超高性能混凝土高溫后性能試驗研究

楊婷 劉中憲 楊燁凱 吳成清

摘要：通過對超高性能混凝土進行高溫加熱和高溫作用后立方體抗壓強度試驗，研究了超高性能混凝土高溫作用后的表觀特征、質量損失及力學性能。對比了單摻鋼纖維、單摻聚丙烯纖維和混摻鋼纖維和聚丙烯纖維對超高性能混凝土高溫爆裂的抑制效果，考察了溫度、纖維種類和摻量、骨料（石英砂和鋼渣）對超高性能混凝土強度的影響。試驗結果表明：混摻1%鋼纖維和2%聚丙烯纖維能有效抑制超高性能混凝土高溫爆裂，在高溫作用后依舊保持完整形態;鋼渣骨料混雜纖維超高性能混凝土具有優異的高溫力學性能，在1 000 ℃高溫作用后仍能保持67%的殘余強度;隨著溫度的升高，超高性能混凝土立方體抗壓強度整體上表現出先升高后降低的規律;在目標溫度超過600 ℃時，高溫增強了超高性能混凝土的延性。

關鍵詞：超高性能混凝土;高溫;質量損失;力學性能

中圖分類號：TU541 文獻標志碼：A 文章編號：20966717（2020）03011512

Abstract： The apparent characteristics， mass loss and mechanical properties of ultrahigh performance concrete after exposure to high temperature were studied through the high temperature heating test and the cubic compressive strength test. The effects of steel fiber， polypropylene fiber， steel fiber and polypropylene fiber on cracking suppression of ultrahigh performance concrete were compared. The effects of temperature， fiber type and content， aggregate （quartz sand and steel slag） on the strength of ultrahigh performance concrete were investigated. The test results show that 1% steel fibers and 2% polypropylene fibers can effectively restrain high temperature explosion behavior， and the specimen remains intact after high temperature. Ultrahigh performance concrete with steel slag aggregate and hybrid fiber has excellent high temperature mechanical properties， the residual strength of 67% can still be maintained after being exposed to high temperature at 1 000 ℃. With the increase of temperature， the cubic compressive strength of ultrahigh performance concrete increases first and then decreases. High temperature enhances the compressive ductility of ultrahigh performance concrete when the target temperature is more than 600 ℃.

Keywords：ultrahigh performance concrete; high temperature; mass loss; mechanical property

超高性能混凝土（UltraHigh Performance Concrete，簡稱UHPC）因高強度、高韌性、高耐久性等優異的力學性能而被逐步應用到實際工程中。UHPC致密的微觀結構和較低的滲透性，在提升自身力學性能的同時，受熱爆裂的風險也相應提高[12]。近年來，世界范圍內火災頻繁發生，造成的損失不可估量，而UHPC往往用在重要結構或關鍵節點，其防火性能的優劣將直接影響建筑物的安全性。因此，有必要對UHPC高溫性能進行系統研究，以解決其高溫爆裂和力學性能退化問題。

21世紀初，學者們[35]對UHPC開展了高溫損傷爆裂數值模擬，發現UHPC在火災條件下易發生爆裂。Liu等[6]對大擴展度UHPC進行了一系列抗火試驗，得出UHPC抗壓強度隨溫度作用時間的延長而不斷降低，500 ℃高溫持續作用120 min后，抗壓強度降為常溫時的55%。李傳習等[7]研究發現，鋼纖維可以改善混凝土力學性能。Tai等[8]研究表明：UHPC中鋼纖維摻量越大，其彈性模量越大，且彈性模量隨溫度的升高單調降低。楊少偉等[9]發現鋼纖維UHPC與無鋼纖維UHPC高溫作用后動態應力應變曲線類似。劉紅彬等[10]發現增加鋼纖維摻量不能抑制UHPC爆裂的發生。而楊娟等[11]通過對不同纖維類型UHPC的研究表明，鋼纖維可以改善UHPC高溫爆裂性能，端鉤型普通工業鋼纖維最有利于提高UHPC高溫抗爆裂性能。學者們[1217]發現聚合物纖維顯著影響UHPC高溫爆裂性能。Sun等[14]研究表明，在UHPC中摻入0.2%聚丙烯纖維可有效抑制高溫爆裂現象發生。Poon等[16]研究表明，在溫度超過600 ℃時，聚丙烯纖維UHPC抗壓強度急劇下降，聚丙烯纖維失去其積極影響作用。Sanchayan等[17]研究發現，體積摻量為2%的混雜纖維（鋼纖維、PVA纖維）對UHPC高溫爆裂抑制作用最顯著。學者們[1819]還對不同纖維和骨料的UHPC高溫后殘余力學性能做了研究，發現在800 ℃高溫作用后，試件殘余抗壓強度百分率最高為40%。

