水泥基材料瞬時(shí)高溫作用下的爆裂與力學(xué)性能

摘要：水泥基材料經(jīng)瞬時(shí)高溫作用后，隨受火溫度不同，表現(xiàn)出不同的爆裂與力學(xué)性能。研究了摻加不同礦物摻和料的水泥基材料在不同的瞬時(shí)高溫作用后爆裂與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在100 ℃和300 ℃瞬時(shí)高溫作用下，所有試樣外觀完整，未發(fā)生爆裂；600 ℃時(shí)，所有試件發(fā)生粉碎性爆裂。與室溫下水泥基材料的物理力學(xué)性能相比，在經(jīng)歷瞬時(shí)100 ℃作用后，試樣的抗壓、抗折強(qiáng)度損失率分別達(dá)到15%和30%以上；經(jīng)受300 ℃作用后，強(qiáng)度恢復(fù)至室溫時(shí)強(qiáng)度水平；溫度高于300 ℃時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，強(qiáng)度急劇衰減。其中，復(fù)摻20%礦粉和10%硅灰的試樣經(jīng)歷的低溫（≤300 ℃）作用后，抗壓、抗折強(qiáng)度均隨溫度的增加而提高。SEM分析表明，經(jīng)600 ℃高溫作用2 h后，硬化水泥漿體C-S-H整體結(jié)構(gòu)疏松，水化產(chǎn)物連續(xù)相被分割為非連續(xù)相。

關(guān)鍵詞：水泥基材料；爆裂；瞬時(shí)高溫；物理化學(xué)變化；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0109-05

隨著地下空間的開發(fā)，越來越多的地鐵隧道建成并投入使用。隧道長(zhǎng)度、交通密度、車輛載重、使用頻率的增加，都使得發(fā)生火災(zāi)的可能性逐漸增大。混凝土作為地下交通工程的主要建筑材料，其高溫性能直接與建筑物的穩(wěn)定性密切相關(guān)^[1-2]，因此對(duì)混凝土高溫性能進(jìn)行研究具有重要意義。

Hertz^[3]提出混凝土高溫下的爆裂和性能劣化趨勢(shì)與其水灰比及摻合料種類、摻量等因素有關(guān)。Papayianni等^[4]的研究表明：隨著溫度從室溫增加至800 ℃，硬化水泥石表現(xiàn)出先膨脹后收縮再膨脹的過程，而粗骨料則逐漸膨脹。傅宇方等^[5]和肖建莊等^[6]提出混凝土高溫后性能的劣化與硬化水泥石與骨料之間的界面過渡區(qū)的存在密切相關(guān)。Consolazio等^[7]的研究表明：混凝土中的界面過渡區(qū)可有效降低水泥基材料中的蒸汽壓。綜上所述，由于硬化水泥石與骨料之間熱致變形的差異，混凝土中存在尺寸與數(shù)量較大的界面薄弱區(qū)，有利于高溫下混凝土內(nèi)部水分的脫逸。因此，混凝土試件對(duì)水泥基材料的高溫爆裂現(xiàn)象不敏感。為了有效反映不同水泥基材料高溫爆裂的敏感性，應(yīng)細(xì)化界面薄弱區(qū)，提高結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)性。因此，本文采用水泥膠砂試件來研究不同礦物摻合料（粉煤灰、礦粉和硅灰）對(duì)水泥基材料高溫爆裂的影響^[4]，分析了不同摻合料對(duì)高溫下水泥基材料性能的作用，探討了高溫對(duì)硬化水泥石微觀結(jié)構(gòu)的破壞。

馬保國(guó)，等：水泥基材料瞬時(shí)高溫作用下的爆裂與力學(xué)性能

1試驗(yàn)

