高溫下?lián)皆偕橇霞袄w維混凝土物理力學(xué)性能研究

劉新偉 任皎龍

摘要：目前關(guān)于可再生纖維混凝土的性能研究較為充分，但對(duì)其高溫處理后性能變化認(rèn)識(shí)不足。為此，針對(duì)超高性能混凝土（UHPC）、50%粗骨料替代超高性能混凝土（50%R-UHPC）以及50%粗骨料替代-1.0%鋼纖維超高性能混凝土（50%R-1.0%S-UHPC）進(jìn)行高溫處理（200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃），研究高溫對(duì)它們力學(xué)性能（單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度等）、抗?jié)B性能以及導(dǎo)熱性能的影響，并建立了各項(xiàng)性能指標(biāo)與孔隙率之間的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。研究結(jié)果表明：再生粗骨料的添加會(huì)弱化UHPC的力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度降低，提高UHPC的孔隙率和滲透率；鋼纖維的添加會(huì)提升UHPC力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，但會(huì)弱化UHPC的抗?jié)B性能。高溫處理后UHPC的力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能會(huì)逐漸減弱，并呈現(xiàn)出明顯的溫度門檻值效應(yīng)，即400 ℃之前UHPC力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能的弱化效應(yīng)不明顯，一旦超過(guò)溫度門檻值后它們會(huì)迅速減弱；對(duì)于UHPC和50%R-UHPC來(lái)說(shuō)，隨著處理溫度的升高，它們的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能之間的差距會(huì)逐漸減小。

關(guān) 鍵 詞：超高性能混凝土；再生骨料；鋼纖維；高溫處理；力學(xué)性能；抗?jié)B性能；導(dǎo)熱性能；經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型

中圖法分類號(hào)：TV431+.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.025

0 引 言

混凝土憑借其出色的力學(xué)性能、抗?jié)B性能以及低廉的價(jià)格，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)廣為使用的建筑材料。同時(shí)，混凝土材料的使用也帶來(lái)了大量的建筑垃圾^［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年的廢棄混凝土大約有1億t^［2］，這造成了自然資源的極大浪費(fèi)。因此，如何處理這些混凝土垃圾，從而減小它們對(duì)環(huán)境的影響，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

其中，混凝土中粗骨料的再生利用成為解決混凝土垃圾的有效手段之一^［3-4］。然而再生骨料具有不均勻、多孔以及密度更小的特點(diǎn)。這導(dǎo)致再生骨料混凝土與普通混凝土相比具有更高的吸水性及更低的強(qiáng)度^［5-7］，這主要是由附著在再生骨料上的舊水泥砂漿造成的。為此，學(xué)者們提出了各種再生骨料處理方法，包括酸浸^［8］、碳化^［9-10］、納米二氧化硅處理^［11-12］等。然而考慮到時(shí)間和成本效率，這些方法在實(shí)際工程中應(yīng)用機(jī)會(huì)較少。因此，在極少或沒有預(yù)處理的情況下，合理利用再生骨料混凝土具有重要意義。

向混凝土中添加纖維是一種有效延緩混凝土裂縫的萌生和擴(kuò)展，增加斷裂能，提高混凝土強(qiáng)度和延性的方法^［13-17］。研究結(jié)果表明，鋼纖維含量的增加可有效提高再生骨料混凝土的抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而且相比于再生骨料，混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)鋼纖維含量更為敏感^［18］。此外，鋼纖維的方向、再生骨料的特性以及它們之間的配比對(duì)再生骨料混凝土的物理力學(xué)性能也有較大影響^［19］。

但是在實(shí)際工程中，某些工業(yè)建筑的混凝土在使用期會(huì)受到高溫影響，例如商用高層建筑可能會(huì)遭受火災(zāi)。據(jù)報(bào)道，高溫處理后混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能均明顯降低^［20-23］。盡管目前學(xué)者對(duì)此有一定研究^{［11，24-26］}，但還不夠充分。

為此，本文針對(duì)在高層建筑中常使用的超高性能混凝土，對(duì)比研究了普通超高性能混凝土、再生骨料超高性能混凝土以及再生骨料鋼纖維超高性能混凝土在高溫處理后的力學(xué)性能、抗?jié)B性能以及導(dǎo)熱性能演化規(guī)律及機(jī)制，明確再生骨料鋼纖維超高性能混凝土在高溫作用下具有何種優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可全面認(rèn)識(shí)3種典型超高性能混凝土在高溫處理后的物理力學(xué)特性。針對(duì)高溫處理后3種類型超高性能混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能，基于相關(guān)性分析和理論推導(dǎo)，分別建立了混凝土抗壓強(qiáng)度-孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)-孔隙率以及滲透率-孔隙率之間的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，以期為高溫處理后超高混凝土力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能的確定提供參考。

1 試驗(yàn)材料及混凝土配制

1.1 試驗(yàn)材料

本文配制了3種類型的混凝土：普通超高性能混凝土（UHPC）、50%粗骨料替代超高性能混凝土（50%R-UHPC）以及50%粗骨料替代-1.0%鋼纖維超高性能混凝土（50%R-1.0%S-UHPC）。主要原材料包括水泥、硅灰、細(xì)骨料、粗骨料、減水劑、鋼纖維以及水。