目前，已有學者對UHPC高溫性能進行了一定研究，但高溫后UHPC殘余強度的維持能力表現不足。筆者從材料制備入手，通過改變骨料類型和纖維摻加方式制備一種性能優越且耐高溫的UHPC，并對其進行高溫試驗，系統分析骨料類型和纖維摻加方式對UHPC在不同目標溫度下表觀特征、質量損失及力學性能的影響。

1試驗材料及方案

1.1試驗材料

試驗制備UHPC的主要原材料有：42.5硅酸鹽水泥、平均粒徑0.1～0.3 μm的硅灰粉、粉煤灰、鋼渣、石英砂、鋼纖維、聚丙烯纖維、聚羧酸減水劑（如圖1（a）所示）。其中，鋼纖維和聚丙烯纖維的基本物理特性如表1、表2所示，外貌形態如圖1（b）、（c）所示;石英砂和鋼渣的物理特征如表3、表4所示，主要材料的化學成分如表5所示。

1.2試驗方案

設計制備了6組材料UHPC，研究纖維和骨料對UHPC在不同目標溫度作用后表觀特征、質量損失及力學性能的影響：1）溫度：設定目標溫度分別為常溫（25 ℃）、200、400、600、800、1 000 ℃;2）纖維：設置單摻2%鋼纖維、單摻2%聚丙烯纖維、混摻2%聚丙烯纖維和1%鋼纖維3種纖維摻法;3）骨料：研究石英砂和鋼渣分別作為骨料對試驗結果的影響。試驗配合比如表6所示，在各目標溫度下UHPC立方體抗壓強度如表7、表8所示。

有學者[20]研究發現，UHPC試件的尺寸效應對其在高溫下的變化規律影響較小，為避免高溫試驗過程中UHPC試件的爆裂對加熱設備以及人員造成危害，試驗前期采用50 mm×50 mm×50 mm立方體試件對UHPC高溫性能進行研究，在確定最優耐高溫UHPC配合比后，采用《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）規范中150 mm×150 mm×150 mm立方體試件對最優耐高溫UHPC材料進行力學性能研究。

考慮到高溫爆裂的隨機性，試驗每種情況下設置4個試件。試驗采用30 L單軸臥式強制式攪拌機拌和UHPC，在攪拌機中分批次加入各種配合比材料，依次攪拌。充分攪拌，澆筑以及振搗后用薄膜覆蓋，靜置24 h拆模，并按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）進行正常標準養護，即養護期間試件所處環境保持在（20±3）℃的溫度和相對濕度90%以上的潮濕空氣中。養護完成后進行高溫加熱試驗。

試驗采用1 400 ℃快速升溫箱式電爐進行升溫。國際采用標準升溫速率為ISO834[21]，用以反映火災發生的真實情況。而文獻表明[22] 5 ℃/min的升溫速率對纖維混凝土高溫性能測試仍然具有良好的可靠性。由于UHPC高強低滲，有學者[23]發現平均升溫速率為4 ℃/min更有利于研究UHPC高溫性能。因此，選擇平均升溫速率為4 ℃/min，升溫曲線如圖2所示?；炷令惒牧蠟闇囟榷栊圆牧?，為保證高溫后試件內外溫度一致，試件達到目標溫度后恒溫2 h，再從高溫爐中取出，自然冷卻至常溫后進行UHPC立方體抗壓強度試驗。

試件經過高溫加熱后，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）的要求在YNSY1000型電液伺服壓力試驗機上進行立方體抗壓強度試驗，如圖3（a）所示。試驗加載速度為0.2 mm/min，加載過程中設備自動結束試驗，記錄并保存試驗數據。利用位移傳感器（LVDT）對試件變形進行測量，進而計算出應變。由于試驗機承壓板與試件之間有摩擦力，立方體試件是復雜受力，非單軸受力，LVDT所測非單軸變形。位移計布置如圖3（b）所示。立方體抗壓強度按式（1）計算。

