高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同高溫歷程后性能劣化研究

趙東拂， 高海靜， 賈朋賀， 文 豪， 楊健輝

(1.北京建筑大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心,北京 100044;2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044; 3.北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100044;4.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000；5.北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心,北京 100044)

高強(qiáng)混凝土因其出色的力學(xué)性能和耐久性能越來(lái)越廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，然而建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)問題也日益突出。建筑物遭受火災(zāi)等高溫后，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化，造成結(jié)構(gòu)性能受到不同程度的劣化，特別是高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂，具有突然性，其破壞會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的損傷。文獻(xiàn)[1-4]研究了加熱溫度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)高溫后高強(qiáng)混凝土質(zhì)量損失以及抗壓強(qiáng)度損失的影響，指出高強(qiáng)混凝土的外觀特征及抗壓性能均隨受熱溫度的升高而不斷劣化，燒失率和強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫后高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能劣化研究不僅僅在宏觀層面上，更關(guān)注其細(xì)微觀層面的變化。文獻(xiàn)[5-10]利用掃描電子顯微鏡、汞壓力測(cè)孔等手段對(duì)高溫后混凝土的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)使混凝土中形成部分新的孔洞和通道，同時(shí)隨著加熱溫度越高，水泥漿體越疏松，水化產(chǎn)物越不密實(shí)，骨料與水泥漿之間的黏結(jié)力越弱，裂縫擴(kuò)展程度越大。

綜上所述，各研究主要針對(duì)高溫后高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)變化，而未能將混凝土的高溫歷程、細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變化及宏觀力學(xué)性能劣化很好地聯(lián)系起來(lái)，且溫度工況不夠完備。因此，本文對(duì)經(jīng)歷不同加熱溫度和不同恒溫時(shí)間后C60高強(qiáng)混凝土的性能劣化進(jìn)行了試驗(yàn)研究,然后利用掃描電子顯微鏡、超聲及顯微硬度檢測(cè)等綜合手段觀察了高溫后高強(qiáng)混凝土細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的變化，從宏觀與細(xì)微觀角度揭示高溫后高強(qiáng)混凝土性能劣化機(jī)理，為高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能及火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)鑒定加固提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試塊制備

以C60混凝土為試驗(yàn)材料(配合比參照央視文化中心主體結(jié)構(gòu)混凝土材料，見表1)，制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。試塊加熱溫度為100～900 ℃，每間隔100 ℃為一小組；每組試塊加溫至指定溫度后分別恒溫0.5 h、1 h、2 h、3 h。

表1 高強(qiáng)混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為高溫試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)和細(xì)微觀試驗(yàn)，所有試驗(yàn)均在北京建筑大學(xué)進(jìn)行。

1.2.1 高溫試驗(yàn)

采用箱式電阻爐進(jìn)行高溫加熱試驗(yàn)，爐膛尺寸為300 mm×500 mm×200 mm，允許最高溫度1 000 ℃，溫度控制精度±1 ℃，如圖1所示。升溫時(shí)，將試塊放至電阻爐內(nèi)，初始溫度為室溫，以10 ℃/min的速率將試塊升至設(shè)定溫度，對(duì)于設(shè)定溫度超過600 ℃的試塊，為防止升溫過程中發(fā)生爆裂損壞儀器，在其外面包裹耐高溫鐵絲網(wǎng)，采取室溫冷卻方式。

圖1 儀器與試塊Fig.1 Machine and specimen

1.2.2 靜載試驗(yàn)

對(duì)經(jīng)歷不同加溫歷程后的試塊進(jìn)行靜載試驗(yàn)，首先使試塊軸心物理對(duì)中，進(jìn)行不大于上限荷載20%的預(yù)加、卸載3次，然后以0.3～0.8 MPa/s的速度施加壓力直至破壞，確定試塊的極限承載能力。所有試驗(yàn)均在減摩下進(jìn)行，在試塊表面用三層黃油夾三層塑料薄膜為減摩墊層[11]。

1.2.3 細(xì)微觀試驗(yàn)