（1）水泥。水泥采用普通波特蘭水泥（CEM I 52.5 N），密度3 150 kg/m³，堆積密度1 120 kg/m³，比表面積3 380 cm²/g，初凝時(shí)間50 min，終凝時(shí)間285 min。

（2）硅灰。采用的硅灰純度為98.60%，密度為2 150 kg/m³，比表面積為21 000 m²/kg，堆積密度為389 kg/m³。

（3）細(xì)骨料。細(xì)骨料采用連續(xù)級(jí)配的天然河砂，直徑范圍為0.15～4.75 mm，密度為2 660 kg/m³，堆積密度為1 670 kg/m³，吸水率為0.7%，級(jí)配曲線見圖1。

（4）粗骨料。根據(jù)配制混凝土類型的需求，制備了兩種粗骨料。一種為天然粗骨料，另一種為再生粗骨料。其中，天然粗骨料（NCA）采用連續(xù)級(jí)配的白云石，直徑范圍為5～20 mm?？稍偕止橇鲜菑囊呀?jīng)澆筑好的普通素混凝土試塊中獲取，而普通素混凝土所采用的粗骨料同樣是直徑范圍為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配白云石粗骨料。首先，將普通混凝土試塊利用壓力機(jī)壓碎，接著利用破碎機(jī)進(jìn)一步破碎，之后利用錘子將粗骨料上的膠結(jié)質(zhì)敲掉，并借助攪拌機(jī)用清水將粗骨料清洗備用。其中天然粗骨料密度為2 680 kg/m³，堆積密度為1 630 kg/m³，吸水率為1.07%?？稍偕止橇厦芏葹? 500 kg/m³，堆積密度為1 640 kg/m³，吸水率為3.5%。天然粗骨料和可再生粗骨料級(jí)配曲線也見圖1。

（5）減水劑。減水劑型號(hào)為ViscoCrete-3425，密度為1.08 kg/L。

（6）鋼纖維。采用長(zhǎng)10.0 mm、直徑150.0 μm的鋼纖維，密度為7.8 g/cm³，抗拉強(qiáng)度為1.0～3.0 GPa，彈性模量為200.0 GPa。

1.2 混凝土配制

3種類型混凝土的配合比見表1，其中鋼纖維的含量為凝膠材料質(zhì)量（水泥+硅灰）的1.0%，再生粗骨料的含量為天然粗骨料質(zhì)量的50%。

將混合好的普通混凝土或纖維混凝土分別倒入立方體（150 mm×150 mm×150 mm）和長(zhǎng)方體（100 mm×100 mm×400 mm）模具中，并用振動(dòng)棒進(jìn)行振動(dòng)，去除普通混凝土或纖維混凝土中的氣泡。之后，將模具放在恒溫環(huán)境（23 ℃）中靜置24 h，之后將普通混凝土或纖維混凝土脫模并置于20±2 ℃恒溫、95%以上濕度條件下養(yǎng)護(hù)28 d。對(duì)于澆筑的立方體試樣，需要通過(guò)鉆取獲得直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試樣，用于開展單軸壓縮試驗(yàn)以及滲透率測(cè)試試驗(yàn)。通過(guò)線切割獲得直徑50 mm、高25 mm的圓盤試樣，用于開展劈裂試驗(yàn)。澆筑的長(zhǎng)方體（100 mm×100 mm×400 mm）試樣用于開展三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。

1.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)方案見表2。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種工況下測(cè)試3個(gè)試樣，取平均值作為最終結(jié)果，共計(jì)需要135個(gè)混凝土試樣。此外，滲透率測(cè)試和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試屬于無(wú)損測(cè)試，因此試驗(yàn)過(guò)程中首先測(cè)試高溫處理后混凝土試樣的滲透率和導(dǎo)熱系數(shù)，之后再開展其他力學(xué)試驗(yàn)。因此，在表2中滲透率測(cè)試和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試并未給出所需的試樣個(gè)數(shù)。

1.3.1 高溫處理方法

首先，將制備好的混凝土試樣放置在馬弗爐中，升溫速度設(shè)定為5 ℃/min，升溫至設(shè)定溫度后保溫120 min，之后自然冷卻至常溫。根據(jù)Wang 等^［27］的研究成果，將混凝土試樣內(nèi)部完全升高至設(shè)定溫度需要的時(shí)間可利用式（1）計(jì)算：

式中：t表示混凝土試樣內(nèi)部均達(dá)到設(shè)定溫度所需時(shí)間，s；r表示混凝土試樣的半徑，本文中r=0.025 m；β表示混凝土試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)，在這里取平均值10^-6m²/s。

由式（1）可知，溫度均勻分布在混凝土試樣中的時(shí)間為625 s。因此，保溫時(shí)間設(shè)定為120 min是完全滿足試驗(yàn)需求的。

1.3.2 單軸壓縮測(cè)試方案及測(cè)試方法

單軸壓縮試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［28］，試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。

