高溫環(huán)境下耐熱混凝土的劣化規(guī)律研究

黃 誠(chéng) 張學(xué)陽(yáng) 茍余江

（四川華西綠舍建材有限公司）

0 引言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，建筑防火變得尤為重要。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，建筑物長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中，材料性能劣化速度快，程度深，結(jié)構(gòu)物損傷嚴(yán)重，承載能力急劇下降，甚至導(dǎo)致建筑坍塌，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。耐熱混凝土便孕育而生。

耐熱混凝土是指在200～900℃高溫長(zhǎng)期作用下，混凝土不被破壞，承載性能較好，體積變化小的一種混凝土[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為，混凝土受熱破壞主要與材料的熱膨脹性質(zhì)及混凝土內(nèi)部連通孔隙有關(guān)[2-4]，因此，楊雪寧[5]等采用摻納米硅粉和摻粉煤灰來(lái)改善混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，提高其耐熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摻納米硅粉比產(chǎn)粉煤灰更能提高混凝土的耐高溫性能。周春利[6]采用高鈦礦渣作為骨料制備耐熱混凝土，成功開發(fā)出了C30 耐熱500℃的混凝土，并加強(qiáng)了固廢的利用。馬超[7]研究了聚酯纖維對(duì)混凝土耐熱性能的影響，研究認(rèn)為：高溫下纖維熔化形成孔隙有利于水分散發(fā)，減少混凝土內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，且纖維的最佳摻量為2㎏/m3。Antonovich[8]認(rèn)為在混凝土摻入復(fù)合外加劑可以顯著提高混凝土的耐熱度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從膠凝材料、骨料、纖維、外加劑等幾個(gè)方面入手，試圖降低不同材料熱膨脹性能差異，改善連通孔隙，阻礙裂紋擴(kuò)展等幾點(diǎn)改善混凝土的耐熱性能[9-10]。然而，對(duì)于不同材料對(duì)混凝土耐熱性提高的極限，鮮有討論，此外，在雙碳背景下，滿足所需性能，合理使用原材料，降低碳排放，是混凝土材料可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之路。因此，本文探究不同溫度下，砂率、粉煤灰、礦粉等參數(shù)變化對(duì)混凝土耐熱性能的影響規(guī)律，以期對(duì)耐熱混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

硅酸鹽水泥：四川蘭豐水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5 水泥，其具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。成都搏磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)磨細(xì)粉煤灰，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。四川雙實(shí)建筑新材料有限公司生產(chǎn)的S95 級(jí)礦粉，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。機(jī)制砂：細(xì)度模數(shù)2.8。石灰石碎石：5～25mm 連續(xù)級(jí)配，堆積密度1700㎏/m3，表觀密度2450㎏/m3。外加劑：聚羧酸減水劑。

表1 水泥的性能指標(biāo)

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

表3 礦粉的主要性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表4 所示，研究不同砂率（40%、43%、46%、49%）、不同粉煤灰摻量（10%、20%、30%）以及不同礦粉用量（10%、20%、30%）對(duì)混凝土耐熱性能的影響。其中，混凝土的力學(xué)性能根據(jù)GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法測(cè)試，耐熱性能則按照YB/T5252-2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，將尺寸為100mm×100mm×100mm 的試件養(yǎng)護(hù)28d 之后，在105℃烘箱內(nèi)烘干，而后置于高溫爐中，按3℃/min 的升溫速率均勻升溫至設(shè)定溫度，恒溫3h后，自然冷卻至室溫，再測(cè)試其殘余強(qiáng)度、線變化率。

表4 混凝土配合比 （㎏/m3）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂率對(duì)混凝土耐熱性能的影響

2.1.1 不同砂率混凝土高溫后強(qiáng)度變化規(guī)律

砂率對(duì)混凝土耐熱強(qiáng)度的影響變化規(guī)律如圖1 所示，隨著溫度的升高，混凝土的殘余強(qiáng)度先增加后降低（如圖1a 所示），這是由于在300℃以前，溫度的升高加快了水泥水化反應(yīng)，提高了其抗壓強(qiáng)度，而在300℃以后，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同以及水化產(chǎn)物脫水等諸多原因，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和微裂紋，抗壓強(qiáng)度下降。另外，不同高溫作用后，混凝土的殘余強(qiáng)度隨著砂率變化基本出現(xiàn)先降低后增加，這是由于當(dāng)砂率過(guò)大或過(guò)小的情況下，混凝土內(nèi)部孔隙率較高，孔隙率會(huì)吸收部分高溫應(yīng)力，降低混凝土出現(xiàn)微裂紋的趨勢(shì)，在高溫作用后表現(xiàn)較高的殘余強(qiáng)度。