采用對(duì)測(cè)法，使用單通道超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行超聲波測(cè)試。用游標(biāo)卡尺測(cè)量立方體試塊的測(cè)距，發(fā)射頻率為50 kHz。每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)試6次，取平均值作為該點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。將超聲測(cè)試完畢的立方體試塊，平行于加熱時(shí)的前后面沿中心線切割成大小相等的兩部分，將試樣穩(wěn)固的放置在剛性支座上，使壓頭與試樣表面接觸，垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，直至施加至規(guī)定值。用錘子仔細(xì)敲碎規(guī)定區(qū)域的樣品，挑選1 cm×1 cm左右的試樣供掃描電鏡拍照、壓汞法測(cè)孔隙使用。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1.1 試塊破壞形態(tài)

如圖2所示，試塊冷卻后，加溫至100 ℃和200 ℃的試塊顏色與高溫前基本無(wú)差別。當(dāng)加熱溫度為300 ℃恒溫時(shí)間為1 h時(shí)高強(qiáng)混凝土試塊整體或者部分顏色會(huì)呈現(xiàn)鐵銹紅，與常溫試塊的顏色對(duì)比非常明顯，直至加熱溫度為400 ℃恒溫時(shí)間為1h時(shí)試塊色澤鐵銹紅色消失，混凝土表面出現(xiàn)少量細(xì)微裂縫。其原因是在此溫度段混凝土中的水化鐵酸鈣(CaOFe2O3H2O)與Ca(OH)2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了紅褐色的Fe(OH)3沉淀物[10]。經(jīng)500 ℃、600 ℃高溫作用后，F(xiàn)e(OH)3分解為氧化鐵，紅色消失，混凝土試塊外觀變?yōu)闇\灰色，裂縫增加但沒有貫穿整個(gè)表面，大部份試塊外觀完整；個(gè)別試塊在加熱過程中發(fā)生爆裂，斷面比較粗糙，孔洞和裂紋較多。試塊經(jīng)700～900 ℃高溫作用后，試塊外表呈灰白色，與常溫的顏色對(duì)比明顯，試塊表面出現(xiàn)粗大裂縫，有的甚至貫穿整個(gè)試塊，裂紋之間互相貫通，整體結(jié)構(gòu)比較疏松。不同溫度歷程下，高強(qiáng)混凝土試塊呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，如表2所示。

圖2 加熱試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Heating test results

表2 高強(qiáng)混凝土高溫冷卻后外觀特征

高溫后高強(qiáng)混凝土試塊在單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的破壞形態(tài)如圖3所示。由于受高溫作用，高強(qiáng)混凝土在破壞前已有可視細(xì)微裂縫，當(dāng)達(dá)到峰值荷載后發(fā)生脆性破壞，并伴隨劇烈的劈裂聲，試塊出現(xiàn)嚴(yán)重的爆裂破碎現(xiàn)象。這是由于高強(qiáng)混凝土水泥膠凝體的強(qiáng)度已接近粗骨料的強(qiáng)度，使得裂縫的發(fā)展已無(wú)法像普通混凝土那樣受到粗骨料的阻擋與緩沖，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)試塊內(nèi)部積蓄的能量便以迅速和劇烈的方式釋放?？梢悦黠@地看到在單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，高強(qiáng)混凝土試塊被劈裂成多個(gè)小柱體，試塊破壞面平行于壓應(yīng)力方向，垂直于自由面，形成一個(gè)或多個(gè)破壞面，稱之為柱狀破壞。其破壞形態(tài)為柱狀壓潰，具體的形態(tài)與施加的應(yīng)力水平有關(guān)，有些試塊甚至呈現(xiàn)散狀碎塊的破壞形態(tài)。這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)[12-14]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 高強(qiáng)混凝土受壓破壞形態(tài)Fig.3 Failure of HSC under uniaxial compression loads

