高溫狀態(tài)下微粒混凝土力學(xué)性能研究

潘正寧，田美靈，施騫，張銘強(qiáng)，白體新

（1. 浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316000；2. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

0 引言

隨著近年來(lái)建筑火災(zāi)發(fā)生頻率的持續(xù)升高，混凝土的抗高溫性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。微?；炷潦悄壳氨姸嘌芯空呤褂谜駝?dòng)臺(tái)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)縮尺試驗(yàn)時(shí)替代普通混凝土的一種材料。已有的研究結(jié)果[1-3]已經(jīng)表明，具有一定骨料配比的微?；炷猎诔叵履芎芎玫乇碚髌胀ɑ炷恋母黜?xiàng)力學(xué)性能。然而，關(guān)于微?；炷猎诟邷刈饔孟铝W(xué)性能變化的研究較少。本文將針對(duì)微粒混凝土在高溫下的力學(xué)性能開(kāi)展相關(guān)研究，并與普通混凝土進(jìn)行比較。

由于混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及試驗(yàn)材料和方法的差異，目前關(guān)于普通混凝土在高溫作用下抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律的研究并沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。鈕宏[4]對(duì) 800℃ 內(nèi)不同溫度和荷載共同作用下混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出抗壓強(qiáng)度總體隨溫度升高而下降，但在 400℃ 左右有回升的結(jié)論；賈彬[5]使用微波爐加熱混凝土，表明抗壓強(qiáng)度在 300～400℃ 間隨溫度升高而加強(qiáng)；時(shí)旭東[6]重點(diǎn)研究低于 500℃ 的亞高溫區(qū)段混凝土的力學(xué)性能，表明 100～250℃ 內(nèi)抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大且在 100℃ 附近形成強(qiáng)度波谷；過(guò)鎮(zhèn)海[7]對(duì)先升溫后加載與先加載后升溫兩種途徑下混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并建立了任意溫度—應(yīng)力途徑下混凝土本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算公式；南建林[8]在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究不同途徑的升溫加載方式對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，給出了普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的上下限計(jì)算公式；李寧波[9]分析了混凝土殘余強(qiáng)度的衰減規(guī)律，認(rèn)為混凝土在高溫作用后會(huì)經(jīng)歷低溫衰退、強(qiáng)度恢復(fù)、高溫衰退等三個(gè)階段。

對(duì)于微?；炷敛牧希F(xiàn)有的研究主要集中在常溫下彈性模量和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)受應(yīng)變率、尺寸效應(yīng)和其他材料摻量的影響。楊政[1]研究了微?；炷潦軌簳r(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，證明了其與普通混凝土具有相似性；沈德建[2]從加載應(yīng)變率、靜態(tài)初始荷載、尺寸效應(yīng)三個(gè)方面研究微粒混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律，并建立了考慮尺寸效應(yīng)的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式；沈朝勇[3]在微?；炷林袚饺氩煌N類的材料，配制了相關(guān)的微?；炷?。通過(guò)動(dòng)力模型試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)加入陶粒、粉煤灰、浮石的微?；炷恋膹椥阅Ａ坑兴档?，其中浮石的效果最為明顯。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì) 25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃ 等 8 種不同溫度下的微?；炷猎嚇舆M(jìn)行測(cè)試，探討了高溫作用下微?；炷翉椥阅Ａ亢涂箟簭?qiáng)度的變化規(guī)律，并與普通混凝土進(jìn)行對(duì)比，為微粒混凝土的研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方案介紹

1.1 微粒混凝土的制作

微?；炷潦怯伤?、粗細(xì)骨料和水按照一定比例配制而成的混合物。它以 2.5～5mm 的碎石作為粗骨料，小于 2.5mm 的砂礫作為細(xì)骨料。由于骨料粒徑發(fā)生了變化，混凝土的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在進(jìn)行微?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先考慮試樣的受力方式和受力特點(diǎn)。本試驗(yàn)主要研究用來(lái)表征 C30 混凝土的微?；炷猎诟邷貤l件下的彈性模量和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，因此設(shè)計(jì)配合比時(shí)應(yīng)主要考慮微?；炷恋目箟簭?qiáng)度和同強(qiáng)度等級(jí)原型混凝土相同?；谝延醒芯拷?jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)四種不同配合比（如表 1）測(cè)試其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù) 28 天的立方體抗壓強(qiáng)度，并與 C30 混凝土進(jìn)行比較，每組配合比制作三個(gè)尺寸為150mm×150mm×150mm 的立方體試樣。

水泥采用海螺牌 P·O32.5 R 普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用舟山碎石，細(xì)骨料采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，細(xì)度模數(shù)為 2.74，骨料級(jí)配見(jiàn)表 2。試樣攪拌均勻后放置在振動(dòng)鋼平臺(tái)上振搗。24 小時(shí)后脫模，放入溫度 20℃、濕度98% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù) 28 天后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，四組配合比的微?；炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表 1。試驗(yàn)結(jié)果表明：第 1 組配合比制作而成的微?；炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度和 C30 混凝土相似，符合本試驗(yàn)預(yù)期要求。因此選用第 1 組配合比作為本試驗(yàn)的微?；炷僚浜媳取?/p>