1.3.3 劈裂測(cè)試方案及測(cè)試方法

3種類型混凝土的抗拉強(qiáng)度采用劈裂試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［29］，試樣為直徑50 mm、高度25 mm的圓盤。

1.3.4 抗彎強(qiáng)度測(cè)試方案及測(cè)試方法

抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［30］，試樣為100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體。

1.3.5 滲透率測(cè)試方案及測(cè)試方法

由于澆筑的混凝土材料比較致密，因此采用考慮Klinkenberg效應(yīng)的瞬時(shí)脈沖法對(duì)混凝土試樣的滲透率進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算方法見公式（2），原理見圖2。試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。為了對(duì)比不同試驗(yàn)工況條件下混凝土圓柱體試樣的抗?jié)B性能，測(cè)試時(shí)所施加的圍壓水平以及試樣上下游所施加氣體壓力均保持一致。

式中：κ是混凝土試樣的氣體滲透率，m²；V₁和V₂分別表示試樣上、下游氣體壓力容器的體積，分別為0.45 L和0.15 L；L是試樣的長(zhǎng)度，m；μ和β分別表示氣體的黏度系數(shù)和壓縮系數(shù)，分別為1.89×10^-5Pa·s和0.99 Pa^-1；A是試樣的橫截面面積，m²；Δt_i表示壓力數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣的時(shí)間間隔，s；ΔP_i是任意時(shí)間試樣上、下游氣體壓力差值，MPa；ΔP₀表示試樣上、下游初始?xì)怏w壓力差值，0.5 MPa。

1.3.6 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方案及測(cè)試方法

采用XIATECH TC300E導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試不同高溫處理后的混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)量精度為0.01 W/（m·K）。測(cè)量時(shí)，將帶有熱線的測(cè)量墊片放在兩個(gè)試驗(yàn)工況相同的混凝土試樣之間，測(cè)出的導(dǎo)熱系數(shù)就為該試驗(yàn)工況下混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。

式中：λ為混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；q為單位長(zhǎng)度熱線產(chǎn)生的熱量，J/m；dt/d（lnt）為升溫曲線的斜率，K/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量

圖3給出了不同溫度處理后3種類型混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的演化規(guī)律。結(jié)果表明：50%R-UHPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量最低，而50%R-1.0%S-UHPC的最高，UHPC的在兩者之間。例如，常溫下UHPC單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為151.24 MPa和47.21 GPa，添加50%再生粗骨料后單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別降低了4.56%和7.07%，而進(jìn)一步添加1.0%鋼纖維后，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量反而增加了4.63%和5.93%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：一方面再生粗骨料在破碎過(guò)程中受到的沖擊力可能會(huì)導(dǎo)致骨料內(nèi)部產(chǎn)生潛在裂紋，因此再生骨料的強(qiáng)度一般要弱于天然粗骨料^［32］；此外，再生粗骨料表面不可避免地留有舊水泥基體，導(dǎo)致再生粗骨料與新水泥界面之間含有較多的孔隙，這些缺陷同樣會(huì)使配制的再生骨料混凝土力學(xué)性能下降^［33-34］。另一方面由于鋼纖維本身具有很高的強(qiáng)度，并且能夠起到連接微裂紋、微孔隙的作用，進(jìn)而限制了軸向壓力作用下混凝土試樣的側(cè)向變形，延遲裂紋的擴(kuò)展進(jìn)程^［35］，因此起到增強(qiáng)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的作用。相似的試驗(yàn)現(xiàn)象在Raheem等^［36］的研究中也被觀察到，佐證了本文試驗(yàn)結(jié)果的合理性。

此外，高溫處理后3種類型混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出隨溫度的增加而不斷降低的演化規(guī)律，在常溫～400 ℃范圍內(nèi)，三者的下降率均比較低，其中單軸抗壓強(qiáng)度下降范圍為10.11%～13.84%，彈性模量下降范圍為9.38%～13.30%；但當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃之后，三者的抗壓力學(xué)性能迅速減弱，其中在400～800 ℃范圍內(nèi)，三者單軸抗壓強(qiáng)度下降范圍高達(dá)68.21%～72.94%，彈性模量下降范圍為58.84%～65.15%。這表明高溫處理后混凝土抗壓力學(xué)性能的弱化存在一個(gè)明顯的溫度門檻值，即400 ℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：在400 ℃以下的高溫處理下，混凝土板內(nèi)部水分的蒸發(fā)在一定程度上降低了混凝土內(nèi)部溫度，從而減小了高溫對(duì)混凝土造成的損傷；但當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃之后，混凝土內(nèi)部的自由水被全部蒸發(fā)，高溫處理對(duì)混凝土粗骨料和基體之間界面粘結(jié)的破壞越來(lái)越明顯，因此隨溫度的升高抗壓力學(xué)性能迅速減弱^［34］。此外，可以觀察到高溫作用后UHPC力學(xué)性能出現(xiàn)了較大幅度下降，這主要是由于高溫使骨料界面上形成了裂縫，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能降低^［37］。

