高溫后自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓性能

周 梅， 李少偉， 竇艷偉， 高 躍， 張莉敏

(遼寧工程技術大學 土木工程學院， 遼寧 阜新 123000)

自燃煤矸石骨料混凝土因其顯著的環保和社會效益，以及潛在的商業價值而成為國內外的研究熱點[1].許多學者對自燃煤矸石骨料及其混凝土在常溫下的力學和耐久性能進行了研究，為其推廣應用奠定了基礎[2-4].然而，針對火災高溫條件下及災變后自燃煤矸石骨料混凝土的性能研究卻比較匱乏.煤矸石自燃后孔隙率較大，為實現預拌混凝土的大流動性一般要進行預飽水處理等[5]，使得混凝土內部含濕量水平較高，從而可能增大其在由燃油、天然氣等所引發的火災中發生爆炸的可能性[6-7].開展自燃煤矸石骨料混凝土高溫后性能研究，對自燃煤矸石骨料混凝土結構防火設計與火災后評估修復具有參考價值.

本文針對172塊取代率均為100%的自燃煤矸石粗、細骨料單摻及同摻的混凝土立方體試件，進行了經歷不同溫度后的相關試驗，在獲取高溫后自燃煤矸石骨料混凝土物理和力學性能指標的基礎上，建立了相關性能與溫度之間的關系，以期為自燃煤矸石骨料混凝土結構火災后的損傷評估及其加固提供依據.

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：42.5R(P·O)早強型普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級粉煤灰和S95礦渣粉.天然骨料(NCA)：Ⅱ區河砂，5～20mm石灰巖碎石，級配合格；自燃煤矸石骨料(RCA)：當地自燃煤矸石，通過破碎、篩分、級配加工而成，取最大直徑小于5mm的煤矸石(自燃煤矸砂)作為細骨料，直徑5～20mm的煤矸石作為粗骨料；骨料的主要技術指標見表1，微觀結構特征見圖1，2.聚羧酸高效減水劑，摻量(質量分數，本文所涉及的摻量、減水率等均為質量分數)為2.0%～2.5%時，減水率為20%.

圖1 天然碎石與自燃煤矸石粗骨料的孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of natural gravel and RCA (coarse)

圖2 天然碎石與自燃煤矸石粗骨料的SEM照片Fig.2 SEM photos of natural gravel and self-combustion gangue coarse aggregate(1000×)

MaterialGrain size/mmCrushed value(by mass)/%Water absorption(by mass)/%Apparent density/(kg·m-3)Tap density/(kg·m-3)Fineness modulus(Mx)NCA(fine)<50.5250613902.43RCA(fine)<511.6232012402.53NCA(coarse)5206.40.327421490RCA(coarse)52020.710.225531134

1.2 混凝土配合比設計

為最大限度地利用自燃煤矸石，制定了取代率均為100%的自燃煤矸石粗、細骨料單摻以及同摻的方案.為了與普通混凝土進行比較，設計以下4種骨料組合形式：(1)天然砂與天然碎石骨料；(2)自燃煤矸砂與天然碎石；(3)天然砂與自燃煤矸石粗骨料；(4)自燃煤矸砂與自燃煤矸石粗骨料.4種骨料組合形式配制的試件對應編號依次為PT，MS，MG和MQ.首先依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》進行C30混凝土初步配合比設計，經過基準配合比、實驗室配合比和施工配合比調整，最終確定的試驗配合比見表2.

表2 不同骨料組合形式的C30混凝土試驗配合比

1.3 試件制備

試驗在遼寧工程技術大學土木工程實訓中心完成.試件按4種骨料組合形式分組，經歷6種溫度(T=20，100，300，450，600，750℃)，每種溫度下6個試件，合計24組共144個試件；另外成型16個試件用于擬合公式的精度檢驗.鑒于混凝土劈拉強度試驗數據離散性較大，每種溫度下又補做了2個試件，最后實際成型172個試件.所有試件皆為 100mm ×100mm ×100mm的立方體，且均為同條件澆筑和標準養護，達到28d齡期后進行相應試驗.

1.4 高溫升降機制及力學試驗

采用武漢亞華生產的SX2-14-13型高溫爐，根據文獻[6-10]，制定了本文加熱制度：(1)將標養28d的試件放入105℃烘箱中烘12h；(2)將烘干后的試件放入高溫爐中煅燒，試件間保持一定均勻吸熱的間距，加熱速率控制在20℃/min，達到設定溫度后恒溫2h，升溫曲線見圖3；(3)將恒溫 2h 后的試件從高溫爐中取出，降至常溫后進行力學試驗，試驗前首先詳細觀察試件的外表面狀態，然后稱重，再依據GB 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，在型號為WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機上對高溫后試件進行抗壓強度和劈拉強度試驗.