1.1原材料

武漢亞東水泥有限公司生產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3 d抗壓強(qiáng)度為27.3 MPa，3 d抗折強(qiáng)度6.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為52.7 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為9.1 MPa；武鋼礦粉，比表面積為450 m2/kg；武漢陽邏輝虹牌Ⅱ級(jí)粉煤灰；武漢硅灰；武鋼浩源FDN“ZG” 萘系高效減水劑；巴河河砂。

1.2水泥基材料試件制備

按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行試件的成型，養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d，達(dá)到齡期后靜置72 h，以3個(gè)40 mm×40 mm×160 mm試件為1組進(jìn)行高溫爆裂試驗(yàn)。試件配比見表1。

1.3試驗(yàn)方法

爆裂試驗(yàn)研究了不同摻合料制備試件在不同溫度作用下的爆裂程度，其中溫度為100、300、600 ℃，保溫時(shí)間2 h。爆裂試驗(yàn)?zāi)M火災(zāi)作用時(shí)，摻加不同摻合料的試件在溫度場(chǎng)急劇升溫過程中的爆裂程度與力學(xué)性能，將不同摻合料制備的試件置于達(dá)到了預(yù)定溫度的高溫爐中，保溫時(shí)間從試件置于預(yù)定溫度場(chǎng)中開始計(jì)時(shí)。在保溫過程中，根據(jù)爆裂聲記錄試件發(fā)生第1次爆裂的時(shí)間，受熱30 min后，打開爐門觀察試件的損傷情況；保溫2 h后取出試件冷卻至25 ℃，進(jìn)行物理力學(xué)性能的測(cè)試。

XRD分析采用日本Rigaku（理學(xué)）公司D/Max-RB轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀析進(jìn)行物相分析，試驗(yàn)衍射角為5～60°，掃描速率為10°/min。

SEM采用日本JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌分析。

2結(jié)果及討論

2.1細(xì)骨料水泥基材料高溫爆裂現(xiàn)象及機(jī)理

在室溫至300 ℃的溫度階段，不同配比的試件瞬時(shí)暴露在100和300 ℃的2個(gè)目標(biāo)溫度場(chǎng)中，試件承受了內(nèi)外溫差75及275 ℃的溫度梯度的作用。所有配合比試件在保溫2 h后，外觀依然完整，均未發(fā)生爆裂現(xiàn)象（圖1、圖2舉例了不同組試件在100和300 ℃作用后的外觀）。試件在100 ℃作用下，水化產(chǎn)物內(nèi)部的自由水受熱揮發(fā)脫附；在300 ℃作用下，試件內(nèi)部凝膠水揮發(fā)脫逸^[8]。

將試件瞬時(shí)暴露于600 ℃的溫度中時(shí)，試件表面經(jīng)歷約575 ℃的溫度梯度作用，所有試件在受火后5 min內(nèi)均發(fā)生了爆裂，并伴隨劇烈的爆炸聲，保溫30 min后，發(fā)現(xiàn)試件均為粉碎性爆裂（見圖3）。在300～600 ℃的過程中，水泥基材料的變化可能為結(jié)構(gòu)水的脫逸和SiO2的同質(zhì)多相轉(zhuǎn)化。其中，占水泥石質(zhì)量6%～12%的Ca（OH）2在450 ℃左右發(fā)生脫水，使不同摻合料制備試件承受反應(yīng)生成氣體造成的體積膨脹，與此同時(shí)，C-S-H凝膠也發(fā)生了脫水分解，水泥石體積收縮，細(xì)骨料受熱發(fā)生膨脹，導(dǎo)致材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)承受較大的張應(yīng)力；當(dāng)溫度升高至573 ℃時(shí)，β-SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiO2，又伴隨了082%的體積膨脹，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)所承受的張應(yīng)力進(jìn)一部增加。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過試件的屈服強(qiáng)度時(shí)，試件發(fā)生爆裂^[9]；此外，溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力加劇了爆裂的發(fā)生^[10]。