2.1.2 高溫爆裂機(jī)理

爆裂現(xiàn)象是混凝土在高溫時(shí)內(nèi)部損傷達(dá)到最大、能量釋放的一種表現(xiàn)，其特征是：伴隨著爆裂，混凝土以動(dòng)態(tài)的方式從其結(jié)構(gòu)表面剝落，并分解成大量的碎塊；尤其在快速升溫的過程中，更易產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，且往往具有突發(fā)性、破壞性。因?yàn)楦邷乇央y以預(yù)見，往往導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的完整性喪失，所以應(yīng)該引起廣泛的重視。

目前，盡管對(duì)混凝土高溫爆裂機(jī)理研究較多，但由于材料本身的變異性及高溫破壞問題的復(fù)雜性，高強(qiáng)混凝土高溫爆裂機(jī)理尚無(wú)定論。普遍認(rèn)同的爆裂機(jī)理有兩種，一是蒸汽壓機(jī)理，二是熱應(yīng)力機(jī)理[15-16]。蒸汽壓機(jī)理認(rèn)為孔隙壓力是導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土高溫爆裂的主要因素，高強(qiáng)混凝土內(nèi)部溫度隨著溫度的增高而相應(yīng)增加，使內(nèi)部的自由水和結(jié)合水開始蒸發(fā)并具有移動(dòng)的趨勢(shì)，而高強(qiáng)混凝土高度致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和互不貫通的毛細(xì)孔阻止了高溫蒸發(fā)后水蒸氣的移動(dòng)，導(dǎo)致毛細(xì)孔內(nèi)的孔隙壓力增大而發(fā)生爆裂。熱應(yīng)力機(jī)理認(rèn)為由于混凝土的熱惰性，使得火災(zāi)高溫在混凝土內(nèi)部溫度不均勻，產(chǎn)生很大的溫度梯度，溫度梯度在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生兩相或三相的熱應(yīng)力，而且熱應(yīng)力隨著溫度的升高而增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)爆裂發(fā)生。

與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土更容易發(fā)生爆裂，且受熱溫度越高，混凝土等級(jí)越高，爆裂發(fā)生的幾率和劇烈程度越大[5,17]。原因在于高強(qiáng)混凝土受火時(shí)，其內(nèi)外溫差較大，內(nèi)部溫度梯度比較大；隨著加熱溫度的升高，高強(qiáng)混凝土表面裂縫寬度、孔隙率逐漸變大，其內(nèi)部水分蒸發(fā)增多、孔隙壓力增大，當(dāng)壓力在其內(nèi)部積聚并超過高強(qiáng)混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土產(chǎn)生破壞并發(fā)生爆裂。由此可見，高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂機(jī)理是蒸汽壓原理和熱應(yīng)力原理的共同作用。

2.2 質(zhì)量損失率

高溫后高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量變化如圖4和表3所示。混凝土在高溫條件下，其中的水分會(huì)逐漸喪失、碳化物逐漸水化分解，由此造成高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失可以間接表明混凝土經(jīng)不同高溫歷程后的損傷程度。質(zhì)量損失率(燒失量)可以由以下公式確定：

(1)

式中：ml是質(zhì)量損失率(%)；m1是高溫前混凝土試塊的質(zhì)量(kg)；m2是高溫后混凝土試塊質(zhì)量(kg)。

表3 高溫后試塊質(zhì)量損失

從圖4和表3可以看出，高強(qiáng)混凝土的燒失量隨著加熱溫度和恒溫時(shí)間的增加而呈逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)加熱溫度不同恒溫時(shí)間相同時(shí)，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土的燒失量隨加熱溫度升高緩慢上升，平均燒失量達(dá)到3.5%左右，主要是由于內(nèi)部自由水和凝膠結(jié)合水的蒸發(fā)；400～600 ℃之間，高強(qiáng)混凝土的燒失量隨加熱溫度升高而增加的幅度變大，主要是由于混凝土內(nèi)部結(jié)合水開始分離，水泥中的水化硅酸鈣、鋁酸鈣、氫氧化鈣等水化物分解脫水揮發(fā)；700～900 ℃之間，高強(qiáng)混凝土的燒失量急劇增大，最高達(dá)7%左右，這是由于氫氧化鈣、碳酸鈣的進(jìn)一步分解。