對(duì)于UHPC和50%R-UHPC來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，兩者抗壓力學(xué)性能之間的差距越來(lái)越小。例如常溫狀態(tài)下，兩者的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量差異分別為6.9 MPa及3.34 GPa；而800 ℃高溫處理后兩者的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的差異分別為1.67 MPa和0.80 GPa。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：常溫狀態(tài)下兩者抗壓力學(xué)性能之間的差距是由于再生粗骨料與新水泥基體之間的粘結(jié)力較低^［33-34］以及再生粗骨料內(nèi)部的微裂紋損傷^［32］共同造成的；但高溫作用同樣會(huì)降低混凝土粗骨料和基體之間界面的界面粘結(jié)力^［34］。因此隨著溫度的升高，當(dāng)高溫對(duì)混凝土粗骨料和基體之間界面粘結(jié)力的降低作用超過(guò)再生粗骨料對(duì)界面粘結(jié)力弱化效應(yīng)時(shí)，UHPC和50%R-UHPC兩者之間的抗壓力學(xué)性能就會(huì)越來(lái)越接近。

2.2 抗拉強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度

圖4給出了不同溫度處理后3種類型混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的演化規(guī)律。結(jié)果表明：3種類型混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)出較好的一致性，其中50%R-1.0%S-UHPC的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度最高，其次為UHPC，最低的為50%R-UHPC。其中，常溫狀態(tài)下UHPC的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別為11.21 MPa和15.36 MPa；添加50%再生粗骨料后混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別降低了11.38%和10.68%；進(jìn)一步添加1.0%鋼纖維后，混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度反則得到了一定的提升，相較于UHPC分別增加了51.20%和51.30%。這表明可再生粗骨料的添加同樣會(huì)降低混凝土抗拉及抗彎力學(xué)性能，而鋼纖維的添加則會(huì)提升混凝土的抗拉和抗彎力學(xué)性能，這與單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)的規(guī)律是類似的，相應(yīng)的原因已在2.1節(jié)中給出。不過(guò)需要注意的是，鋼纖維的添加對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的提升效應(yīng)，明顯大于對(duì)單軸抗壓力學(xué)性能的提升，主要原因是鋼纖維本身具有很高的強(qiáng)度，它可以延遲裂紋的擴(kuò)展進(jìn)程^［35］，進(jìn)而降低混凝土基體與鋼纖維之間的應(yīng)力。

此外，隨著溫度的升高，3種混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的降低，也呈現(xiàn)出明顯的溫度門檻值效應(yīng)。即400 ℃之前，混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度緩慢下降，下降速率范圍分別為14.34%～14.93%和11.57%～14.36%；超過(guò)400 ℃之后，三者的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度迅速減弱，其中抗拉強(qiáng)度的下降速率高達(dá)58.97%～69.71%，而抗彎強(qiáng)度下降速率同樣高達(dá)45.21%～68.05%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于溫度超過(guò)400 ℃之后，高溫會(huì)迅速蒸發(fā)混凝土內(nèi)部的自由水，加速混凝土粗骨料和基體之間界面粘結(jié)的破壞效應(yīng)，形成更多的裂紋，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度迅速減弱^［34］。此外，隨著處理溫度的升高，UHPC和50%R-UHPC的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度也逐漸趨于相同，例如在常溫狀態(tài)下兩者的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度差距分別為1.24 MPa和1.64 MPa，而800 ℃高溫處理后，兩者的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度差距縮小到0.23 MPa和0.66 MPa。這與混凝土單軸抗壓力學(xué)性能呈現(xiàn)的規(guī)律是一致的，原因同上。

2.3 孔隙率和滲透率

圖5給出了不同溫度處理后3種類型混凝土的孔隙率和滲透率的演化規(guī)律。結(jié)果表明：50%R-1.0%S-UHPC的孔隙率和滲透率最高，其次為50%R-UHPC，而UHPC的最低。常溫狀態(tài)下UHPC的孔隙率和滲透率分別為3.83%和9.32×10^-18m²；添加50%含量的再生粗骨料后，孔隙率和滲透率分別增加了9.64%和62.97%；繼續(xù)添加1.0%含量的鋼纖維后，孔隙率和滲透率繼續(xù)增加。和50%R-UHPC相比，50%R-1.0%S-UHPC的孔隙率和滲透率分別增加了7.84%和10.15%。這表明再生粗骨料和鋼纖維的添加均有助于提高混凝土的孔隙率和滲透率，降低混凝土的抗?jié)B性能。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因有：一方面是再生粗骨料表面留有舊的水泥基體，導(dǎo)致再生粗骨料與新水泥界面之間含有較多的孔隙^［33-34］；另一方面，金屬纖維與水泥基體之間會(huì)形成含有孔隙結(jié)構(gòu)的軟弱截面^［38］，起到增大混凝土孔隙度和滲透率的效果。

