細骨料種類對高溫后高性能混凝土力學性能的影響

金 鑫 杜紅秀

（1.駐馬店市建筑勘察設計院有限公司，河南 駐馬店 463000；2.太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原

030024）

隨著現代土木工程對混凝土的要求越來越苛刻，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性等特點的高性能混凝土脫穎而出［1］.但是，高性能混凝土密實度高、滲透性低，在高溫下易爆裂，由于其耐火性能較差，造成火災中結構的承載能力急劇下降，嚴重的會造成建筑物坍塌，給社會帶來慘重的損失［2］.所以，不斷地研究和總結高性能混凝土高溫力學性能對現實社會有著非常重大的意義.

我國對混凝土耐火性能的探索相對較晚，20世紀60年代，冶金部建科院等多家單位做了高溫下混凝土力學性能的試驗研究［3］.如今，有很多學者對混凝土在高溫后的強度進行了試驗研究［4－8］，可是絕大多數是關于天然砂混凝土的，針對高溫作用后機制砂混凝土力學性能的試驗研究還很少.隨著人們對環境保護的日益關注和天然砂資源的大量消耗，在國家的大力主張和普及下，機制砂混凝土才得以在土木工程中普遍使用［9］，故有必要對高溫作用后機制砂混凝土的力學性能進行研究.通過對96塊C40高性能混凝土的立方體試件和棱柱體試件進行了高溫300℃、500℃和700℃燒透作用后的多種力學性能試驗，以期建立相關力學性能與溫度之間的關系，得到其隨溫度變化的規律，從而為高性能混凝土結構火災后的損傷評估及其加固提供試驗依據.

1 試驗概況

1.1 試件原材料及配合比

本實驗所采用的水泥：P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積350m2／kg；粗骨料：粒級為5～25mm的級配良好的石灰巖碎石；細骨料：細度模數為2.62的優質河砂、細度模數為2.65的優質機制砂；摻合料：S105型礦渣微粉、Ⅰ級粉煤灰；外加劑：萘系高效減水劑（HS－AF），減水率為15%～20%.C40高性能混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比 （單位：kg·m－3）

1.2 試件成型及養護

根據混凝土配合比，制成16組150mm×150mm×150mm立方體試件和16組150mm×150 mm×300mm棱柱體試件，每組3塊，共96塊，其中河砂混凝土和機制砂混凝土各占一半，實測坍落度在160～200mm之間，拌合物的粘聚性和保水性良好.試件制作采用實驗室60L臥式混凝土攪拌機，攪拌流程如圖1所示.攪拌完畢后測定坍落度，振動成型，插入熱電偶，并使熱電偶的工作端固定于試件的中心部位.成型24h后脫模，標準養護室養護28d.

圖1 高性能混凝土攪拌流程

2 試驗研究

2.1 高溫試驗

試塊在養護室內養護28d后取出，晾干1周后進行高溫試驗.高溫試驗采用SRJX型箱式電阻爐，額定電壓220V，額定功率15kW，最高工作溫度1 200℃，平均升溫速率15℃／min，爐膛規格：600mm×400mm×400mm；且配有自動控制儀，可設置目標溫度，達到目標溫度后系統會自動控制保持恒溫.熱電偶的自由端與溫度巡檢儀相連，可以直接讀出試件中心的溫度.高溫試驗目標溫度為300℃、500℃和700℃，試件升溫機制如圖2所示.試件冷卻24h后進行軸心抗壓強度試驗和彈性模量試驗.

圖2 試件升溫機制

2.2 力學試驗

試驗采用STYE－3000C型全自動壓力試驗機，測量范圍力0～3 000kN，額定功率750W，額定電壓380V.混凝土彈性模量測定儀：型號 MT－3型，標距150mm，千分表量程0～1mm，分度值0.001mm.依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB／T 50081－2002）進行混凝土力學性能試驗.

3 試驗結果及分析

3.1 立方體抗壓強度

各組試件的立方體抗壓試驗結果見表2.

表2 高溫前后混凝土各項力學性能指標

圖3給出了混凝土立方體抗壓強度隨試驗溫度的變化情況.由圖3可知，河砂混凝土在300℃高溫后的立方體抗壓強度略高于常溫時的立方體抗壓強度，約為105.39%，在500℃和700℃高溫后的立方體抗壓強度較常溫時的分別下降15.28%和56.76%；機制砂混凝土的立方體抗壓強度隨著經歷溫度的升高均有不同程度的降低，總體呈下降趨勢，在300℃、500℃和700℃高溫后的立方體抗壓強度較常溫時的分別下降7.76%、30.01%和74.96%.

圖3 混凝土立方體抗壓強度隨試驗溫度的變化曲線

3.2 劈裂抗拉強度

各組試件的劈拉試驗結果見表2.圖4為高溫作用后混凝土劈裂抗拉強度的下降趨勢.由圖4可知，河砂混凝土和機制砂混凝土的劈裂抗拉強度在300℃、500℃和700℃高溫后的的變化趨勢基本一致，大致呈線性下降.在700℃高溫后，河砂混凝土和機制砂混凝土的劈裂抗拉強度僅為常溫時劈裂抗拉強度的21.48%和17.77%.機制砂混凝土在高溫后的劈裂抗拉強度均低于相同溫度后河砂混凝土的劈裂抗拉強度.