不同砂率混凝土高溫后的強(qiáng)度變化率如圖1b 所示，隨著溫度的升高，強(qiáng)度變化率現(xiàn)增大后降低，在300℃時(shí)，NR-1（砂率40%）、NR-2（砂率43%）的強(qiáng)度變化率達(dá)到115%以上，且NR-2 在20℃～600℃范圍內(nèi)強(qiáng)度變化率較好，結(jié)合混凝土的工作性能，選用NR-2 混凝土的配合比作為基準(zhǔn)混凝土配合比。

圖1 不同砂率混凝土高溫后的強(qiáng)度變化規(guī)律

2.1.2 不同砂率混凝土高溫后線變化率

砂率對(duì)混凝土高溫后線變化率的影響規(guī)律如圖2所示，隨著溫度的升高，混凝土的線變化率先減小后增大。這是由于在105℃烘干過(guò)程中，混凝土中毛細(xì)孔水遷移導(dǎo)致混凝土收縮，而在105℃之后，隨著溫度的升高，混凝土內(nèi)部各組成熱膨脹系數(shù)不同，以膨脹為主，導(dǎo)致混凝土線變化率逐漸增大。在600℃時(shí)，混凝土線變化率大小為NR-4＞NR-3＞NR-1＞NR-2，表明當(dāng)砂率為43%時(shí)，混凝土內(nèi)部較密實(shí)，線變化率較小。

圖2 不同砂率混凝土高溫后的線變化率

2.1.3 不同砂率混凝土高溫后外觀變化

不同砂率混凝土經(jīng)過(guò)600℃高溫后的外觀如圖3所示，結(jié)果表明，在600℃高溫作用后，NR-1（砂率為40%）、NR-2（砂率為43%）、NR-3（砂率為46%）、NR-4（砂率為49%）混凝土表面都出現(xiàn)了裂紋，說(shuō)明砂率變化對(duì)混凝土耐熱性能影響不大，且難以抵抗600℃高溫。因此，以600℃作為實(shí)驗(yàn)設(shè)置的最高耐熱溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3 600℃高溫后混凝土外觀

2.2 粉煤灰對(duì)混凝土耐熱性能的影響

2.2.1 摻粉煤灰混凝土高溫后強(qiáng)度變化規(guī)律

不同粉煤灰摻量下混凝土在高溫后的殘余強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖4a 所示，隨著溫度的增加，混凝土高溫后的殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在300℃以前，NR-2（基準(zhǔn)）、NR-5（粉煤灰摻量為10%）、NR-6（粉煤灰摻量為20%）混凝土高溫后的殘余強(qiáng)度較高，而在400℃以后，NR-2、NR-5、NR-6 的混凝土強(qiáng)度有所降低，而NR-7（粉煤灰摻量為30%）混凝土較28d 強(qiáng)度略有增長(zhǎng)。

不同粉煤灰摻量下混凝土在高溫后的強(qiáng)度變化率如圖4b 所示，摻粉煤灰的混凝土NR-5、NR-6、NR-7 的強(qiáng)度增長(zhǎng)率均大于NR-2，結(jié)果表明，摻粉煤灰的混凝土耐熱性能較優(yōu)。并且在20℃～600℃溫度范圍內(nèi)，粉煤灰摻量為30%的混凝土強(qiáng)度變化率較好，特別是在300℃之后，強(qiáng)度變化率下降較慢，耐熱性能好。因此，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦粉煤灰摻量30%。

圖4 不同粉煤灰摻量混凝土高溫后的強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2.2 摻粉煤灰混凝土高溫后線變化率

不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土高溫后的線變化率影響規(guī)律如圖5 所示，隨著溫度的升高，混凝土的線變化率先減小后增大，變化規(guī)律與圖2 相似。在105℃烘干后，隨著粉煤灰用量的增大，混凝土的線變化率逐漸減小，這是由于粉煤灰的摻入，降低了混凝土毛細(xì)孔的連通性，阻礙了水分的遷移，降低了混凝土的收縮。在600℃后，隨著粉煤灰用量的增加，混凝土的線變化率逐漸減小，這說(shuō)明粉煤灰的摻入，可以減小混凝土的膨脹，降低混凝土的劣化程度，且當(dāng)粉煤灰用量為30%時(shí)，混凝土高溫后的膨脹率最低。

