不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土高溫后力學(xué)性能

謝開仲，劉振威，朱茂金，麻大利

(1. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道、橋梁以及高層樓房等建筑增多，使得火災(zāi)發(fā)生的概率逐漸增大?；馂?zāi)頻繁發(fā)生，會(huì)嚴(yán)重危害人身和財(cái)產(chǎn)安全。由于混凝土是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使用最廣泛的建筑材料之一，在實(shí)際工程中，混凝土?xí)r常處于高溫因素作用的環(huán)境，比如冶金企業(yè)和核電企業(yè)的高溫車間，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度的損傷，從而降低了結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性[1-2]，因此對(duì)于高溫后混凝土力學(xué)性能的研究逐步引起人們的關(guān)注。

砂是混凝土的基本材料之一，經(jīng)過(guò)多年基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),河砂作為混凝土材料的理想細(xì)骨料正逐漸枯竭，大部分地區(qū)正面臨著用砂困難甚至無(wú)砂可用的困境，并且天然砂的過(guò)度開采也會(huì)導(dǎo)致河岸塌陷、植被流失，影響著農(nóng)業(yè)發(fā)展等。為了解決材料短缺帶來(lái)的問(wèn)題，海砂、沙漠砂、機(jī)制砂等材料正在逐漸取代天然砂[3-6]。目前各國(guó)學(xué)者對(duì)機(jī)制砂混凝土基本力學(xué)性能、耐久性能以及結(jié)構(gòu)的受力性能等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究[7-10]，然而針對(duì)火災(zāi)高溫條件下及災(zāi)變后機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的研究成果卻相對(duì)匱乏，現(xiàn)有研究表明[11-15]，高溫后的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度明顯下降，并且隨著溫度的增加其下降程度逐漸增大。由于石粉含量是目前研究機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的因素之一，在常溫條件下對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能影響較為顯著[16-20]，但當(dāng)結(jié)構(gòu)由于火災(zāi)受到高溫作用后，石粉的摻入及含量的多少對(duì)機(jī)制砂混凝土的性能影響亦需深入探索。因此本文以C40強(qiáng)度等級(jí)的機(jī)制砂混凝土為研究對(duì)象，以石粉含量和受火溫度為變化參數(shù)，對(duì)高溫后的機(jī)制砂混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，分析受火溫度和石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，旨在建立機(jī)制砂混凝土高溫后力學(xué)特性的劣化模型，并從微觀層面揭示高溫對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)制砂混凝土的推廣及應(yīng)用奠定重要基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

為了開展機(jī)制砂混凝土高溫后力學(xué)性能的相關(guān)研究，本次試驗(yàn)采用的細(xì)骨料是廣西某高速公路石灰?guī)r機(jī)制砂，根據(jù)《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)對(duì)不同細(xì)骨料的顆粒級(jí)配、表觀密度、亞甲藍(lán)值等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表1，經(jīng)測(cè)定機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)為2.75，位于Ⅱ區(qū)砂范圍內(nèi)，屬于中砂。

表1 機(jī)制砂的物理性能Tab.1 Physical Properties of Manufactured Sand

試驗(yàn)用的粗骨料為5～26 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石，按《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)

的規(guī)定對(duì)碎石的顆粒級(jí)配、表觀密度和堆積密度等進(jìn)行了測(cè)試，均符合要求。水泥采用的是魚峰牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)其性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。減水劑采用減水率為30%的江蘇超力牌聚羧酸高效能減水劑，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

為得到性能優(yōu)良的機(jī)制砂混凝土，在保證混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整水灰比、砂率以及用水量，共設(shè)計(jì)了石粉含量r分別為0%，5%，10%，15%，20%五種機(jī)制砂混凝土配合比，各類機(jī)制砂混凝土配合比見表2。表2中試件編號(hào)MS代表細(xì)集料類型，40代表混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，0%，5%，10%，15%和20%分別代表石粉含量。