2試驗現象與分析

2.1UHPC高溫后外觀評價

表9為各試驗系列UHPC典型表觀特征隨溫度升高變化情況。由表9可知：溫度越高，試件劣化越嚴重;纖維和骨料影響著試件的表觀特征。經歷200 ℃高溫后，各系列試件外觀完整，無掉皮、裂紋、缺角、炸裂等現象;摻入聚丙烯纖維的UHPC（UHPC3、UHPC4、UHPC6）表面有油漬產生，這是由于聚丙烯纖維在165 ℃時開始熔解，經200 ℃高溫作用冷卻至常溫后，聚丙烯纖維重新固化形成依附在UHPC基體上的熱塑性樹脂。無纖維UHPC（UHPC1、UHPC5）和單摻鋼纖維UHPC（UHPC2）在目標溫度400 ℃的加熱過程中發生了粉碎性爆裂破壞，而摻入聚丙烯纖維的UHPC外觀完整，顏色灰白，由于聚丙烯纖維受熱揮發[24]，試件表面油漬基本消失。各系列試件在600 ℃高溫作用后呈乳白色;單摻聚丙烯纖維的石英砂UHPC（UHPC3）出現了明顯掉皮、缺角及局部爆裂現象;而混雜纖維UHPC（UHPC4、UHPC6）外觀相對完整。經歷800 ℃高溫后，石英砂UHPC（UHPC3、UHPC4）呈現灰茶色，而鋼渣UHPC（UHPC6）顏色泛白;混雜纖維UHPC表面開始出現網狀龜裂細紋且有黑絲出現，有明顯疏松現象，但無明顯破壞。經歷1 000 ℃高溫后，混雜纖維UHPC表面布滿黑絲，這是因為鋼纖維在高溫下脫氧碳化變黑所致;單摻聚丙烯纖維UHPC在1 000 ℃高溫作用下掉皮缺角及局部爆裂現象加重，而混雜纖維UHPC試件雖然疏松現象加重，但保持了較完整的形態。

UHPC產生高溫爆裂現象是因為其高強、質密、低孔隙率，在高溫下，試件中的水分很難逸出。隨著溫度升高，水氣積聚，UHPC試件內部形成蒸汽壓并逐漸積累。當蒸汽壓力超過UHPC抗拉強度時，試件開始從外部薄弱處層層爆裂，水蒸汽隨著爆裂的發生而逸出，爆裂威力越大，水蒸汽逸出越多，這也證實了蒸汽壓機理[2526]。然而，混雜纖維UHPC的表觀在高溫作用后基本保持完整形態，這是由于UHPC內部摻入的聚合物纖維在高溫作用下熔化、氣化，在混凝土內部留下微通道，提供了混凝土內部水分散失的有效通道，緩減了UHPC內部蒸汽壓的堆積，避免蒸汽壓力超過UHPC抗拉強度而爆裂[27]。同時，利用鋼纖維與UHPC基體的粘結作用抑制混凝土在高溫作用下發生體積膨脹，進而減弱裂縫的開展。

2.2UHPC高溫后質量損失

混凝土在高溫作用后，其質量會有損失，主要包括水分的蒸發、C—S—H凝膠的脫水分解、Ca（OH）2和CaCO3的分解、未水化水泥和摻合料的損失以及試件表面爆裂或剝落帶來的質量損失[2829]。因此，混凝土高溫下的質量損失規律在一定程度上反映了混凝土內部結構的變化。對各系列UHPC在不同目標溫度下進行了質量損失測量，圖4為測得的各系列聚丙烯纖維UHPC質量損失率隨溫度變化關系圖。

由圖4可見，摻有混雜纖維UHPC高溫后的質量損失可分為4個階段：1）200 ℃高溫以下，質量損失逐漸增大，其主要來源于試件內部自由水、毛細水的蒸發及聚丙烯纖維的熔解，未水化水泥和摻合料的損失。2）200～400 ℃期間，質量損失急劇增加，主要由于試件內部C—S—H凝膠中水分開始蒸發，聚丙烯纖維熔解揮發。3）400～800 ℃高溫期間，質量損失繼續緩慢增長，此階段的質量損失來源于結晶水的散失;C—S—H凝膠持續分解，800 ℃時分解完成。4）800～1 000 ℃，質量損失率有所下降，這主要是因為Ca（OH）2和CaCO3大量分解產生CaO，試件在冷卻時吸收空氣中的水和CO2重新生成Ca（OH）2和CaCO3[28]。此外，由圖4可知，在纖維含量相同的情況下，鋼渣骨料UHPC高溫作用后的質量損失較小。由表5可知，鋼渣骨料與水泥的化學成分相近，且表面粗糙，與混凝土水泥基粘結程度較好，因而相對于石英砂骨料UHPC而言，鋼渣骨料UHPC具有更緊密的分子結構，質量損失較小。

