硅粉對混凝土高溫后力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

羅小寶， 劉 真

(1 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 淮南 232001； 2 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院， 西安 710061；3 安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 淮南 232001)

0 引言

建筑火災(zāi)發(fā)生時，混凝土作為最重要且用量最多的建筑材料，其中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2和3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(鈣礬石)分解溫度低、耐高溫性能較差，在高溫作用下，混凝土的變形性能和強(qiáng)度均會發(fā)生劣化，同時其內(nèi)部也會發(fā)生應(yīng)力重分布，極大地降低了結(jié)構(gòu)安全性，這對于混凝土建筑物來說無疑是致命的[1]。

硅粉已經(jīng)發(fā)展成為高強(qiáng)高性能混凝土的必要摻和料[2]，來源于硅金屬和硅鐵合金冶煉工業(yè)，主要成分為SiO2，顆粒極細(xì)(約為水泥的1/100)且活性遠(yuǎn)高于水泥，將其作為摻和料加入混凝土中可以發(fā)生二次水化反應(yīng)，在促進(jìn)混凝土強(qiáng)度發(fā)展、改善混凝土抗侵蝕、抗?jié)B等性能方面具有較好的效果[3]。然而，已有的成果多為常溫下硅粉對混凝土力學(xué)性能、耐久性能等方面的影響，有關(guān)于硅粉對高溫下和高溫后混凝土性能影響的研究甚少。

本文對不同硅粉摻量下的混凝土進(jìn)行高溫處理，測定高溫后混凝土的質(zhì)量損失率，開展了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、超聲波檢測和微觀試驗(yàn)并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以期為工程實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料與配合比

P·O 42.5級水泥；中砂，細(xì)度模數(shù)2.6；碎石，粒徑5～15mm；95級硅粉，其特征參數(shù)見表1?；炷粱鶞?zhǔn)配合比為水泥∶水∶砂∶石=1∶0.44∶1.33∶2.55，取硅粉摻量為4%，8%和12%，摻入方式為內(nèi)摻等量替換水泥，混凝土試塊澆筑成型后經(jīng)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

硅粉特征參數(shù) 表1

1.2 高溫處理

升溫裝置為SX-5-12型箱式電阻爐，如圖1所示，爐膛尺寸為300mm×200mm×120mm，最高溫度可達(dá)1 200℃。本文所采用的溫度為200，400，600℃和800℃，恒溫2h后打開爐門讓其自然冷卻至室溫，圖2為不同溫度作用下混凝土外觀。

圖1 箱式電阻爐

圖2 不同溫度作用下混凝土的外觀

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)式(1)對高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)行計(jì)算；采用NM-4A型非金屬超聲檢測分析儀(圖3)對經(jīng)歷不同溫度作用的試件進(jìn)行首波波幅的測試；按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)；采用浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院的QUANTA 650 FEG型掃描電子顯微鏡(圖4)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖3 非金屬超聲檢測分析儀

圖4 掃描電子顯微鏡

(1)

式中：γ為混凝土經(jīng)歷高溫作用后的吸水率；m0和m1分別為混凝土經(jīng)歷高溫作用后在水中浸泡前和浸泡后的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫后混凝土的質(zhì)量損失率

高溫后混凝土的質(zhì)量損失率可以反映出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏松程度以及溢出水分、CO2等物質(zhì)的量，質(zhì)量損失率越大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越疏松，氣滲性能越高，內(nèi)部蒸汽壓力越小[4]。圖5為高溫后素混凝土(0%硅粉摻量)和8%硅粉摻量下混凝土質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，混凝土質(zhì)量損失率隨著溫度的升高而增大，溫度為200℃時，硅粉混凝土的質(zhì)量損失率比素混凝土大，此時的質(zhì)量損失由混凝土表面毛細(xì)水的蒸發(fā)引起[5]，造成硅粉混凝土質(zhì)量損失率較大的原因可能是因?yàn)榛炷羶?nèi)部本身存在許多孔洞，由于硅粉二次水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠或多或少地將其填補(bǔ)，導(dǎo)致孔洞體積變小且數(shù)量變多，使其比表面積增加，可吸附更多的自由水，從而經(jīng)歷過200℃高溫后質(zhì)量損失率較高。溫度為400，600℃和800℃時，硅粉混凝土的質(zhì)量損失率變得比素混凝土小，這是因?yàn)楣璺刍炷凛^素混凝土致密，內(nèi)部水分更難溢出；所以，在不考慮混凝土外部毛細(xì)水的情況下，高溫后硅粉混凝土較素混凝土有著更小的質(zhì)量損失率。另外，由于高溫下硅粉混凝土內(nèi)部水分更難溢出[6]，可以推斷出在高溫的狀態(tài)下，硅粉混凝土內(nèi)部的蒸汽壓更大，從而較素混凝土更易發(fā)生高溫爆裂，此推論與試驗(yàn)結(jié)果相符(高溫后特別是經(jīng)歷800℃高溫后，發(fā)生爆裂的多為硅粉混凝土)。