表2 機(jī)制砂混凝土配合比Tab.2 Mix Proportions of MSC

1.2.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的5種機(jī)制砂混凝土均含有經(jīng)歷200，400，500，600，700，800 ℃高溫的試件及常溫(25 ℃)對(duì)比試件，每組設(shè)計(jì)6個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，其中3個(gè)用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，3個(gè)用于劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，共制作210個(gè)混凝土試件。試件澆筑24 h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后，置于干燥、通風(fēng)環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)30 d，使試件中的水分蒸發(fā)后進(jìn)行高溫試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 高溫試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的升溫裝置為RX3-45-9工業(yè)箱型電阻爐，最高升溫至950 ℃，升溫裝置如圖1所示。根據(jù)試件設(shè)計(jì)，分別將溫度t預(yù)定為200，400，500，600，700，800 ℃后，進(jìn)行分批加熱升溫。當(dāng)爐膛內(nèi)溫度升至預(yù)定溫度后，恒溫1 h，以使試件內(nèi)部溫度分布均勻，然后打開爐門，讓高溫后的試件在自然條件下冷卻至常溫。由于電阻爐儀器缺陷，當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃時(shí)，升溫曲線呈現(xiàn)出上下的波動(dòng)，圖2為試驗(yàn)實(shí)測(cè)的爐膛內(nèi)升溫曲線。

圖1 升溫裝置Fig.1 Heating Equipment

圖2 升溫曲線Fig.2 Heating Curves

1.3.2 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)中的試驗(yàn)方法，對(duì)常溫和經(jīng)歷高溫后的所有試件采用電液式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，其中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率為5 kN·s-1，劈裂抗拉強(qiáng)度加載速率為0.5 kN·s-1。

1.3.3 微觀測(cè)試試驗(yàn)

從混凝土立方體抗壓試驗(yàn)壓碎后的試塊中進(jìn)行取樣，本次試驗(yàn)樣品分別從常溫狀態(tài)下石粉含量為0%，10%和700 ℃高溫作用后石粉含量為10%的試塊中進(jìn)行選取，然后進(jìn)行X射線衍射(XRD)試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)。XRD試驗(yàn)采用日本理學(xué)公司(RIGAKU)生產(chǎn)的Ultima IV型X射線粉末衍射儀進(jìn)行物相分析，SEM試驗(yàn)采用上海卡爾蔡司有限公司制造的Gemini 500型電子顯微鏡進(jìn)行掃描觀察試件高溫前后的顯微結(jié)構(gòu)變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件加熱過(guò)程中，隨著溫度的升高，爐口逐漸有水蒸氣冒出，當(dāng)達(dá)到400 ℃時(shí)，大量水蒸氣凝結(jié)在爐門上匯聚成小水滴滴落，繼續(xù)加熱約20 min之后，水蒸氣越來(lái)越少直至消失。由于高溫的作用，使得試件表面與常溫下相比出現(xiàn)了顏色變化、開裂和剝落等現(xiàn)象。圖3為試件高溫后表面狀態(tài)。當(dāng)溫度在200 ℃之前，試件表面顏色始終為灰色；400～500 ℃后，試件顏色逐漸變深，最終呈現(xiàn)出紅褐色，此時(shí)試件表面產(chǎn)生少量短裂紋；600～700 ℃后，試件表面呈現(xiàn)出白色，裂紋相對(duì)500 ℃時(shí)數(shù)目增多，寬度加大；800 ℃后，試件表面出現(xiàn)大量裂紋，在自然冷卻過(guò)程中，試件表皮及棱角處的混凝土由于疏松而大面積剝落，露出粗骨料，此時(shí)剝落后的試件表面出現(xiàn)少量白色粉狀物，并且石粉含量越多的機(jī)制砂混凝土白色粉狀物也越多。

