抗壓強度大幅降低.在宏觀力學性能上，800℃后HSC 的剪切強度大幅下降.

3.2 骨料斷裂對剪切強度的影響

由3.1節(jié)分析可知，高溫后HSC骨料的剪切斷裂隨溫度和混凝土抗壓強度的不同而發(fā)生變化.隨溫度的升高，HSC 剪切面上的骨料斷裂現(xiàn)象減少.相同溫度下，HSC 抗壓強度越高，骨料斷裂現(xiàn)象越嚴重.由于剪切強度亦受到溫度和混凝土抗壓強度的影響，可以推測骨料斷裂與高溫后HSC的剪切強度存在一定的關系.

定義圖2中骨料斷裂面積與整個圖片面積的比值為骨料斷裂率ρf，采用數(shù)字圖像處理技術對圖2進行二值化處理，得到各工況下HSC的骨料斷裂率ρf，見表2.

由表2可知，常溫時H 系列的骨料斷裂率ρf 約為L系列的2倍；200℃后，2個系列的ρf 變化均不大；400℃后，2個系列的ρf 均迅速減?。?00℃后，L系列已不存在骨料斷裂現(xiàn)象，H 系列的ρf 也降為常溫時的16.36%.除H－200 工況外，HSC 試件的剪切強度均隨骨料斷裂率的減小而降低.根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，擬合τu與ρf 的關系式如下：

L系列：

H 系列：

4 高溫后HSC骨料咬合退化機理分析

NSC中骨料抗壓強度大于水泥漿體抗壓強度，Walraven［3］據(jù)此建立了NSC的骨料咬合模型.HSC中骨料抗壓強度小于水泥漿體抗壓強度，在骨料咬合作用下存在骨料斷裂現(xiàn)象，Walraven等［2］在NSC骨料咬合模型的基礎上引入骨料斷裂縮減系數(shù)來計算HSC的應力.

隨著裂縫寬度的增大，高溫后試件剪切面上水泥漿體的摩擦力逐漸減小，剪應力主要由骨料咬合作用提供，因此Walraven等［2－3］提出的骨料咬合模型同樣適用于高溫后HSC.但是由試件剪切面的細觀結(jié)構可知，骨料斷裂情況隨溫度和HSC抗壓強度的不同而發(fā)生變化，因此文獻［2］中的正應力σ和切應力τ 表達式變?yōu)椋?/p>

式中：c為高溫后HSC 的骨料斷裂縮減系數(shù)；σpu為水泥漿體產(chǎn)生塑性變形時的法向應力；為單位剪切面積上與裂縫滑移和裂縫寬度方向?qū)慕佑|面積；μ 為高溫后HSC骨料和水泥漿體間的摩擦系數(shù).

5 結(jié)語

（1）200℃后H 系列的剪切強度較常溫下有所提高，其他工況下試件的剪切強度均隨溫度的升高而降低.800℃后L和H 系列的剪切強度分別降為常溫下的47.03%和43.87%.無論經(jīng)歷多高的溫度，HSC抗壓強度越高，其剪切強度也越大.

（2）HSC經(jīng)歷的溫度越高，試件剪切面上的骨料斷裂現(xiàn)象越少.HSC 抗壓強度越大，骨料斷裂越嚴重.高溫后HSC 的水泥漿體變得松散，甚至出現(xiàn)明顯的裂縫.

（3）常溫下和200℃后HSC的細觀結(jié)構基本沒有發(fā)生變化，400℃后HSC的界面區(qū)和水泥漿體中都產(chǎn)生了裂縫，800℃后HSC 的骨料與水泥漿體幾乎分離.在各溫度下，HSC抗壓強度越高，細觀結(jié)構越密實.

（4）常溫下和200℃后HSC剪切面上的骨料斷裂率基本不變，400 ℃后和800 ℃后骨料斷裂率減小，HSC的剪切強度隨之降低.

（5）根據(jù)HSC 剪切面的細觀結(jié)構變化，初步建立了高溫后HSC的骨料咬合模型.

［1］XIAO J Z，F(xiàn)ALKNER H.On residual strength of high－performance concrete with and without polypropylene fibres at elevated temperatures［J］.Fire Safety Journal，2006，41：115－122.

［2］WALRAVEN J C，STROBAND J.Shear friction in highstrength concrete［J］.ACI Special Publication，1994，149（17）：311－330.

［3］WALRAVEN J C.Fundamental analysis of aggregate interlock［J］.ASCE Journal of the Structural Division，1981，107（11）：2245－2270.

［4］REINHARDTH W，WALRAVEN J C.Cracks in concrete subject to shear［J］.ASCE Journal of the Structural Division，1982，108（ST1）：207－224.

［5］XIAO J Z，XIE H，YANG Z J.Shear transfer across a crack in recycled aggregate concrete［J］.Cement and Concrete Research，2012，42（5）：700－709.

［6］WALRAVEN J C，REINHARDT H W.Theory and experiments on mechanical behavior of cracks in plain and reinforced concrete subjected to shear loading［J］.Heron，1981，26（1）：40－47.

［7］ZHU W C，TANG C A.Numerical simulation on shear fracture process of concrete using mesoscopic mechanical model［J］.Construction and Building Materials，2002，16（8）：453－463.

［8］KHOURY G A，MAJORANA C E，PESAVENTO F，et al.Modelling of heated concrete［J］.Magazine of Concrete Research，2002，54（2）：77－101.