圖5 質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系

2.2 高溫后混凝土的拉壓強(qiáng)度

圖6為高溫后不同硅粉摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線。

圖6 拉壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖6可以看出，不同硅粉摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢總體一致，均為200℃高溫后有少許增加，經(jīng)歷400℃高溫后與常溫下混凝土的強(qiáng)度持平或者稍有降低，經(jīng)歷600℃高溫后下降幅度較大，經(jīng)歷800℃高溫后下降幅度最大，8%硅粉摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度普遍大于其他硅粉摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度。另外，觀察到4%硅粉摻量混凝土和素混凝土在經(jīng)歷400℃高溫后劈裂抗拉強(qiáng)度有所上升，8%硅粉摻量混凝土在600℃高溫作用后亦是如此，這一方面可能是由于試驗(yàn)人為誤差導(dǎo)致，如劈裂抗拉試驗(yàn)的上下劈條未對齊、試塊表面不夠平整等原因，另一方面可能是由于混凝土的非勻質(zhì)性，其受到的溫度損傷也必定不是均勻分布的，因此在試驗(yàn)時表現(xiàn)出變異性。經(jīng)歷200℃高溫后，素混凝土和8%硅粉摻量混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加了3.5%和2.7%，400℃分別降低了5.7%和4.3%，600℃高溫后分別降低了33.2%和14.3%，800℃高溫后分別降低了57.8%和55.8%。另外，發(fā)現(xiàn)摻有硅粉的混凝土抗壓強(qiáng)度大部分較素混凝土大，而劈裂抗壓強(qiáng)度的規(guī)律則沒有那么明顯，這一方面可能是試驗(yàn)過程中人為因素造成的，另一方面也與混凝土本身為脆性材料有關(guān)。

2.3 高溫后混凝土的拉壓比

混凝土拉壓比是反映其脆性的重要指標(biāo)之一，拉壓比越大，脆性越強(qiáng)、韌性越小[7]，圖7為高溫后混凝土的拉壓比與硅粉摻量的關(guān)系曲線。

圖7 拉壓比與硅粉摻量的關(guān)系

由圖7可知，隨著硅粉摻量的增加，混凝土拉壓比呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，說明硅粉的摻入會導(dǎo)致混凝土脆性的增加。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是，硅粉對混凝土強(qiáng)度的影響體現(xiàn)在兩方面，一是火山灰效應(yīng)[8]，硅粉顆粒與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，使混凝土更加致密，增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗壓強(qiáng)度；另外一方面是硅粉的填充效應(yīng)[9]，未水化的硅粉顆粒填充于混凝土的孔隙中，可以增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。在這兩方面因素的協(xié)同作用下，混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅大于其劈裂抗壓強(qiáng)度的增幅，表現(xiàn)為混凝土拉壓比的降低，說明硅粉的摻入增加了混凝土的脆性。

為從微觀角度對其進(jìn)行驗(yàn)證，采用掃描電子顯微鏡對混凝土試樣進(jìn)行觀察，圖8為養(yǎng)護(hù)齡期為28d時混凝土的SEM圖片。

由圖8(a)可以看出，混凝土內(nèi)部存在許多孔洞，多是由于混凝土在攪拌過程中混入空氣以及多余的水分蒸發(fā)造成的，這也成為硅粉發(fā)揮火山灰效應(yīng)的必要條件。由圖8(b)可以看出，部分未水化的硅粉顆粒較好地鑲嵌于混凝土凝膠中，與凝膠形成整體，并且，硅粉顆粒也有可能填充于混凝土的孔隙中，增加混凝土的密實(shí)度，改善混凝土的力學(xué)性能。

2.4 硅粉的增強(qiáng)效應(yīng)

前述的結(jié)論以及其他學(xué)者研究結(jié)果[10]均表明，硅粉對混凝土的增強(qiáng)作用主要來源于兩方面：火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)。故定義硅粉增強(qiáng)效應(yīng)G[11]，其含義為：每1%摻量的硅粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率，通過式(2)對其進(jìn)行計(jì)算。

G=1-R0(1-q)/100qRq

(2)

式中：R0為素混凝土的抗壓強(qiáng)度；q為硅粉的摻量；Rq為硅粉摻量為q時混凝土的抗壓強(qiáng)度。

不同溫度和不同硅粉摻量下硅粉的G值見圖9?？梢钥闯?，G值隨著硅粉摻量的增加而增大，硅粉摻量從4%增加到8%時，G值增幅較大；從8%增加到12%時，G值增幅較小?？紤]經(jīng)濟(jì)效益后，取8%為硅粉最佳摻量，這與拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的結(jié)論一致，此時G值的平均值為0.91，也就是每1%摻量的硅粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率為0.91%。另外，觀察到無論硅粉摻量多少，600℃下的G值都是最大的，也就是600℃時硅粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最明顯。

圖9 不同溫度和硅粉摻量下的G值

2.5 基于超聲波檢測的抗壓強(qiáng)度預(yù)估

對經(jīng)歷高溫后的混凝土試塊進(jìn)行超聲波檢測，對首波波幅進(jìn)行記錄，相對波幅的計(jì)算方法見式(3)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

(3)

超聲波檢測結(jié)果 表2

式中：Ar為相對波幅；A1為混凝土經(jīng)歷高溫作用后的波幅；A0為混凝土在常溫下的波幅。

以波幅為自變量，對混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，以相對波幅為自變量，對混凝土抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)行擬合，其擬合曲線分別見圖10(a)，(b)。

圖10 基于超聲波檢測的抗壓強(qiáng)度擬合曲線

由圖10可以看出，擬合曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)重合度較高，擬合優(yōu)度達(dá)到0.98，故建議采用超聲波檢測法，通過波幅和相對波幅對高溫后硅粉混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)行預(yù)估。

3 結(jié)論

(1)硅粉會增加混凝土的抗壓強(qiáng)度、脆性以及爆裂幾率，減小高溫后混凝土的質(zhì)量損失率，其最佳摻量為8%，在600℃時對混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最明顯。

(2)利用超聲波檢測法可以較準(zhǔn)確地對高溫后硅粉混凝土的抗壓強(qiáng)度及其損失率進(jìn)行預(yù)估。