圖3 高溫后試件表面狀態(tài)Fig.3 Appearance of Specimen After High Temperature

2.2 試件質(zhì)量損失

由于高溫作用，使得機(jī)制砂混凝土試件內(nèi)部發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，試件中的游離水分蒸發(fā)，結(jié)合水及自身物質(zhì)脫水分解，導(dǎo)致試件高溫前后質(zhì)量有著不同程度的降低，為了便于比較混凝土試件高溫前后內(nèi)部變化，采用質(zhì)量損失率β進(jìn)行綜合評(píng)定，稱量試件經(jīng)歷高溫前的質(zhì)量m與高溫后的質(zhì)量mt，再根據(jù)式(1)計(jì)算得到各試件的質(zhì)量損失率β

(1)

各試件的質(zhì)量損失率均值如圖4所示。由圖4可知：隨著溫度的升高，試件質(zhì)量的損失率均逐漸增大，在經(jīng)歷300 ℃高溫作用后，混凝土試件的質(zhì)量損失率均小于1%，此時(shí)試件中存在的水含量變化情況不大；400 ℃高溫作用后，試件中的游離水受熱蒸發(fā)，使得試件的質(zhì)量損失率介于4%～5%之間；500～700 ℃高溫作用后，試件的質(zhì)量損失率增幅變化不大；當(dāng)試件經(jīng)歷800 ℃高溫作用后，試件的質(zhì)量損失率介于8%～10%之間，增幅較大。不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土其質(zhì)量損失率有所差異，隨著石粉含量的增加，試件的質(zhì)量損失更為顯著。一方面是由于石粉含量增多，使得試件內(nèi)部粉體與水的體積比增大，配制混凝土?xí)r試件的含水率和吸水率都會(huì)高于其他混凝土[21-22]，因此在溫度升高的過(guò)程中，脫出的游離水和結(jié)合水變多；另一方面是由于石粉有助于水泥水化，誘導(dǎo)其產(chǎn)生氫氧化鈣(CH)和鈣釩石晶體(AFt)，試件在經(jīng)過(guò)高溫作用后，機(jī)制砂混凝土內(nèi)部發(fā)生了水分蒸發(fā)、CH和AFt化學(xué)分解以及水化硅酸鈣(C—S—H)凝膠脫水分解等現(xiàn)象[23]，因此石粉含量越多，質(zhì)量損失率越大。

圖4 高溫后試件質(zhì)量損失率Fig.4 Mass Loss Rate of Specimen After High Temperature

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

經(jīng)歷高溫作用后，機(jī)制砂混凝土受壓后的破壞過(guò)程及形態(tài)有所不同(圖5)。由圖5可以看出：400 ℃高溫作用之前，試件的破壞形態(tài)與常溫下近似相同，隨著壓力荷載的不斷增大，試件高度中央表面出現(xiàn)少量裂縫并逐漸變寬，然后裂縫往上、下方向延伸，直到試件被壓破壞，試件的破壞面與豎直荷載方向大致呈45°角，破壞時(shí)會(huì)發(fā)出“嘭”的響聲，試件最終的破壞形態(tài)均呈正倒相接的四角錐形；600～800 ℃高溫作用之后，機(jī)制砂混凝土試件脆性顯著降低，試件在加載過(guò)程中，混凝土表面細(xì)小裂縫不斷增多變寬，疏松的水泥砂漿碎渣逐漸剝落，直至壓潰破壞，試件破壞時(shí)沒有任何聲響。從破壞后的斷面細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn)，試件的最終破壞界面均出現(xiàn)在粗骨料與水泥砂漿的界面過(guò)渡區(qū)，并且溫度越高，其界面剝離現(xiàn)象越明顯，破壞越嚴(yán)重，但粗骨料本身極少出現(xiàn)斷裂。