圖3 升溫曲線Fig.3 Heating curve

2 試驗結果及分析

2.1 高溫后混凝土的外觀形貌

混凝土受火后，觀察其表面顏色、開裂和爆裂等狀況，可以初步評判其受損程度.本試驗高溫后的主要特征見圖4～7.試驗發現，所有試件外表面的顏色均隨著溫度升高而發生變化，但各組出入并不大.色變的主要原因是高溫后混凝土中的水泥石分解生成了不同顏色的礦物.當加熱溫度T<450℃時，顏色只是隨著溫度升高而略微加深；T=300℃時，試件表面出現細裂紋，其中試件MS和MQ較明顯；T=400℃左右時，試件MS在爐中發出爆炸聲，打開爐門可以看到試件碎片以及被蹦壞的硅碳棒，爆裂點大多發生在試件邊角處，爆裂處露出骨料(見圖5)；當600℃≥T>450℃ 時，試件表面變為灰褐色，不規則細裂紋明顯增多；當T>600℃ 后，試件表面顏色逐漸變淺，T=750℃ 時變為灰白色，其中試件MS表面出現了灰白泛黃的區域.此時，所有試件表面均出現大量龜裂，但未出現貫穿整個試件截面的裂縫，表皮疏松且有剝落現象.

2.2 高溫后混凝土受力破壞特征

所有試件破壞過程基本相似，都經歷了彈性、裂縫產生、裂縫發展和破碎4個階段，但各組之間略有差異.隨著溫度的升高，各組試件的變形均增大，破壞過程時間變短，征兆越來越不明顯；同一溫度下，隨著自燃煤矸石粗骨料用量的增大，試件變形增大、破壞時聲音變啞，破碎程度變大.

圖4 不同溫度下試件MQ的色差Fig.4 Aberration of specimen MQ at different temperatures

圖5 試件MS的爆裂點Fig.5 Bursting point of specimen MS

圖6 經歷不同高溫后的試件受壓破壞形態Fig.6 Compression failure pattern of specimensafter experiencing different temperatures

圖7 經歷不同高溫后的試件劈裂破壞斷面Fig.7 Split sections of specimens after experiencing different temperatures

由圖6可知：當加熱溫度T<300℃時，各組試件的破壞形態與常溫時相近，上下端面因受鋼墊板的約束而無破壞癥狀，邊角較完整；隨著溫度的升高，試件上下端面的裂縫和邊角缺陷情況漸趨嚴重，核心部分面積漸減；試件MS中的天然碎石較完整，破壞面凸凹不平，說明混凝土中的天然碎石與水泥砂漿被拉脫、骨料間的水泥砂漿被拉斷，砂漿與天然碎石的黏結面是混凝土薄弱處，是內部微裂紋的發源地；試件MG和MQ中的自燃煤矸石粗骨料大部分發生斷裂，破壞面穿過自燃煤矸石粗骨料，所以破壞面較平整，破壞時不僅自燃煤矸石粗骨料和水泥砂漿被拉脫、骨料間的水泥砂漿被拉斷，且自燃煤矸石粗骨料自身也被拉斷；在試件MQ和MG中，裂縫的擴展幾乎不受自燃煤矸石粗骨料阻礙而貫穿骨料，試件的破壞與粗骨料的開裂幾乎同時發生.另外，試驗過程中發現試件MQ，MG破壞時發生在自燃煤矸石粗骨料與砂漿之間的裂縫比普通混凝土破壞時的裂縫窄，圖8的SEM照片也表征了這一特征.原因主要是自燃煤矸石因吸水且其表面具有的活性，改善了骨料與水泥砂漿的界面.

由圖7可知：(1)試件內部顏色深淺不同.試件在高溫爐中是由表及里進行加熱的，2h的恒溫時間不能保證試件內部溫度達到設定溫度，色差說明了試件內部溫度不均勻[11]，可通過延長恒溫時間來改善.(2)當T=100℃時，劈裂面中天然碎石顆粒基本保持完整，而自燃煤矸石粗骨料已經發現部分劈裂現象.(3)T=450℃時，天然碎石顆粒大部分完整、少部分被劈壞，而自燃煤矸石粗骨料斷裂破壞率高達70%；自燃煤矸砂變化不大.(4)T=600℃時，自燃煤矸石粗骨料斷裂破壞繼續增多，自燃煤矸砂仍變化不明顯.(5)T=750℃ 時，幾組試件的砂漿粉化都比較嚴重，其中的天然碎石大部分仍較完整，而自燃煤矸石粗骨料幾乎全部斷裂.