表 1 四種不同微?；炷僚浜媳燃捌淞⒎襟w抗壓強(qiáng)度值

表 2 骨料連續(xù)級(jí)配表

1.2 試驗(yàn)方案

微粒混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用 YAW 微機(jī)控制液壓壓力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)開(kāi)始前，先將尺寸為150mm×150mm×150mm 的微?；炷猎嚇臃胖迷跍乜叵渲屑訜?，溫控箱采用德國(guó) Willi-Memmert GmbH 設(shè)備，最高加熱溫度可達(dá) 700℃。當(dāng)加熱到指定溫度后，維持該溫度 6 個(gè)小時(shí)，確保微?；炷猎噳K溫度場(chǎng)均勻，模擬完全燒透狀態(tài)。取出加熱后的試塊，將其放置于壓力試驗(yàn)機(jī)上，將試塊與空氣接觸部分用石棉完全包裹，減少加載過(guò)程中試塊表面溫度的耗散（如圖 1）。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整，保證試樣對(duì)中放置。緩慢加載，直至試樣壓裂破壞，由試驗(yàn)機(jī)直接讀出試樣破壞時(shí)的極限壓應(yīng)力，計(jì)算得到微?；炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象

在 25～200℃ 范圍內(nèi)進(jìn)行加熱試驗(yàn)，微?；炷良訜崆液銣?6 小時(shí)后，試塊表面顏色同常溫，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂縫、掉角、表皮脫落等現(xiàn)象。溫度高于 150℃后，試塊取出后能明顯看到表面冒出水蒸氣并伴有爆裂聲。

試塊的破壞形式也隨溫度升高有所不同。圖 2 為不同溫度作用后加載至破壞的試塊的對(duì)比圖。從圖中可以看到：加熱溫度為 100℃ 以下的試塊受壓破壞現(xiàn)象多為貫穿試塊的斜裂縫，邊角雖然較為完整，但表皮脫落現(xiàn)象嚴(yán)重；當(dāng)溫度范圍在100～200℃ 之間時(shí)，能明顯看到試塊中部出現(xiàn)豎向裂縫，且伴有眾多微小裂縫，但試塊邊角較為完整。這與時(shí)旭東等人[6]得到的普通混凝土在 200℃ 以內(nèi)的高溫破壞形式相類似。

圖 1 YAW 微機(jī)控制液壓壓力試驗(yàn)機(jī)加載試驗(yàn)過(guò)程

圖 2 不同溫度下試塊加載破壞情況

2.2 高溫失重率分析

不同溫度下微粒混凝土的高溫失重率（△m/m0）見(jiàn)表 3。其中△m 為加熱后微粒混凝土試塊損失的重量，m0為常溫下試塊的重量。從圖 3 可以看出在 200℃ 范圍內(nèi)，作用溫度對(duì)微粒混凝土的高溫失重率影響較為明顯，隨溫度升高混凝土的失重率將明顯上升。時(shí)旭東[6]給出了普通混凝土在升溫至 500℃ 的過(guò)程中失重率的變化情況（如圖 4）。對(duì)比其在 100～200℃ 范圍內(nèi)失重率的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)為一條近似直線，而本試驗(yàn)的曲線斜率越來(lái)越大。反映出微?；炷恋母邷厥е芈孰S溫度升高增加得越來(lái)越快。當(dāng)升高至同一溫度時(shí)，對(duì)比普通混凝土，微?；炷烈蚋邷囟鴮?dǎo)致的水分損耗更多。本試驗(yàn)中的微?；炷恋母邷厥е芈适俏墨I(xiàn) [6] 普通混凝土失重率的 3 倍，說(shuō)明了混凝土的骨料粒徑對(duì)于高溫失重率有著較為明顯的影響：骨料粒徑越小，混凝土升溫后的失重率越大，損耗的水分越多。

表 3 不同溫度微?；炷粮邷厥е芈势骄?/p>

2.3 試驗(yàn)微觀現(xiàn)象

本試驗(yàn)采用了 SEM 掃描電鏡對(duì)不同溫度作用后的微?；炷吝M(jìn)行了微觀分析。分別從 8 組不同溫度作用后的微粒混凝土試塊中切取鱗片狀混凝土片進(jìn)行 SEM試驗(yàn)，圖 5、圖 6 分別為放大×2000 倍 25℃ 與 200℃下的微觀掃面結(jié)果。

圖 3 本試驗(yàn)微粒混凝土高溫失重率

圖 4 文獻(xiàn) [6] 給出的高溫失重率

圖 5 25℃ 作用后 SEM 結(jié)果

圖 6 200℃ 作用后 SEM 結(jié)果

對(duì)比不同溫度下的電鏡掃描圖可以看到：常溫下微?；炷猎噳K中的孔洞較少，這些孔洞是前期制作時(shí)振搗的不均勻以及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土中的游離態(tài)水分蒸發(fā)而導(dǎo)致的。對(duì)比常溫下的微粒混凝土，200℃ 作用后的SEM 結(jié)果中孔洞數(shù)量越來(lái)越多，且分布得更加密集。其可能原因是混凝土內(nèi)部的游離態(tài)的水以及部分結(jié)晶水隨著溫度升高開(kāi)始耗散，由于水蒸汽的溢出導(dǎo)致了許多新的孔洞的形成，進(jìn)一步降低了微?；炷恋母邷匦阅?。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 高溫下抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