當(dāng)恒溫時(shí)間不同加熱溫度相同時(shí)，高強(qiáng)混凝土的燒失量會(huì)隨著恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。隨著恒溫時(shí)間的不同，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土燒失量的變化趨勢(shì)大致相同，增幅不明顯。恒溫0.5 h、1 h和2 h時(shí)高強(qiáng)混凝土的燒失量逐漸增大，但變化幅度不大，而恒溫3 h高強(qiáng)混凝土的燒失量變化幅度變大；400 ℃以后，不同恒溫時(shí)間下高強(qiáng)混凝土的燒失量會(huì)隨著溫度的升高迅速增加，上升幅度較大，900 ℃恒溫3 h時(shí)高強(qiáng)混凝土的燒失量急劇增大。相對(duì)恒溫時(shí)間的不同，加熱溫度的變化對(duì)高強(qiáng)混凝土的燒失量影響更大。

2.3 基本力學(xué)性能劣化

2.3.1 抗壓強(qiáng)度損失

通過靜力試驗(yàn)，測(cè)得常溫下標(biāo)準(zhǔn)試塊減摩后的抗壓強(qiáng)度為49.6 MPa[19]，高溫后高強(qiáng)混凝土試塊殘余抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同高溫歷程后高強(qiáng)混凝土基本力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)值

混凝土經(jīng)歷高溫后，其殘余力學(xué)性能可以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)高溫后的承載能力，而其強(qiáng)度損失采用折減系數(shù)去表征，即α=fcT/fc，δ=ET/E。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同溫度下抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù)如式(2a)～式(2d)和圖5所示。其中，α0.5、α1、α2、α3分別表示恒溫0.5 h、1 h、2 h和3 h。

α0.5=1.098 1-9×10-4T,20 ℃

(2a)

α1=0.983 3+7×10-4T,20 ℃

圖4 經(jīng)不同加溫溫度與恒溫時(shí)間后高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量變化Fig.4 Quality change of HSC after different heating temperature and constant temperature

圖5 殘余抗壓強(qiáng)度比與加熱溫度和恒溫時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between the residual compressive strength ratio with heating time and temperature

α2=1.078-9×10-4T,20 ℃

(2c)

α3=1.070 3-1×10-3T,20 ℃

由圖5可知，各高溫工況下高強(qiáng)混凝土試塊的殘余抗壓強(qiáng)度隨著試塊加熱溫度和恒溫時(shí)間的增加，總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)加熱溫度不同恒溫時(shí)間相同時(shí)，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度隨加熱溫度升高而降低的幅度不大，下降了大約10 MPa，強(qiáng)度損失20%左右，在200 ℃和300 ℃時(shí)殘余抗壓強(qiáng)度還會(huì)略微提高；400 ℃以后高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度隨加熱溫度升高而降低的幅度增大。這是因?yàn)樵?00 ℃范圍內(nèi)，混凝土內(nèi)的水泥交替失去自由水而收縮，孔結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生強(qiáng)度較高的水化結(jié)合物-水化碳酸鈣，從而加強(qiáng)了膠體同骨料間的咬合力致使強(qiáng)度回升，有時(shí)甚至超過混凝土常溫時(shí)的強(qiáng)度，但在400 ℃左右達(dá)到峰值；400 ℃以后，混凝土內(nèi)部水化物CH大量分解，水泥收縮與骨料膨脹加速了裂縫擴(kuò)展，混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞，殘余抗壓強(qiáng)度開始逐漸下降，隨著溫度的進(jìn)一步升高，裂縫不斷擴(kuò)展、貫通直至破壞，甚至出現(xiàn)爆裂；900 ℃時(shí)已降低至10 MPa左右，強(qiáng)度僅剩余大約20%，主要原因是C-S-H膠凝分解，高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)徹底破壞。