隨著溫度的升高，3種類型混凝土的孔隙率和滲透率逐漸增大，同樣也在400 ℃時(shí)呈現(xiàn)出較為明顯的溫度門檻值效應(yīng)，而且高溫作用后UHPC抗?jié)B性能明顯減弱。主要原因是高溫作用下混凝土基質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋，特別是粗骨料和水泥基體之間的膠結(jié)性能會(huì)嚴(yán)重下降，從而導(dǎo)致混凝土的孔隙率和滲透率逐漸增大^［39-40］。此外，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：在添加50%再生粗骨料的基礎(chǔ)之上，繼續(xù)添加1.0%鋼纖維雖然增大了混凝土的孔隙率和滲透率，但高溫作用后，平均增加幅度僅分別為9.52%和34.29%，低于添加50%再生粗骨料對(duì)混凝土孔隙率和滲透率的增大效應(yīng)（17.77%和115.50%）。

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

圖6給出了不同溫度處理后3種類型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)演化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：50%R-1.0%S-UHPC的導(dǎo)熱系數(shù)最大，其次為UHPC，50%R-UHPC的最低。例如，常溫狀態(tài)下UHPC的導(dǎo)熱系數(shù)為3.24 W/（m·K），替換50%再生粗骨料后導(dǎo)熱系數(shù)降低了5.86%，但繼續(xù)添加1.0%鋼纖維后，導(dǎo)熱系數(shù)反而較UHPC增加了8.33%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：① 再生粗骨料的替換會(huì)增加混凝土的孔隙率，這在2.3節(jié)可以看出，而孔隙率的增加會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部空氣占比增大，空氣的低導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致混凝土整體的導(dǎo)熱系數(shù)降低，文獻(xiàn)［41］中得出了相同的試驗(yàn)結(jié)論；② 鋼纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為46.4 W/（m·K）^［42］，遠(yuǎn)大于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，因此鋼纖維的添加起到了增大混凝土導(dǎo)熱性能的作用。

此外隨著溫度的升高，3種類型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均出現(xiàn)了逐漸下降的趨勢(shì)，且同樣在400 ℃時(shí)呈現(xiàn)出較為明顯的溫度門檻值效應(yīng)。這主要是由于高溫處理會(huì)增加混凝土的孔隙率，混凝土內(nèi)部空氣含量增多，從而導(dǎo)致混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降^［39-40］。而且，對(duì)于UHPC和50%R-UHPC兩種混凝土來(lái)講，隨著處理溫度的升高，兩者導(dǎo)熱系數(shù)逐漸趨于一致，相似的現(xiàn)象在Xing等^［43］和Algourdin等^{［41，44］}的研究中均有觀察到。

3 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系建立

混凝土的滲透率是評(píng)價(jià)抗?jié)B性能的重要參數(shù)之一^［44］，而導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)混凝土在高溫環(huán)境下熱學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)^［41］。然而，從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，高溫處理后3種類型混凝土的滲透率和導(dǎo)熱系數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的弱化，這和混凝土內(nèi)部產(chǎn)生熱損傷（形成微裂紋、微裂隙）有關(guān)。很明顯，混凝土內(nèi)部微裂紋的形成與抗?jié)B性能和熱學(xué)性能弱化之間存在著某種必然聯(lián)系。為此，尋求建立定量描述混凝土滲透率、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度等與微裂紋發(fā)育之間相關(guān)關(guān)系的理論表達(dá)式。采用容易獲得的孔隙率來(lái)定量描述混凝土內(nèi)部微裂紋的發(fā)育情況。

3.1 滲透率與孔隙率之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

多孔介質(zhì)材料的滲透率與孔隙率息息相關(guān)。其中Kozeny^［45］和Carman^［46］等提出的描述滲透率與孔隙率之間關(guān)系的Kozeny-Carman 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥顬槌Ｓ茫?/p>

式中：κ為高溫處理后混凝土滲透率；κ₀為初始滲透率，這里取常溫狀態(tài)下混凝土的滲透率；n為高溫處理后混凝土的孔隙率；n₀為初始孔隙率，這里取常溫狀態(tài)下混凝土的孔隙率。圖7給出了Kozeny-Carman 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

混凝土是由混凝土基質(zhì)（包括水泥、細(xì)骨料及粗骨料）以及空隙兩部分組成。因此，基于混凝土為多孔介質(zhì)材料且內(nèi)部孔隙形狀均相同的假設(shè)，Kachanov等^［47］建立了各向異性多孔介質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙體積之間的關(guān)系式：

式中：λ為混凝土材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)張量；λ₀為混凝土基質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)；I為單位張量；V表示混凝土材料的體積；V_cav表示為混凝土內(nèi)部單個(gè)孔隙的體積；A₁，A₂表示為描述孔隙形狀的因子；m表示單個(gè)孔隙的法向向量。

進(jìn)一步的，假定混凝土孔隙的縱橫比與孔隙方向和孔隙尺寸均無(wú)關(guān)，那么孔隙形狀影響因子A₁、A₂可以用它們的平均值來(lái)替代^［47］。Kachanov等^［48］的研究結(jié)果進(jìn)一步指出，當(dāng)多孔介質(zhì)孔隙方向與孔隙尺寸無(wú)關(guān)時(shí)，那么所有孔隙就有相同的方向。因此，式（5）可以被進(jìn)一步表示為