對(duì)比同組試件在3個(gè)不同溫度作用下的顏色發(fā)現(xiàn)：隨著試件受到的溫度作用的升高，試件的顏色逐漸變淺。

從溫度場(chǎng)對(duì)不同摻合料制備試件抗壓強(qiáng)度的影響中，可概括出如下規(guī)律^[11-12]：

100 ℃時(shí)試件抗壓強(qiáng)度發(fā)生損失，可能與鈣礬石分解和砂漿試件內(nèi)部吸附水蒸發(fā)后孔隙率的增加有關(guān)^[14]。隨著礦物摻合料的加入，不同活性的礦物摻合料對(duì)試件的微觀結(jié)構(gòu)造成了影響，硅灰的加入有效提高了試件的密實(shí)度，改善了試件的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑變小，從而使試件中水分多分布于毛細(xì)孔或凝膠孔中^[13]。因此，100 ℃時(shí)，b-3試件由于自由水蒸發(fā)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低的程度低于b-0～b-2。

300 ℃時(shí)，不同摻合料制備的試件抗壓強(qiáng)度都明顯比100 ℃時(shí)的強(qiáng)度高，相對(duì)25 ℃的抗壓強(qiáng)度損失率也明顯降低。原因可能在于300 ℃時(shí)，由于高溫的蒸汽養(yǎng)護(hù)，水泥顆粒進(jìn)一步水化，提高了試件的強(qiáng)度；水泥石中毛細(xì)孔或凝膠孔中大量水分的喪失和礦物中結(jié)晶水的失去，產(chǎn)生了收縮變化，使得整個(gè)試件內(nèi)部處于一種預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，從而提高了承受外界荷載的能力。b-3與b-5試件300 ℃的抗壓強(qiáng)度超過了25 ℃時(shí)的強(qiáng)度，這與硅灰和礦粉的較高活性相關(guān)，高活性的摻合料將有助于水泥石體系的密實(shí)，從而增加微孔的比重，在受熱大量脫水后，孔結(jié)構(gòu)的收縮作用將明顯得到體現(xiàn)。

2.2.2抗折強(qiáng)度水泥基材料的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出的規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致： b-0～b-4試件經(jīng)歷100 ℃后的抗折強(qiáng)度，低于25 ℃及經(jīng)歷300 ℃后的強(qiáng)度；b-5試件在低于300 ℃時(shí)，隨溫度的升高而升高。

b-0經(jīng)歷300 ℃的高溫作用后，與100 ℃時(shí)的抗折強(qiáng)度相比，強(qiáng)度增加了約2.3 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到33%。b-1試樣抗折強(qiáng)度增加了約3.0 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到41%。b-2的抗折強(qiáng)度增加了1.9 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到27%。b-3增加了約4.0 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到61%。b-4增加了約5.0 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到84%。b-5增加了約3.3 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到43%（見圖5）。

強(qiáng)度結(jié)果存在如下規(guī)律：目標(biāo)溫度場(chǎng)從100 ℃增加至300 ℃時(shí)，不同摻合料制備的試件抗折強(qiáng)度存在明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與抗壓強(qiáng)度的結(jié)果一致。其中，粉煤灰與硅灰的摻入能有效的改善經(jīng)歷高溫作用后試件的抗折強(qiáng)度，特別是b-3與b-4的增長(zhǎng)率分別達(dá)到61%與84%；礦粉的摻入會(huì)減少試件經(jīng)歷高溫作用后的強(qiáng)度增加百分比。

4結(jié)論

1） 粉煤灰、礦粉、硅灰分別摻入20%替代水泥的試件和摻入20%粉煤灰、10%硅灰與摻入20%礦粉、10%硅灰的試件，在100和300 ℃的瞬時(shí)高溫作用2 h后，試件外觀完整，未發(fā)生缺損；在600℃高溫作用后，所有試件粉碎性爆裂。