2.3 高溫后混凝土質量燒失率

加熱過程中混凝土會因失水及化學成分發生分解而引起質量變化，試驗結果見圖9.由圖9可知：(1)所 有試件的質量燒失率都隨溫度升高而單調遞增.(2)當T<450℃時，3組自燃煤矸石骨料混凝土質量燒失率的變化程度大于普通混凝土PT，且其質量燒失率的變化程度基本上隨著自燃煤矸石骨料用量的增大而增大.在這一溫度區域內，質量燒失率主要是由自由水和結合水蒸發損失所致，另外還有少量的鈣礬石(AFt)發生高溫分解.自燃煤矸石骨料由于孔隙多、密度小，熱傳導率低，吸收的水分比天然骨料多，所以自燃煤矸石骨料混凝土的質量燒失率隨溫度上升變化較大且逸出的溫度較高.(3)當T≥450℃時，各組試件的質量燒失率變化放緩，其中自燃煤矸石骨料混凝土MQ的表現特別明顯.這期間的質量燒失率主要來自于CH晶體分解等.(4)當T>600℃后，試件PT和MS的質量燒失率主要緣于天然碎石中CaCO3，MgCO3高溫分解[12-14]，MQ和MG的質量燒失率可能是來自于自燃煤矸石中高嶺石結構轉變為偏高嶺石結構[1].(5)當T=750℃時，所有試件表層都出現破損，此時各組試件質量燒失率的大小排序為：PT>MQ>MG>MS.

圖8 不同骨料組合形式試件的SEM照片Fig.8 SEM photos of natural gravel and self-combustion gangue aggregate specimens(1000×)

圖9 不同骨料組合形成試件的質量燒失率與溫度關系Fig.9 Relationship between mass loss rate and exposure temperature of specimens

2.4 高溫后混凝土剩余抗壓強度和劈拉強度

經歷不同溫度后，4種骨料組合形式混凝土試件的剩余抗壓強度和劈拉強度變化如圖10，11所示.

圖10 不同骨料組合形式試件的剩余抗壓強度與溫度關系Fig.10 Relationship between residual compressive strength and exposure temperature of specimens

圖11 不同骨料組合形式試件的剩余劈拉強度與溫度關系Fig.11 Relationship between residual splitting tensile strength and exposure temperature of specimens

2.4.1高溫后混凝土剩余抗壓強度

由圖10可知：(1)無論是常溫還是高溫，骨料組合形式對混凝土抗壓強度的影響比較明顯.(2)當T≤600℃時，隨著溫度的升高，所有試件的剩余抗壓強度發展態勢基本一致，其大小排序為：PT>MS>MQ>MG.在本試驗條件下，當T=300℃時，各組試件的剩余抗壓強度均達到峰值，之后隨著溫度的升高而下降.(3)當T>600℃后，由于所有骨料都已開始分解，導致各組試件的抗壓強度下降幅度增大；當T=750℃時，各組試件剩余抗壓強度的大小排序發生了變化，試件MG的降幅最小、PT和MQ的降幅較大.(4)當T≤300℃時，混凝土剩余抗壓強度隨著溫度升高而增大，被稱為強度回升段，主要原因是在該溫度段內自由水已經蒸發，由于粗骨料與水泥漿體的溫度膨脹系數不相等，溫度變形差使骨料界面上形成裂縫，削弱了混凝土的抗壓強度；另外，水泥凝膠體中的結合水已經脫出，增強了水泥顆粒的膠結作用，緩和了縫端的應力集中，有利于混凝土抗壓強度的提高[15]；脫水干燥界面和微裂紋表面摩擦力的增加也導致混凝土抗壓強度增加[16].自燃煤矸石骨料與水泥漿體的溫度變形差較天然骨料小，也在一定程度上彌補了其自身強度低帶來的劣化作用.在上述這些相互矛盾的因素同時作用下，混凝土抗壓強度在這一溫度區段內有所回升.(5)當600℃≥T>300℃時，自燃煤矸石骨料周圍增強的界面區及其與水泥砂漿較為良好的彈性協調性占主導作用，使自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓強度下降幅度較普通混凝土PT低.