單摻聚丙烯纖維UHPC在400 ℃高溫作用后質量損失持續增長，并沒有出現下降段，除了上述原因外，還有UHPC在高溫作用后試件產生局部爆裂、剝落帶來的質量損失，且其效應大于試件在冷卻時重新生成Ca（OH）2和CaCO3。

試驗測得無聚丙烯纖維UHPC在目標溫度200 ℃時質量損失僅有0.34%，在目標溫度400 ℃時均發生粉碎性爆裂，無法測得更高溫度后的質量損失。說明無聚丙烯纖維UHPC在高溫作用下，由于其高強、低孔隙率，內部水氣很難逸出，導致試件層層爆裂。再次證明聚丙烯纖維的摻入提高了UHPC高溫抗爆裂性能。

2.3UHPC高溫后力學性能

2.3.1UHPC高溫后立方體抗壓強度

對不同溫度下6組材料UHPC進行立方體抗壓強度試驗，各系列UHPC在不同目標溫度下立方體抗壓強度值如表7、表8所示，UHPC1、UHPC2、UHPC5在目標溫度400 ℃時均發生了粉碎性爆裂，未能采集到其400 ℃及更高溫度下立方體抗壓強度試驗數據。

為便于研究與分析，給出了立方體抗壓強度相對值，即相同條件下，UHPC高溫后立方體抗壓強度與常溫立方體抗壓強度的百分比，用以對比不同類型UHPC在高溫作用后強度的維持能力。各系列UHPC在不同目標溫度下立方體抗壓強度相對值如圖5所示。

由圖5和表8可知，在200 ℃高溫后，各系列UHPC的立方體抗壓強度都有不同程度提升。其中UHPC5立方體抗壓強度提升程度最大，從常溫的95 MPa增長到203 MPa，立方體抗壓強度提高了113.7%。

UHPC經高溫作用，試件內部自由水和毛細水蒸發，而UHPC密實度高、孔隙率低，導致水分散失通道不暢，水分無法逸出，在UHPC中營造出近似高溫蒸汽養護的環境，使得水泥水化反應和火山灰反應互相促進，硅灰、粉煤灰中的活性二氧化硅與水泥水化產物Ca（OH）2生成了更多的C—S—H凝膠，C—S—H凝膠在高溫高壓環境下轉變成硬硅鈣石和托勃莫來石，使得內部結構更加密實，抗壓強度得以提高（正效應）[30];同時，自由水、毛細水的相繼散失在試件內部形成毛細裂縫和空隙，試件內部不斷積聚的蒸汽壓對周圍固體介質產生張力，促使裂縫擴展（負效應）[3031]。

由試驗結果可知，在200 ℃高溫作用下，正效應占主導地位，導致UHPC宏觀上表現為立方體抗壓強度較常溫時明顯增強，其中，鋼渣骨料素UHPC（UHPC5）增強效果最顯著，高溫增強了鋼渣骨料素UHPC試件內部結構的密實性，進而提高UHPC立方體抗壓強度。

UHPC3、UHPC4、UHPC6這3組試件在不同高溫作用后，立方體抗壓強度變化規律相似，整體上表現為高溫后立方體抗壓強度隨溫度的升高先增加后降低，具體表現有所差異。

摻入聚丙烯纖維UHPC在經過600 ℃高溫作用后，仍保持著較高強度，而經過800 ℃高溫作用后，UHPC3、UHPC4的立方體抗壓強度下降到40 MPa左右，強度損失嚴重。這是由于在400 ℃之前形成的溫度對UHPC強度正面效應繼續存在但停止增長，各種劣化因素持續增強，混凝土內部結構密實性急劇下降。試件經過800 ℃高溫作用后立方體抗壓強度隨溫度的升高改變緩慢，立方體抗壓強度相對值保持在30%左右，說明試件在經過800 ℃高溫作用后，各種劣化因素增長緩慢。