其中，

而且

式中：a₁，a₂為描述混凝土孔隙形狀的平均影響因子；ω為混凝土孔隙率的二階張量。

因此，對(duì)于各向同性的多孔介質(zhì)來(lái)講，式（6）可進(jìn)一步被表示為

λ=λ₀-λ₀（a₁+a₂）n（9）

從式（9）可以看出，在假設(shè)混凝土材料為各向同性多孔介質(zhì)材料的前提下，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)由混凝土基質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、混凝土孔隙率以及混凝土孔隙形狀確定。在這里，采用各向同性導(dǎo)熱系數(shù)模型來(lái)擬合高溫處理后3種類型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)（圖8）。需要說(shuō)明的是，λ₀的值可從試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得。

從圖8中可以看出，本文提出的各項(xiàng)同性導(dǎo)熱系數(shù)擬合模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。3種類型混凝土的擬合模型參數(shù)在表3中列出，可以看出混凝土平均孔隙形狀影響因子之和隨混凝土初始孔隙率的增大而逐漸減小。為此，對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97（圖9）。這表明對(duì)于難以量化的孔隙形狀影響因子，可以基于混凝土在常溫狀態(tài)下的孔隙率，并借助線性擬合方程來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3 抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

混凝土的強(qiáng)度參數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，為此進(jìn)一步擬合了混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間關(guān)系，如圖10所示，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，擬合模型在表4中列出。

同樣地，混凝土的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與孔隙之間的關(guān)系也存在相同關(guān)系，在此僅以抗壓強(qiáng)度為例闡述。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)UHPC、50%R-UHPC以及50%R-1.0%S-UHPC等3種混凝土進(jìn)行高溫處理（200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃），研究高溫對(duì)它們力學(xué)性能（單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度等）、抗?jié)B性能（孔隙率及滲透率）以及導(dǎo)熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)）的影響，研究結(jié)論如下：

（1） 再生粗骨料的添加會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能（包括單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度）以及導(dǎo)熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)），但會(huì)增加混凝土的孔隙率和滲透率。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是再生粗骨料自身在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)損傷，以及殘留的舊水泥基體會(huì)弱化與混凝土基體之間的膠結(jié)性能。鋼纖維的添加一方面能夠起到連接微裂紋、微孔隙，延遲裂紋擴(kuò)展的作用，這會(huì)明顯增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，特別是混凝土的抗彎及抗拉力學(xué)性能；另一方面，鋼纖維與水泥基體之間會(huì)形成含有孔隙結(jié)構(gòu)的軟弱截面，起到增大混凝土孔隙度和滲透率的效應(yīng)。此外，鋼纖維自身高導(dǎo)熱性能也會(huì)增大混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2） 高溫處理后混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能會(huì)逐漸減弱，并呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的溫度門檻值效應(yīng)。即400 ℃之前，混凝土力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能的弱化效應(yīng)不明顯，一旦超過(guò)溫度門檻值后，它們會(huì)迅速減弱。這主要是由于溫度超過(guò)400 ℃之后，混凝土內(nèi)部的自由水被全部蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土粗骨料和基體之間界面粘結(jié)的破壞效應(yīng)愈發(fā)明顯。對(duì)于UHPC和50%R-UHPC兩種類型混凝土來(lái)說(shuō)，隨著處理溫度的升高，兩者力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的差距越來(lái)越小，這主要是由于高溫對(duì)混凝土粗骨料和基體之間界面粘結(jié)力的降低作用超過(guò)了再生粗骨料對(duì)界面粘結(jié)力的弱化效應(yīng)。

（3） 基于相關(guān)性分析和理論推導(dǎo)分別建立了高溫處理后混凝土抗壓強(qiáng)度-孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)-孔隙率、滲透率-孔隙率之間的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，且預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。因此，借助建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，就可以依靠容易獲得的孔隙率來(lái)預(yù)測(cè)高溫處理后混凝土的抗壓強(qiáng)度、滲透率和導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)也為評(píng)價(jià)混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)熱性能提供了一種有效手段。

參考文獻(xiàn)：

［1］XIAO J，DENG Q，HOU M，et al.Where are demolition wastes going：reflection and analysis of the February 6，2023 earthquake disaster in Turkey［J］.Low-carbon Materials and Green Construction，2023（12）：17-36.

［2］FERNANDES B，CARR? H，MINDEGUIA J C，et al.Effect of elevated temperatures on concrete made with recycled concrete aggregates-An overview［J］.Journal of Building Engineering，2021，44：103235.

［3］張愷，林子琪，尹志剛，等.粗骨料替代率對(duì)再生混凝土性能影響研究［J］.人民長(zhǎng)江，2023，54（9）：230-234.

［4］XIAO J，TANG Y，CHEN H N，et al.Effects of recycled aggregate combinations and recycled powder contents on fracture behavior of fully recycled aggregate concrete［J］.Journal of Cleaner Production，2022，366：132895.

［5］KISKU N，JOSHI H，ANSARI M，et al.A critical review and assessment for usage of recycled aggregate as sustainable construction material［J］.Construction and Building Materials，2017，131：721-740.