2.4.2高溫后混凝土剩余劈拉強度

由圖11可知：(1)當T≤300℃時，隨著溫度的升高，所有試件的剩余劈拉強度發展態勢基本一致，其大小排序為：MQ>PT>MS>MG.在本試驗條件下，當T=300℃時，各組試件的剩余劈拉強度達到峰值，之后隨著溫度的升高而下降.(2)當T>300℃ 后，試件MG，MS的剩余劈拉強度隨溫度升高而下降，且降幅基本保持一致；試件PT和MQ的剩余劈拉強度變化離散性較大，當T=450℃時試件MQ的降幅最大，T=600℃時試件PT的降幅最大，T=750℃ 時又是試件MQ的降幅最大.(3)高溫后3組自燃煤矸石骨料混凝土的劈拉強度損失小于普通混凝土PT，特別是自燃煤矸石粗細骨料單摻時效果更好.這主要源于自燃煤矸石骨料較天然骨料松軟，塑性變形大，荷載上升慢.

3 自燃煤矸石骨料混凝土高溫后強度評估

當建筑物發生火災后，實際上所經歷的最高溫度是很難確定的.由于混凝土的質量燒失率與最高受火溫度之間存在相關性，所以混凝土質量燒失率試驗已成為目前推算混凝土經歷最高溫度的首選方法，即通過質量燒失率來推算其最高受火溫度，進而評估混凝土的剩余強度.本文依據文獻[13-15]，對圖10中的試驗結果進行了回歸分析，得到了混凝土高溫后剩余抗壓強度擬合公式，如圖12，13所示.圖中縱坐標為混凝土的相對抗壓強度fcT/fc20(混凝土經歷高溫并自然冷卻后的抗壓強度與試驗前常溫下抗壓強度之比).為了檢驗擬合公式的精度，另外成型16個試件，對其進行了5種溫度下的高溫后力學試驗，結果見表3(限于篇幅，只對T=750℃的精度進行了檢驗).

由表3可知，擬合公式計算值與實測值吻合較好，說明本文建立的自燃煤矸石骨料混凝土高溫后剩余抗壓強度評估公式精度較高，用于高溫后混凝土剩余抗壓強度預測是可行的.

圖12 質量燒失率與強度損失率之間關系Fig.12 Relationship between mass loss rate and strength loss rate

圖13 經歷溫度與強度損失率之間關系Fig.13 Relationship between exposure temperature and strength loss rate

Code20℃100℃300℃450℃600℃750℃750℃ error analysisCalculatedTestCalculatedTestCalculatedTestCalculatedTestCalculatedTestCalculatedTestTest/CalculatedVarianceMG36.036.041.943.045.548.241.641.132.133.216.917.61.02460.174MS46.046.053.251.357.756.952.555.639.842.219.722.81.03730.487MQ37.337.341.640.244.847.240.741.430.833.615.217.81.04930.376PT45.045.050.152.652.757.248.051.037.739.321.723.81.05590.705

4 結論

(1)隨著溫度的升高，混凝土表面顏色由青灰色逐漸變成灰褐色，直至灰白色，骨料組合形式為自燃煤矸砂與天然碎石的試件MS表面局部出現灰白泛黃現象；加熱溫度T=300℃時，所有試件表面均出現了溫度裂縫；T=400℃時，試件MS發生了爆裂現象；T=750℃時，所有試件表皮都出現了剝落現象.

(2)高溫后4種骨料組合形式的混凝土質量燒失率都隨著溫度升高而增大，隨著自燃煤矸石骨料用量的增大而增大.

(3)高溫后所有試件的受壓破壞都經歷了彈性、微裂縫產生、裂縫發展和破壞4個階段.溫度越高，試件破壞時裂縫越大、破損程度越嚴重.對于普通混凝土試件PT、骨料組合形式為自燃煤矸砂與天然碎石的試件MS而言，其破壞主要集中在天然碎石和水泥砂漿的界面上；對于骨料組合形式分別為自燃煤矸砂與自燃煤矸石粗骨料的試件MQ、天然河砂與自燃煤矸石粗骨料的試件MG而言，其破壞不僅發生在界面上，裂縫還會貫穿自燃煤矸石粗骨料，使自燃煤矸石粗骨料受壓剪切破壞.

(4)自燃煤矸石骨料混凝土經歷的最高溫度、質量燒失率對其力學性能影響較大.當加熱溫度T≤300℃時，隨著溫度升高其抗壓強度和劈拉強度遞增；當加熱溫度T>300℃時，抗壓強度和劈拉強度遞減.隨著加熱溫度的升高，自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓強度和劈拉強度損失皆比普通混凝土小，其中試件MG的抗壓強度損失最小，試件MS的劈拉強度損失最小.

(5)采用二次多項式和分段式，建立了自燃煤矸石骨料混凝土的最高受火溫度、質量燒失率與剩余抗壓強度的關系，為合理和準確地預測高溫后自燃煤矸石骨料混凝土剩余抗壓強度提供了新方法.