圖5 試件受壓破壞形態(tài)Fig.5 Failure Modes of Specimens Under Compression

2.3.1 高溫對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖6為高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度及損失率與溫度之間的關(guān)系曲線。由圖6得出：隨著溫度升高，機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。200～500 ℃高溫作用后，混凝土抗壓強(qiáng)度下降較緩慢，抗壓強(qiáng)度損失率最大為30.24%；500～600 ℃高溫作用后，抗壓強(qiáng)度損失率出現(xiàn)較大增幅，特別是當(dāng)石粉含量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率最大已達(dá)52.79%；在600～700 ℃范圍內(nèi)，立方體抗壓強(qiáng)度的降低幅度變緩；800 ℃高溫作用后，由于機(jī)制砂混凝土內(nèi)部材料劣化，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫、缺陷，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度顯著下降，不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土試件其抗壓強(qiáng)度損失率均超過(guò)90%，此時(shí)的混凝土已無(wú)法承受外界荷載作用。

圖6 抗壓強(qiáng)度及損失率與溫度的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship Curve Between Compressive Strength or Loss Rate with Temperature

2.3.2 石粉含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖7為不同溫度下機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度與石粉含量的關(guān)系曲線。由圖7可知，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量為10%時(shí)達(dá)到最大值，這主要是由于適量的石粉促進(jìn)了水泥水化，誘導(dǎo)其產(chǎn)生長(zhǎng)條針狀的氫氧化鈣(CH)和鈣釩石晶體(AFt)附著在其表面，長(zhǎng)條狀晶體通過(guò)相互黏結(jié)填充到混凝土細(xì)微孔隙中，有效改善了混凝土內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，使混凝土變得更加密實(shí)，強(qiáng)度得到提高[24-25]。常溫狀態(tài)下，石粉含量為10%的試件抗壓強(qiáng)度與其他試件的抗壓強(qiáng)度相比差值較大，但隨著溫度的升高，其差值逐漸減小，這表明機(jī)制砂混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物隨著溫度的升高逐級(jí)分解，當(dāng)溫度超過(guò)800 ℃時(shí)，混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物分解較為完全，混凝土已不成形，此時(shí)石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響已不明顯。

圖7 抗壓強(qiáng)度與石粉含量的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship Curve Between Compressive Strength and Stone Powder Content

2.4 劈裂抗拉試驗(yàn)

對(duì)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，試件的典型破壞形態(tài)見圖8。對(duì)于200～400 ℃高溫作用的試件，隨著荷載的增大，試塊中間部分首先出現(xiàn)1條微裂紋，裂紋迅速變寬瞬間把試件劈成兩半，劈裂斷面較整齊；經(jīng)歷600～800 ℃高溫作用后的試件在荷載施加過(guò)程中主裂縫的出現(xiàn)及擴(kuò)展過(guò)程均比較緩慢，且劈裂后的斷面參差不齊，試件在劈裂抗拉試驗(yàn)過(guò)程中，掉落的碎渣隨著受火溫度的升高逐漸增多，這表明高溫作用使得機(jī)制砂混凝土脆性顯著降低。

圖8 試件受劈拉破壞形態(tài)Fig.8 Failure Modes of Specimens Under Splitting Tension

2.4.1 高溫對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖9為高溫后機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度及損失率與溫度之間的關(guān)系曲線。由圖9可知，機(jī)制砂混凝土高溫后的劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度作用的升高而呈急劇下降趨勢(shì)。600 ℃作用之前，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的損失率大致呈直線上升趨勢(shì)，其劈裂抗拉強(qiáng)度損失率的增幅較明顯，在此溫度范圍內(nèi)，高溫使得機(jī)制砂混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部初始損傷嚴(yán)重，裂縫急劇擴(kuò)展從而影響了其力學(xué)性能。在600～700 ℃高溫作用后，機(jī)制砂混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度下降趨勢(shì)較平緩。在800 ℃高溫作用后，混凝土裂縫向內(nèi)逐漸延伸，試件的有效受拉面積減小，使得劈裂抗拉強(qiáng)度急劇下降，其損失率最大達(dá)到85.39%，此時(shí)的混凝土已無(wú)法承受拉應(yīng)力的作用。

圖9 劈裂抗拉強(qiáng)度及損失率與溫度的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship Curve Between Splitting Tensile Strength or Loss Rate with Temperature