圖5 不同粉煤灰摻量混凝土高溫后的線變化率

2.2.3 不同粉煤灰摻量混凝土高溫后外觀變化

不同粉煤灰摻量混凝土經(jīng)過(guò)600℃高溫后的外觀如圖6 所示，結(jié)果表明，在600℃高溫作用后，NR-2、NR-5、NR-6、NR-7 混凝土表面都出現(xiàn)了裂紋，說(shuō)明粉煤灰摻量在30%以內(nèi)，混凝土仍難以抵抗600℃高溫。但當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土外觀裂紋較小，數(shù)量較少，表明粉煤灰的摻入，對(duì)混凝土耐熱性能的提高，有一定的作用。

圖6 600℃高溫后摻粉煤灰混凝土外觀

2.3 礦粉對(duì)混凝土耐熱性能的影響

2.3.1 摻礦粉混凝土高溫后強(qiáng)度變化規(guī)律

不同礦粉摻量下混凝土在高溫后的殘余強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖7a 所示，隨著溫度的增加，混凝土高溫后的殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在400℃以前，除NR-2（基準(zhǔn)）混凝土殘余強(qiáng)度較高之外，NR-10（礦粉摻量為30%）混凝土高溫后的殘余強(qiáng)度較高，而在400℃以后，NR-9（礦粉摻量20%）混凝土經(jīng)高溫后的殘余強(qiáng)度較高。結(jié)果表明，在400℃之前，摻30%的礦粉對(duì)混凝土耐熱性能改善效果較好，而在400℃之后，摻20%的礦粉對(duì)混凝土耐熱性能改善效果較好。

不同礦粉摻量下混凝土在高溫后的強(qiáng)度變化率如圖7b 所示，在300℃之前，隨著礦粉摻量增加，混凝土強(qiáng)度變化率逐漸增加，說(shuō)明礦粉的摻入可以提高混凝土的耐熱性能。在400℃之前，NR-10（礦粉摻量30%）混凝土的強(qiáng)度變化率較好，而在400℃之后，NR-9（礦粉摻量20%）混凝土的強(qiáng)度變化率較好。因此，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦在耐熱度低于400℃時(shí)，考慮礦粉摻量為30%，而大于400℃時(shí)，推薦礦粉摻量20%。

圖7 不同礦粉摻量下混凝土高溫后的強(qiáng)度變化規(guī)律

2.3.2 摻礦粉混凝土高溫后線變化率

不同礦粉摻量對(duì)混凝土高溫后的線變化率影響規(guī)律如圖8 所示，隨著溫度的升高，混凝土的線變化率先減小后增大，變化規(guī)律與圖2、圖5 相似。在105℃烘干后，隨著礦粉用量的增大，混凝土的線變化率逐漸減小，這是由于礦粉的摻入，降低了混凝土毛細(xì)孔的連通性，阻礙了水分的遷移，降低了混凝土的收縮。然而，在600℃后，隨著礦粉用量的增加，混凝土的線變化率先減小后增加，即當(dāng)?shù)V粉用量為20%（NR-9）時(shí)，混凝土的線變化率最小，這表明，當(dāng)?shù)V粉用量為20%時(shí)，對(duì)混凝土耐熱性能改善效果最佳。

圖8 不同礦粉摻量混凝土高溫后的線變化率

2.3.3 不同礦粉摻量混凝土高溫后外觀變化

不同礦粉摻量混凝土經(jīng)過(guò)600℃高溫后的外觀如圖9 所示，結(jié)果表明，在600℃高溫作用后，NR-2、NR-8、NR-9、NR-10 混凝土表面都出現(xiàn)了裂紋，說(shuō)明礦粉摻量在30%以內(nèi)，混凝土仍難以抵抗600℃高溫，該結(jié)果與摻粉煤灰混凝土結(jié)果一致。當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時(shí)，混凝土外觀裂紋較小，數(shù)量較少，表明礦粉摻量為20%時(shí)，對(duì)混凝土耐熱性能改善效果明顯。

圖9 600℃高溫后摻礦粉混凝土外觀

3 總結(jié)

⑴在300℃之前，隨著溫度的升高，混凝土高溫后的殘余強(qiáng)度較28d 逐漸增加，而在300℃之后，混凝土高溫后的殘余強(qiáng)度逐漸降低。

⑵對(duì)于粉煤灰摻量而言，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，強(qiáng)度變化率好，線變化率較少，混凝土表面裂紋小且少，則粉煤灰最佳摻量為30%。

⑶對(duì)于礦粉摻量而言，400℃之前，推薦混凝土中礦粉摻量為30%，而400℃之后，推薦混凝土中礦粉摻量為20%。

⑷雖然摻入粉煤灰、礦粉對(duì)混凝土的耐熱性能有改善，但混凝土仍難以抵抗600℃高溫。