當(dāng)恒溫時(shí)間不同加熱溫度相同時(shí)，高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)而減少。隨著恒溫時(shí)間的不同，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)大致相同，劣化程度不明顯。在恒溫0.5 h和1 h時(shí)，高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度略微上升，此時(shí)少量自由水的蒸發(fā)促進(jìn)水泥水化，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的致密；而恒溫2 h、3 h的混凝土試塊的殘余抗壓強(qiáng)度則是先略微下降后略微上升；由于恒溫時(shí)間較長(zhǎng)，造成混凝土內(nèi)部自由水大量蒸發(fā)，除去進(jìn)行水泥水化，其余部分產(chǎn)生了大量孔隙，造成強(qiáng)度降低，但是當(dāng)溫度在300 ℃左右時(shí)，CH凝膠中部分結(jié)晶水開始脫水，自由水蒸發(fā)后產(chǎn)生類似“蒸養(yǎng)”的效果，引起強(qiáng)度的增加。400 ℃以后，不同恒溫時(shí)間下高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高迅速降低，劣化程度較大。值得注意的是，高溫后高強(qiáng)混凝土經(jīng)冷卻，骨料變形逐漸恢復(fù)，而水泥漿體脫水無(wú)法恢復(fù)，使得骨料與水泥漿體間的微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，混凝土性能進(jìn)一步降低。高強(qiáng)混凝土高溫后強(qiáng)度變化規(guī)律與外觀狀貌是一致的，可以通過高溫后高強(qiáng)混凝土的顏色、裂縫、爆裂情況，初步判斷高強(qiáng)混凝土火災(zāi)中經(jīng)受的溫度范圍，繼而判斷高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度。相對(duì)恒溫時(shí)間的不同，加熱溫度的變化對(duì)高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的劣化影響更大。

2.3.2 彈性模量

在材料力學(xué)中，當(dāng)材料在線彈性范圍內(nèi)工作時(shí)，通常用彈性模量表示壓力與應(yīng)變之間的關(guān)系，即E=σ/ε。由于高溫后高強(qiáng)混凝土彈性模量不易測(cè)得，本文以應(yīng)力應(yīng)變曲線σ=0.4fc時(shí)的割線模量近似作為彈性模量，其變化規(guī)律如式(3)和圖6所示。

δ0.5=1.051 6-3×10-4T,20 ℃

δ1=1.011 7-3×10-4T,20 ℃

δ2=1.050 6-4×10-4T,20 ℃

(3c)

δ3=1.027 5-4×10-3T，20 ℃

(3d)

圖6 殘余彈性模量比與加熱溫度和恒溫時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between the residual elastic modulus ratio with heating time and temperature

由圖6可以看出，高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量隨著加熱溫度的升高與恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)，總體呈衰減趨勢(shì)，與文獻(xiàn)[20]的結(jié)論相同。主要是因?yàn)楦邷叵赂邚?qiáng)混凝土內(nèi)部的損失不可恢復(fù)所致。當(dāng)加熱溫度不同恒溫時(shí)間相同時(shí)，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量隨加熱溫度升高而緩慢下降，下降了大約5%，在200 ℃和300 ℃時(shí)殘余彈性模量還會(huì)略微提高，與高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的劣化規(guī)律相似；400 ℃以后高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量隨加熱溫度的升高而急劇下降，900 ℃時(shí)已下降至70%。當(dāng)恒溫時(shí)間不同加熱溫度相同時(shí)，高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量會(huì)隨著恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。隨著恒溫時(shí)間的不同，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土殘余彈性模量的變化趨勢(shì)大致相同，劣化程度不明顯，在恒溫1h和2h時(shí)高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度略微上升；400 ℃以后，不同恒溫時(shí)間下高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量會(huì)隨著溫度的升高迅速降低，劣化程度較大。相對(duì)恒溫時(shí)間的不同，加熱溫度的變化對(duì)高強(qiáng)混凝土彈性模量的劣化影響更大。

2.4 細(xì)微觀結(jié)構(gòu)性能劣化分析

2.4.1 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果及分析

常溫下混凝土試塊掃描電鏡照片如圖7所示，混凝土中水泥水化漿體間結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)完整，水化產(chǎn)物狀態(tài)良好、未分解，各物相間密實(shí)、連續(xù)，未見結(jié)晶水的喪失，水泥漿體中大量存在凝膠。