2）水泥基材料在經(jīng)受100 ℃溫度作用后，由于鈣礬石分解和砂漿試件內(nèi)部吸附水蒸發(fā)后孔隙率的增加，抗壓、抗折強(qiáng)度相比室溫時(shí)下降15%與30%以上；經(jīng)受300 ℃溫度作用后的試件，水泥顆粒受高溫蒸養(yǎng)進(jìn)一步水化，而且水泥石微孔中水分散失產(chǎn)生的收縮，使試件內(nèi)部處于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，而使強(qiáng)度恢復(fù)至室溫時(shí)水平；溫度高于300 ℃時(shí)，強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)溫度升高至高于600 ℃時(shí)，水泥石結(jié)構(gòu)破壞，裂縫增大，強(qiáng)度急劇衰減。溫度低于300 ℃時(shí)，復(fù)合摻加20%礦粉和10%硅灰的試件抗壓、抗折強(qiáng)度均隨溫度的升高而升高。

3） 300 ℃時(shí)，水泥基材料試件的抗折強(qiáng)度高于100 ℃時(shí)的強(qiáng)度，增幅達(dá)到27%～84%。粉煤灰、硅灰對(duì)300 ℃至100 ℃水泥基材料抗折強(qiáng)度增加的現(xiàn)象有促進(jìn)作用，礦粉降低了這一過程抗折強(qiáng)度增加的幅度。

4） XRD、SEM測(cè)試表明：溫度的升高導(dǎo)致了Ca（OH）2晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，結(jié)晶程度下降至消失；C-S-H凝膠在溫度升高的過程中也發(fā)生了明顯的破壞，25 ℃時(shí)連續(xù)相凝膠團(tuán)，在高溫時(shí)被裂縫及孔洞分割為非連續(xù)相，且隨溫度的升高裂縫逐漸增大。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂天啟.高溫后混凝土靜置性能的試驗(yàn)研究及已有建筑物的防火安全評(píng)估[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

[2]Saafi M.Effect of fire on FRP reinforced concrete members [J].Composite Structures，2002，58：11-20.

[3]Hertz K D.Limits of spalling of fire-exposed concrete [J].Fire Safety Journal，2003，38：103-116.

[4]Papayianni I，Valliasis T H.Heat deformations of fly ash concrete [J].Cement Concrete Composites，2005，27：249-254.

[5]傅宇方，黃玉龍，潘智生，等.高溫條件下混凝土爆裂機(jī)理研究進(jìn)展[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9（3）：323-329.

[6]肖建莊，李杰，孫振平.高性能混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究最新進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2001，31（6）：53-56.

[7]Consolazio G R，Mcvay M C，Rish J W.Measurement and prediction of pore pressures in saturated cement mortar subjected to radiant heating [J].ACI Materials Journal，1998，95（5）：525-536.

[8]Hertz K D.Limits of spalling of fire-exposed concrete [J].Fire Safety Journal，2003，38：103-116.

[9]柳獻(xiàn)，袁勇，葉光，等.高性能混凝土高溫爆裂的機(jī)理探討[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（6）：61-68.

[10]朋改非，陳延年，馮乃謙，等.高強(qiáng)混凝土遭受高溫的性能衰減特征[J].混凝土，1999，24（1）：16-19

[11]Han C G，Han M C，Heo Y S.Improvement of residual compressive strength and spalling resistance of high-strength RC columns subjected to fire [J].Construction and Building Materials，2009，23：107-116.

[12]Chan S Y N，Luo X，Sun W.Effect of high temperature and cooling regimes on the compressive strength and pore properties of high performance concrete [J].Construction and Building Materials，2000，14：261-266.

[13]閻慧群，雷兵，王清遠(yuǎn)，等.隧道火災(zāi)高溫后混凝土的力學(xué)性能研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（5）：74-78

[14]吳波，袁杰，楊成山.高溫后高強(qiáng)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)分析[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32（3）：8-13.

[15]穆松.長(zhǎng)江隧道管片混凝土高溫特性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

（編輯王秀玲）