［6］DE ANDRADE S F.Recycled aggregates from construction and demolition waste towards an application on structural concrete：a review［J］.Journal of Building Engineering，2022，52：104452.

［7］BEHERA M，BHATTACHARYYA S K，MINOCHA A K，et al.Recycled aggregate from C&D waste & its use in concrete-a breakthrough towards sustainability in construction sector：a review［J］.Construction and Building Materials，2014，68：501-516.

［8］TAM V W Y，SOOMRO M，EVANGELISTA A C J.Quality improvement of recycled concrete aggregate by removal of residual mortar：A comprehensive review of approaches adopted［J］.Construction and Building Materials，2021，288：123066.

［9］陳鈺婷，王中平，彭相，等.高溫與碳化對(duì)鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物氯離子結(jié)合穩(wěn)定性的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2022，25（7）：715-721.

［10］ZHAN B J，XUAN D X，ZENG W，et al.Carbonation treatment of recycled concrete aggregate：effect on transport properties and steel corrosion of recycled aggregate concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2019，104：103360.

［11］LI L，XUAN D，SOJOBI A O，et al.Development of nano-silica treatment methods to enhance recycled aggregate concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2021，118：103963.

［12］SHABAN W M，YANG J，SU H，et al.Properties of recycled concrete aggregates strengthened by different types of pozzolan slurry［J］.Construction and Building Materials，2019，216：632-647.

［13］杜詠，嚴(yán)奧宇，戚洪輝.纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土防高溫爆裂研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2021，24（1）：216-223.

［14］肖建莊，許金校，羅素蓉，等.劍麻纖維對(duì)再生骨料混凝土斷裂性能的影響研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2023，26（6）：587-595.

［15］DEHGHAN A，PETERSON K，SHVARZMAN A.Recycled glass fiber reinforced polymer additions to Portland cement concrete［J］.Construction and Building Materials，2017，146：238-250.

［16］CAGGIANO A，F(xiàn)OLINO P，LIMA C，et al.On the mechanical response of hybrid fiber reinforced concrete with recycled and industrial steel fibers［J］.Construction and Building Materials，2017，147：286-295.

［17］ZENG J J，CHEN S P，ZHUGE Y，et al.Three-dimensional finite element modeling and theoretical analysis of concrete confined with FRP rings［J］.Engineering Structures，2021，234：111966.

［18］AHMADI M，F(xiàn)ARZIN S，HASSANI A，et al.Mechanical properties of the concrete containing recycled fibers and aggregates［J］.Construction and Building Materials，2017，144：392-399.

［19］ORTIZ J A，DE LA FUENTE A，MENA SEBASTIA F，et al.Steel-fibre-reinforced self-compacting concrete with 100% recycled mixed aggregates suitable for structural applications［J］.Construction and Building Materials，2017，156：230-241.

［20］杜紅秀，樊亞男.基于X-CT的C60高性能混凝土高溫細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2020，23（1）：210-215.

［21］毛振豪，張繼承，李元齊，等.活性粉末混凝土高溫后性能劣化及微觀結(jié)構(gòu)［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2022，25（12）：1225-1232.

［22］BARADARAN N A，NEMATZADEH M.The effect of elevated temperatures on the mechanical properties of concrete with fine recycled refractory brick aggregate and aluminate cement［J］.Construction and Building Materials，2017，147：865-875.

［23］SULTAN H K，ALYASERI I.Effects of elevated temperatures on mechanical properties of reactive powder concrete elements［J］.Construction and Building Materials，2020，261：120555.

［24］劉普，王明華，李慶濤.高溫后路緣石再生骨料混凝土的力學(xué)性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2022，25（12）：1233-1240.

［25］XIAO J，F(xiàn)AN Y，TAWANA M M.Residual compressive and flexural strength of a recycled aggregate concrete following elevated temperatures［J］.Structural Concrete，2013，14（2）：168-175.

［26］李碧雄，張治博，朱亞閣，等.廢玻璃混凝土最優(yōu)復(fù)摻方式及耐高溫性能研究［J］.工程科學(xué)與技術(shù)，2022，54（2）：73-80.

［27］WANG X Q，SCHUBNEL A，F(xiàn)ORTIN J，et al.Physical properties and brittle strength of thermally cracked granite under confinement［J］.Journal of Geophysical Research-solid Earth，2013，118（12）：6099-6112.

［28］ASTMC39/C39M-12.Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens ［S］.West Conshohocken （PA）：American Society for Testing and Materials，2015.

［29］ASTM C496/C496M.Standard test method for splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens ［S］.West Conshohocken （PA）：American Society for Testing and Materials，2011.

［30］ASTM C1609/C1609M-12.Standard test method for flexural performance of fiber-reinforced concrete （Using Beam with Third Point Loading）［S］.West Conshohocken （PA）：American Society for Testing and Materials，2010.

［31］劉江峰，倪宏陽(yáng)，浦海，等.多孔介質(zhì)氣體滲透率測(cè)試?yán)碚?、方法、裝置及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，40（1）：137-146.