表 4 給出在 25～200℃ 范圍內(nèi) 8 個(gè)不同溫度下微粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的平均值。從圖 7 中可以看到，抗壓強(qiáng)度在 25～100℃ 之間呈線性下降趨勢(shì)，在100～150℃ 之間強(qiáng)度有明顯的回升現(xiàn)象。超過(guò) 150℃后強(qiáng)度又開(kāi)始明顯下降。微?；炷恋目箟簭?qiáng)度隨著溫度變化的規(guī)律與普通混凝土[6]在該溫度范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)較為相似，都在 125～150℃ 范圍內(nèi)有所回升，因?yàn)樵谠摐囟确秶鷥?nèi)，之前未水化的水泥顆粒的水化反應(yīng)達(dá)到峰值，促使試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得致密，有助于強(qiáng)度的提高。當(dāng)溫度達(dá)到 150℃ 附近時(shí)，水泥膠凝材料中的結(jié)合水脫出，加強(qiáng)了骨料和水泥膠凝材料間的咬合作用，也有利于強(qiáng)度的提高。

表 4 不同溫度微?；炷恋目箟簭?qiáng)度平均值

圖 7 微?；炷量箟簭?qiáng)度隨溫度變化曲線

3.2 高溫下彈性模量變化規(guī)律

本試驗(yàn)基于 Buckingham π 定理，采用量綱分析法進(jìn)行微?；炷料嗨脐P(guān)系設(shè)計(jì)。質(zhì)量系統(tǒng)作為基本量綱：骨料尺寸相似常數(shù) CL=1/4、質(zhì)量密度相似常數(shù)Cρ=1、彈性模量相似常數(shù) CE=1/4。表 5 為 8 組不同溫度條件下微?；炷翉椖Ｆ骄?。由表 5 可得：微?；炷恋膹椥阅Ａ糠舷嗨脐P(guān)系要求。圖 8 為彈性模量與溫度的變化曲線圖，其中實(shí)線為實(shí)測(cè)值，虛線為擬合曲線。由圖可得，溫度范圍在 200℃ 內(nèi)，微?；炷僚c普通混凝土類似，彈性模量隨著溫度升高，總體來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中，彈性模量在 25～50℃ 以及 150～200℃ 下降較為明顯，降幅分別達(dá)到了 9.4%和 10.3%。對(duì)照表格數(shù)據(jù)可以看到，溫度在 125℃ 附近時(shí)，彈性模量重新呈上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到 150℃ 附近，彈性模量的值達(dá)到了峰值點(diǎn)。

參考文獻(xiàn) [7] 中對(duì)普通混凝土彈模隨著溫度變化的擬合曲線的計(jì)算方法。現(xiàn)將本試驗(yàn)中彈模隨溫度變化的關(guān)系擬合為式 (1)：

式中：ET——不同溫度條件下微?；炷恋膹椥阅Ａ?；

E——常溫時(shí)（25℃）微?；炷恋膹椥阅Ａ?。

將本試驗(yàn)的彈性模量變化擬合曲線與文獻(xiàn) [4]、[7]中的擬合曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖 9 所示，由圖可見(jiàn)該曲線與文獻(xiàn) [7] 中普通混凝土 40% 峰值應(yīng)力處的割線模量隨溫度變化的擬合曲線斜率相近，說(shuō)明了微粒混凝土的彈性模量隨溫度變化的規(guī)律與普通混凝土相似。

表 5 不同溫度微粒混凝土的彈性模量平均值

圖 8 不同溫度微?；炷恋膹椥阅Ａ?/p>

圖 9 彈性模量隨溫度變化擬合曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

本試驗(yàn)的主要結(jié)論如下：

（1）高溫作用后，微?；炷恋募虞d破壞形式隨著溫度升高有所不同：100℃ 以下破壞形式為貫穿試塊的斜裂縫，超過(guò) 100℃ 時(shí)試塊中部出現(xiàn)較大裂縫，該破壞形式與普通混凝土相似。

（2）骨料粒徑越小，混凝土升溫后的失重率越大，損耗的水分越多。25～200℃ 范圍內(nèi)微?；炷恋母邷厥е芈适瞧胀ɑ炷恋?3 倍。

（3）微?；炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度隨溫度升高總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但在 100～150℃ 之間強(qiáng)度有明顯的回升現(xiàn)象，與普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律較為類似。

（4）溫度范圍在 200℃ 以內(nèi)，微粒混凝土的彈性模量隨溫度的變化規(guī)律與普通混凝土相似，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且當(dāng)溫度達(dá)到 125℃ 附近，彈模有回升趨勢(shì)。