2.4.2 石粉含量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖10為機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與石粉含量的關(guān)系曲線。由圖10可知，機(jī)制砂混凝土高溫后劈裂抗拉強(qiáng)度隨石粉含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量為10%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。其原因與抗壓強(qiáng)度相同，即石粉填充了骨料之間的間隙，促進(jìn)了水泥水化，水化產(chǎn)物相互交錯(cuò)，增強(qiáng)了界面之間的咬合力。

圖10 劈裂抗拉強(qiáng)度與石粉含量的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship Curve Between Splitting Tensile Strength and Stone Powder Content

2.5 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度劣化模型

為了對(duì)高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估以提供理論指導(dǎo)，以溫度t和石粉含量r為自變量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度劣化模型。

高溫后抗壓強(qiáng)度劣化模型為

1.007 86r-1.678 84×10-5tr-

1.657 99×10-6t2-4.844 9r2

(2)

高溫后劈裂抗拉強(qiáng)度劣化模型為

1.222 83×10-7t2+3.665 91r-

0.001 7tr-12.6r2

(3)

式中：fcu,t，fcu,25分別為高溫后和常溫下機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度；fts,t，fts,25分別為高溫后和常溫下機(jī)制砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

表3為高溫后機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度劣化模型分析結(jié)果。由表3可知：機(jī)制砂混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度劣化模型擬合度良好，回歸模型顯著性檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著，因此可以較好地反映出機(jī)制砂混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度t和石粉含量r的關(guān)系。

表3 高溫后機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度劣化模型分析結(jié)果Tab.3 Analysis Results of Degradation Model of Strength of MSC After High Temperature

2.6 質(zhì)量損失率與強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)混凝土試件經(jīng)歷最高溫度作用來(lái)評(píng)估其高溫后的強(qiáng)度雖較為準(zhǔn)確，但在實(shí)際火災(zāi)中，很難確定結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的最高溫度。由于混凝土的質(zhì)量損失率與溫度之間存在相關(guān)性，所以目前采取的主要方式是通過(guò)質(zhì)量損失率試驗(yàn)推算混凝土經(jīng)歷的最高溫度[26]，進(jìn)而評(píng)估出混凝土高溫后的強(qiáng)度。由圖4可知，高溫后機(jī)制砂混凝土的質(zhì)量損失率與所經(jīng)歷的最高溫度也存在相關(guān)性，所以根據(jù)質(zhì)量損失率β提出預(yù)估高溫后機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度算式，即

(4)

采用式(4)計(jì)算試件的抗壓強(qiáng)度并與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由圖11可見，實(shí)測(cè)值fc,t與計(jì)算值fcu,t之比的平均值μ=1.031 8，方差D=0.034 9，變異系數(shù)Cv=0.181 1，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合性較好。

圖11 混凝土抗壓強(qiáng)度式(4)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.11 Comparison of Calculated Values by Eq.(4) and Measured Values of Compressive Strength

根據(jù)質(zhì)量損失率β提出預(yù)估高溫后機(jī)制砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度算式，即

(5)

采用式(5)計(jì)算試件的劈裂抗拉強(qiáng)度并與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。由圖12可見，實(shí)測(cè)值ft，t與計(jì)算值fts，t之比的平均值μ=1.008 3，方差D=0.017 5，變異系數(shù)Cv=0.131 3，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合性較好。

圖12 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度式(5)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.12 Comparison of Eq.(5) Calculated and Measured Values of Splitting Tensile Strength

2.7 高溫前后混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

圖13給出了石粉含量為0%和10%的水泥砂漿在常溫下和700 ℃高溫后的XRD圖譜。由圖13可見，常溫下水泥砂漿中水化產(chǎn)物主要有氫氧化鈣(CH)、鈣釩石晶體(AFt)和水化硅酸鈣(C—S—H)，由于C—S—H是以凝膠的形式存在于混凝土內(nèi)部，結(jié)晶較差，因此特征峰很難在XRD圖譜中識(shí)別。