圖7 常溫下的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos at room temperature

圖8 400 ℃恒溫1 h的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of temperature thermostat 1 h at 400 ℃

圖8是經(jīng)歷400 ℃高溫，恒溫1 h的掃描電鏡結(jié)果，顯示混凝土多孔狀態(tài)加劇，自由水和結(jié)合水基本全部蒸發(fā)，鈣礬石AFt晶體全部脫水分解，CH也有少量發(fā)生分解，水化產(chǎn)物已經(jīng)顯著分解，殘余凝膠顯著少于正常條件下凝膠，出現(xiàn)分層，產(chǎn)生裂縫。圖9是經(jīng)歷400 ℃高溫，恒溫3 h的掃描電鏡結(jié)果，可見隨著恒溫時(shí)間的增加水泥水化漿體多孔狀態(tài)進(jìn)一步加劇，出現(xiàn)明顯酥松的現(xiàn)象；水化產(chǎn)物凝膠已經(jīng)明顯分解，各物相間更加酥松、不緊密。經(jīng)歷500～700 ℃高溫后，水泥水化漿體酥松、裂紋縱橫交錯(cuò)；此時(shí)水化產(chǎn)物分解完畢，分解的凝膠松散非連續(xù)，各物相間已經(jīng)嚴(yán)重分散；結(jié)晶水嚴(yán)重散失。圖10表明900 ℃高溫后水泥水化漿體松散，水化產(chǎn)物之間連續(xù)性差，凝膠分解的部位已經(jīng)連通成空隙區(qū)域，各物相間已經(jīng)嚴(yán)重分散。

圖9 400 ℃恒溫3 h的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM photos of temperature thermostat 3 h at 400 ℃

圖10 900 ℃后試塊的SEM掃描結(jié)果Fig.10 SEM photos at 900 ℃

2.4.2 超聲波檢測(cè)結(jié)果及分析

采用對(duì)缺陷敏感的聲時(shí)、波幅和頻率三個(gè)聲學(xué)參數(shù)對(duì)高溫后高強(qiáng)混凝土損傷情況進(jìn)行表征。恒溫時(shí)間相同的條件下，與基準(zhǔn)混凝土相比，聲時(shí)隨著溫度的升高而增加。經(jīng)歷高溫100～400 ℃的試塊，其波幅和頻率緩慢減??；400～900 ℃，隨著溫度的升高，波幅和頻率迅速下降，如圖11所示。高溫400 ℃條件下，高溫歷時(shí)(0.5 h、1 h、2 h、3 h)的增加對(duì)混凝土的波幅和頻率影響不大，聲時(shí)卻顯著增加。

圖11 聲時(shí)、波幅、頻率與加熱溫度和恒溫時(shí)間的關(guān)系Fig.11 Relationship between sonic time、amplitude and frequency of sample with heating time and temperature

2.4.3 顯微硬度測(cè)試結(jié)果及分析

高強(qiáng)混凝土的顯微硬度隨著溫度的升高及恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。未經(jīng)歷高溫的基準(zhǔn)混凝土，其維氏硬度為52.50 GPa。高溫100～300 ℃條件下恒溫時(shí)間相同時(shí)，隨著溫度的升高，維氏硬度不斷增加，高溫300 ℃的試塊的維氏硬度達(dá)到最高為98.25 GPa。300～900 ℃隨著溫度升高，維氏硬度降低，原因在于此時(shí)水化產(chǎn)物開始分解，結(jié)構(gòu)開始劣化。高溫歷時(shí)的變化對(duì)顯微硬度的影響更大。400 ℃恒溫0.5 h顯微硬度為138.25 GPa，恒溫3 h顯微硬度降低至45.5 GPa。與經(jīng)歷高溫400 ℃，恒溫1 h相比，高溫600 ℃恒溫1 h的試塊維氏硬度降低了5.15 GPa；但高溫400 ℃，恒溫3 h時(shí)維氏硬度降低34.9 GPa，說明恒溫時(shí)間的變化對(duì)顯微硬度的影響更大。