圖4 混凝土劈裂抗拉強度隨試驗溫度的變化曲線

3.3 軸心抗壓強度

各組試件的軸心抗壓試驗結果見表2.圖5給出了混凝土軸心抗壓強度隨試驗溫度的變化情況.由圖5可知，河砂混凝土和機制砂混凝土的軸心抗壓強度在300℃、500℃和700℃高溫后的的變化趨勢基本一致，在300℃以前，下降緩慢，在300℃后下降迅猛.在700℃高溫后，河砂混凝土和機制砂混凝土軸心抗壓強度僅為常溫時軸心抗壓強度的24.17%和10.54%.

圖5 混凝土軸心抗壓強度隨試驗溫度的變化曲線

3.4 靜力受壓彈性模量

各組試件的靜力受壓彈性模量（本文簡稱彈性模量）試驗結果見表2.圖6給出了混凝土彈性模量隨試驗溫度的變化情況.由圖6可知，河砂混凝土和機制砂混凝土的彈性模量在300℃、500℃和700℃高溫后的的變化趨勢基本一致，300℃高溫后的彈性模量較常溫時下降較大，分別為常溫時彈性模量的42.11%和37.00%；300～700℃高溫后下降減緩，700℃高溫后的彈性模量僅為常溫時彈性模量的14.13%和6.23%.

圖6 混凝土彈性模量隨試驗溫度的變化曲線

3.5 燒失量

各組試件的燒失量試驗結果見表2.圖7給出了混凝土燒失量隨試驗溫度的變化情況.

圖7 混凝土燒失量隨試驗溫度的變化曲線

由圖7可知，河砂混凝土和機制砂混凝土的燒失量在300℃、500℃和700℃高溫后的的變化趨勢基本一致，隨著經歷溫度的升高燒失量不斷增加；在300℃高溫后，河砂混凝土和機制砂混凝土的燒失量非常接近，分別為5.57%和5.41%；在500℃和700℃高溫后河砂混凝土的燒失量高于機制砂混凝土的燒失量，700℃高溫后河砂混凝土和機制砂混凝土的燒失量分別為9.69%和7.32%.

3.6 高性能混凝土高溫劣化機理分析

混凝土是一種多相、多組分的非均質材料，其內部結構由各種集料、水泥石和在混凝土成型期間產生的微缺陷（微孔洞、微裂縫）等組成，混凝土內部不同尺寸、不同層次的微損傷的形成、增長和連接，都將降低混凝土的宏觀力學性能，其中骨料與水泥漿本體之間的界面過渡區是混凝土最薄弱的部分［10］.當高溫作用時，骨料的受熱膨脹和水泥漿體的脫水收縮造成過渡區的微缺陷擴展.當高溫作用后，水泥漿體脫水無法恢復，骨料變形逐漸恢復，變形不協調加劇，導致骨料與水泥石的粘結面積減少，界面過渡區水泥漿的粘結力被嚴重削弱，這是混凝土經歷高溫作用后力學性能劣化的主要原因.

在300℃高溫后，混凝土內的自由水緩慢蒸發，由于高度密實的結構使生成的水蒸汽沒有足夠的逃逸時間和空間，整個試件處于蒸養狀態，促進未水化水泥顆粒進一步水化.該過程新生成的CH晶體和C－S－H凝膠填充了混凝土內部的微缺陷，故在300℃高溫燒透后混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度變化不大.

300～500℃時，凝膠體中的吸附水和結合水開始緩慢散失，失水和未失水的凝膠之間溫度膨脹系數有所差別，其接觸部位出現應力集中而產生裂縫.400℃以后，C－S－H 凝膠開始脫水分解［11］，使原來具有很高強度的空間網狀結構開始破壞，強度顯著下降，裂縫增多；水泥漿體中的CH晶體也逐漸開始分解生成CaO，而骨料膨脹，骨料和漿體之間的粘著被削弱，因此，強度逐漸降低.

500～700℃時，水泥漿體嚴重分解脫水，變得疏松.600℃以后，粗骨料中的CaCO3逐漸分解，燒失量驟增，混凝土骨架逐漸破壞.在700℃高溫燒透后，河砂混凝土和機制砂混凝土的軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均不足其常溫時的30%.

4 基本結論

1）對遭受火災后的高性能混凝土力學性能影響最大的原因是經歷的最高溫度，在相同的燒透條件下，C40高性能混凝土的力學性能隨著經歷溫度的升高總體呈下降趨勢.

2）河砂混凝土和機制砂混凝土的力學性能在300℃、500℃和700℃高溫后的的變化趨勢基本一致，且在相同條件下機制砂混凝土的力學性能不如河砂混凝土的力學性能.

3）在對火災后的混凝土建筑物進行損傷評估時，混凝土燒失量試驗可以為鑒定混凝土結構受火溫度提供可靠的依據.

4）在700℃高溫燒透后，河砂混凝土和機制砂混凝土的軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均低于其常溫下的30%，可判定混凝土失效.在對火災后的混凝土建筑物進行加固處理時，可將達到700℃的混凝土區域全部鑿掉，進行修補加固.

5）在滿足混凝土性能要求的前提下，選用優質機制砂作為混凝土的細骨料，不僅可提升資源利用率，節約建造成本，又可保證工程質量.因此，開發機制砂代替河砂具有非常廣闊的應用前景.

［1］ 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

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