圖13 高溫前后水泥砂漿XRD圖譜Fig.13 XRD Patterns of Cement Paste Before and After Elevated Temperature

常溫狀態(tài)下，改變機(jī)制砂混凝土中的石粉含量，從圖譜中可以看出，石粉含量為10%的CH和AFt的衍射峰面積均比石粉含量為0%的CH衍射峰面積大，這是因?yàn)槭劭梢源龠M(jìn)水化反應(yīng)，使體系中AFt和CH等水化產(chǎn)物數(shù)量增多[27]，水化后的CH晶體、AFt晶體和C—S—H凝膠等成分在混凝土內(nèi)部相互交錯(cuò)黏結(jié)，使混凝土內(nèi)部孔隙減少，混凝土變得更加密實(shí)，強(qiáng)度增大。對(duì)高溫前后石粉含量為10%的樣品圖譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試件經(jīng)受高溫后，CH，CaCO3和AFt的衍射峰強(qiáng)度顯著變小，說(shuō)明經(jīng)受高溫作用后，CaCO3以及水泥水化產(chǎn)物CH和AFt等發(fā)生了分解，混凝土內(nèi)部發(fā)生損傷，出現(xiàn)大量裂縫，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

圖14為常溫狀態(tài)下樣品的SEM形貌圖。通過(guò)對(duì)比圖14(a),(b)可以看出，當(dāng)石粉含量為10%時(shí)，混凝土的水化產(chǎn)物較多，水泥漿體與骨料緊密結(jié)合，結(jié)構(gòu)變得更加致密，整個(gè)混凝土內(nèi)部無(wú)明顯的裂縫，同時(shí)可以明顯看出絮狀物C—S—H凝膠，細(xì)長(zhǎng)棒狀物AFt和薄層板狀的CH相互交錯(cuò)[28]。

圖14 常溫下樣品的SEM形貌圖Fig.14 SEM Morphology of Sample at Room Temperature

圖15為石粉含量為10%時(shí)樣品經(jīng)過(guò)700 ℃高溫后的SEM形貌圖。通過(guò)觀察可以看出，經(jīng)歷高溫作用后，混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生分解，混凝土的內(nèi)部裂縫和孔隙增多，結(jié)構(gòu)變得更加疏松，尤其是針狀A(yù)Ft脫水后變得更加細(xì)小和稀疏，在漿體與粗骨料界面連接處裂縫明顯增大，因此導(dǎo)致宏觀上混凝土強(qiáng)度降低[29-30]。

圖15 700 ℃高溫后樣品的SEM形貌圖Fig.15 SEM Morphology of Sample After 700 ℃

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)試件表面顏色隨著受火溫度的升高，由灰色變成紅褐色，700 ℃時(shí)呈白色；600 ℃時(shí)，試件表面由于高溫作用開始出現(xiàn)裂縫，800 ℃時(shí)混凝土表皮和四周棱角出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

(2)高溫后機(jī)制砂混凝土試件的質(zhì)量損失率隨著受火溫度的升高而逐漸增大；石粉含量越高，質(zhì)量損失率越大。

(3)高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著受火溫度的升高均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，經(jīng)歷的溫度越高，強(qiáng)度下降的幅度越大，試件破壞程度越嚴(yán)重。

(4)隨著石粉含量的增加，高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量為10%時(shí)，高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

(5)基于最高受火溫度和質(zhì)量損失率，分別提出了高溫后機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度評(píng)估計(jì)算式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合性較好。

(6)建立了機(jī)制砂混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度劣化模型，模型的擬合度高，能較好地反映出機(jī)制砂混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度t和石粉含量r之間的關(guān)系。

(7)混凝土中摻入石粉可以促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，使體系中鈣釩石和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物數(shù)量增多；當(dāng)經(jīng)受700 ℃的高溫后，水泥水化物脫水分解，混凝土內(nèi)部裂縫和孔隙增多，結(jié)構(gòu)變得更加疏松，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。