［32］GARCIA T N，LI L，CHENG Q，et al.Comparative study on the properties and high temperature resistance of self-compacting concrete with various types of recycled aggregates［J］.Case Studies in Construction Materials，2021，15：e00678.

［33］YUE G B，MA Z M，LIU M，et al.Damage behavior of the multiple ITZs in recycled aggregate concrete subjected to aggressive ion environment［J］.Construction and Building Materials，2020，245：118419.

［34］陳宗平，周春恒，李伊，等.高溫后再生混凝土力學(xué)性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2017，38（12）：105-113.

［35］SAHMARAN M，YAMAN I O.Hybrid fiber reinforced self-compacting concrete with a high-volume coarse fly ash［J］.Construction and Building Materials，2007，21（1）：150-156.

［36］RAHEEM A H A，MAHDY M，MASHALY A A.Mechanical and fracture mechanics properties of ultra-high-performance concrete［J］.Construction and Building Materials，2019，213：561-566.

［37］莊志凱，張偉，張坤，等.高溫作用后不同冷卻條件下混凝土損傷演化研究［J］.人民長(zhǎng)江，2023，54（4）：229-233.

［38］HANNAWI K，BIAN H，PRINCE-AGBODJAN W，et al.Effect of different types of fibers on the microstructure and the mechanical behavior of ultra-high performance fiber-reinforced concretes［J］.2016，86：214-220.

［39］陳宗平，周濟(jì)，王成，等.高溫后型鋼再生混凝土界面黏結(jié)性能試驗(yàn)研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2021，41（6）：1145-1156.

［40］陳宗平，趙科軍，經(jīng)承貴，等.高溫后鋼管再生混凝土軸壓性能試驗(yàn)及承載力計(jì)算［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2019，34（6）：991-1002.

［41］ALGOURDIN N，PLIYA P，BEAUCOUR A L，et al.Effect of fine and coarse recycled aggregates on high-temperature behaviour and residual properties of concrete［J］.Construction and Building Materials，2022，341：127847.

［42］朱德，韓陽(yáng)，沈雷，等.高溫后鋼纖維混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（11）：1477-1481.

［43］XING Z，BEAUCOUR A L，HEBERT R，et al.Aggregate′s influence on thermophysical concrete properties at elevated temperature［J］.Construction and Building Materials，2015，95：18-28.

［44］ALGOURDIN N，PLIYA P，BEAUCOUR A L，et al.Influence of polypropylene and steel fibres on thermal spalling and physical-mechanical properties of concrete under different heating rates［J］.Construction and Building Materials，2020，259：119690.

［45］KOZENY J.ber kapillare leitung des wassers im boden，sitzungsberichte［J］.Royal Academy of Science，1927，136（2a）：271-306.

［46］CARMAN P.Permeability of saturated sands，soil and calys［J］.Journal of Agricultural Science，1939，29（2）：262-73.

［47］KACHANOV M，SEVOSTIANOV I，SHAFIRO B.Explicit cross-property correlations for porous materials with anisotropic microstructures［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2001，49（1）：1-25.

［48］KACHANOV M，TSUKROV I，SHAFIRO B.Effective moduli of solids with cavities of various shapes［J］.Applied Mechanics Reviews，1994，47（S1）：50-577.

（編輯：胡旭東）

Experimental study on physical and mechanical properties of ultra-high performance

concrete with recycled coarse aggregate and steel fiber under high temperature

LIU Xinwei¹，REN Jiaolong²

（1.Shanxi Vocational University of Engineering and Technology，Jinzhong 030600，China；2.School of Civil Engineering and Geomatics，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China）

Abstract：At present，the research on the performance of concrete with recycled coarse aggregate and fiber is relatively sufficient，but the understanding on its performance changes after high temperature treatment is insufficient.To this end，three types of concrete，namely ultra-high performance concrete （UHPC），50% recycled coarse aggregate UHPC （50%R-UHPC），and 50% recycled coarse aggregate-1.0% steel fiber UHPC （50R-1.0%S-UHPC），were treated under high temperature （200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃）.Then the mechanical properties of the concretes，including uniaxial compressive strength，elastic modulus，splitting tensile strength，and flexural strength，as well as impermeability and thermal conductivity were studied.The results indicate that the addition of recycled coarse aggregate to the concrete weakens its mechanical properties，impermeability，and thermal conductivity，resulting in a decline in compressive，tensile，and flexural strength，as well as an increase in porosity and permeability.However，the addition of steel fibers enhances the mechanical properties and thermal conductivity of the concrete，but also results in an increase in porosity and permeability.High temperature treatment weakens the concrete mechanical properties，impermeability，and thermal conductivity，and there is a threshold temperature of 400 ℃.Prior to 400 ℃，the impact of high temperature treatment on these properties is minimal，but once the threshold is exceeded，the properties weaken rapidly.With respect to both UHPC and 50%R-UHPC，the differences in mechanical properties and thermal conductivity gradually diminish with the increase of the treatment temperature.

Key words：ultra-high performance concrete；recycled aggregate concrete；steel fiber；high temperature treatment；mechanics properties；impermeability；thermal conductivity；empirical prediction model