2.4.4 壓汞測(cè)試結(jié)果及分析

如圖12所示，常溫下基準(zhǔn)混凝土的孔徑32.4 nm處有一個(gè)汞壓入量的尖銳峰值0.041 42 mL/g，其它的峰值大概都在0.013 mL/g以下，孔隙結(jié)構(gòu)分布于1 nm～1 mm之間，主要分布于100 nm以下，集中分布在30 nm左右，峰值出現(xiàn)在30 nm左右；400 ℃高溫恒溫1h后孔徑77.1 nm處有一個(gè)汞壓入量的峰值0.068 13 mL/g，峰的寬度為4.5～1 046.9 nm，其它的峰值均小于0.012 mL/g；400 ℃高溫恒溫3 h后孔徑95.4 nm處有一個(gè)汞壓入量的峰值0.068 13 mL/g，峰的寬度為4.0～347.2 nm；在366.967 2 μm處有一個(gè)極尖銳的峰值0.120 9 mL/g，峰寬很窄，表明此時(shí)有較大的孔隙缺陷存在。經(jīng)歷400 ℃高溫隨著恒溫時(shí)間的增加孔隙顯著增加，表明凝膠分解或者結(jié)晶水加速散失，汞壓入量的峰值遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)混凝土，而恒溫3 h的混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布呈現(xiàn)出納米級(jí)孔隙減少現(xiàn)象，這是由于長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下，凝膠熔融成為整體[10]；經(jīng)歷900 ℃高溫恒溫0.5 h混凝土中孔徑在370 μm左右的孔隙顯著增多。高溫后的高強(qiáng)混凝土，由于凝膠分解孔隙結(jié)構(gòu)分布呈現(xiàn)出納米級(jí)某個(gè)孔徑孔隙顯著增多的現(xiàn)象。

(a) 常溫下孔結(jié)構(gòu)分布圖

(b) 400 ℃恒溫1 h孔結(jié)構(gòu)分布圖

(c) 400 ℃恒溫3 h孔結(jié)構(gòu)分布圖

(d) 900 ℃恒溫0.5 h孔結(jié)構(gòu)分布圖圖12 經(jīng)不同加熱溫度與恒溫時(shí)間后孔結(jié)構(gòu)分布圖Fig.12 Distribution of pore structure at different heating time and temperature

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)不同高溫歷程后高強(qiáng)混凝土的色澤逐漸變淺，從300 ℃恒溫1 h時(shí)開始混凝土試塊呈鐵銹紅色，直到400 ℃恒溫2 h時(shí)鐵銹紅色消失，700～900 ℃試塊表面呈灰白色；500 ℃左右時(shí)部分高強(qiáng)混凝土試塊會(huì)發(fā)生爆裂，較普通混凝土的爆裂溫度低很多，但其爆裂機(jī)理較普通混凝土更加符合蒸汽壓原理和熱壓力原理共同作用的解釋。

(2)相比普通混凝土，高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同高溫歷程后的力學(xué)性能劣化程度較大。隨著加熱溫度與恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)，高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及彈性模量總體呈逐漸減小的趨勢(shì)，其變化規(guī)律與普通混凝土基本一致。相對(duì)恒溫時(shí)間的不同，加熱溫度的變化對(duì)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能劣化的影響更大。

(3)隨著加熱溫度的升高與恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)，高強(qiáng)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)逐漸變差，與其力學(xué)性能的劣化規(guī)律相似。主要表現(xiàn)為，聲時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的增加，而波幅、主頻率、顯微硬度等總體呈下降趨勢(shì)，其中恒溫時(shí)間的變化對(duì)顯微硬度的影響較大；結(jié)晶水不斷散失，漿體連續(xù)性逐漸變差，鈣礬石、針狀凝膠不斷劣化，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布呈孔隙增多的現(xiàn)象。

(4)高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能劣化和細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變化之間存在客觀聯(lián)系。經(jīng)不同高溫歷程后，凝膠分子、水泥水化物等受熱分解，使其表面和內(nèi)部產(chǎn)生孔隙和微裂紋，這是造成宏觀力學(xué)性能劣化的根本原因。

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