UHPC6在1 000 ℃高溫作用后，立方體抗壓強度保持在112 MPa左右，仍具有常溫強度的67%，表現出了優異的耐火性能。鋼渣表面粗糙，能改善高溫UHPC界面粘結性能，鋼渣作為細骨料具有較高的熱穩定性且與水泥的化學成分相近，能緩解骨料與水泥漿體的熱不相容性，進而顯著改善UHPC高溫后力學性能[23]。可見鋼渣作為耐火骨料很好地解決了UHPC在高溫作用后強度急劇損失的問題，這為UHPC提高耐火性能提供了很好的思路。

2.3.2UHPC高溫后壓縮破壞形態

表10為各系列UHPC在不同目標溫度作用后壓縮試件的破壞形態，從中可以看出，UHPC1在常溫下和200 ℃高溫作用后的受壓破壞形態相同，試件均發生了壓縮脆性破壞;UHPC5在200 ℃高溫作用后也發生了嚴重脆性破壞。而UHPC2在常溫下和200 ℃高溫作用后，均發生了裂紋累積塑性受壓破壞，破壞形態為典型的X交叉型剪切破壞，受壓破壞后無碎塊崩出，僅表面出現膨脹、掉渣、裂紋現象，試件仍保持良好的整體性。說明鋼纖維的粘結和橋接作用改善了UHPC的脆性。UHPC3在常溫下受壓破壞形態為延性破壞，說明常溫下聚丙烯纖維對UHPC具有阻裂作用。

單摻聚丙烯纖維UHPC在200～600 ℃高溫作用后，由于聚丙烯纖維的熔解，UHPC內部無纖維約束，試件均發生壓縮脆性破壞，且強度越高，脆性越大。在600 ℃以后，高溫損傷致使試件抗壓強度急劇下降， 因而受壓破壞脆性有所改善。

混雜纖維UHPC在常溫（25 ℃）～1 000 ℃高溫作用后，試件破壞均表現為裂紋累積塑性破壞，與UHPC3在不同溫度后的受壓破壞形態相比發生了很大變化。這主要是因為纖維復摻改變了UHPC高溫作用后試件受壓破壞形態。聚丙烯纖維在165 ℃熔解，在200 ℃高溫作用后聚丙烯纖維增強阻裂的積極作用已基本消失。在200～600 ℃高溫作用下，鋼纖維發揮橋接和阻裂作用，致使試件在受壓時仍能保持一個較為完整的形態，沒有發生壓縮脆性破壞。在800 ℃后，鋼纖維開始脫氧碳化，在1 000 ℃高溫作用后，鋼纖維對UHPC高溫積極作用基本喪失，試件破壞后形成上下相接的兩個椎體。

由表10對比發現，由于鋼渣骨料UHPC在高溫下具有更密實的分子結構，相對于石英砂骨料UHPC來說，高溫作用后的破壞程度更小;鋼渣骨料混雜纖維UHPC在高溫作用后力學性能最佳，這與2.3.1節得出的結論一致。

3鋼渣骨料混雜纖維UHPC高溫后力學性能

鋼渣骨料混雜纖維（UHPC6）高溫力學性能以及對強度的維持能力較好，因此，分析了UHPC6在標準試驗立方體尺寸（150 mm×150 mm×150 mm）下不同溫度作用后的應力應變曲線，并研究了最優耐高溫UHPC尺寸效應對其殘余力學性能的影響。

圖6為標準立方體試驗尺寸下材料UHPC6在不同溫度作用后的應力應變曲線（應力、應變均取4個試件的平均值）。由于混雜纖維的加入改變了UHPC的脆性破壞，試驗均采集到了UHPC6150不同溫度作用后受壓應力應變曲線下降段，試件在壓縮過程中均發生了延性破壞，與UHPC6材料破壞形態一致。由圖6可知，隨著溫度的升高，UHPC6150的立方體抗壓強度表現出先增加后降低的趨勢，臨界溫度為400 ℃。室溫～400 ℃高溫作用后，曲線峰值點隨溫度升高而升高，曲線下降段隨溫度升高而變陡，表明在經過高溫后UHPC依然表現出強度越高脆性越大的特點。在600 ℃高溫后，峰值點開始下移，彈性模量開始下降，然而曲線下降段開始變緩，說明溫度超過600 ℃，鋼渣骨料混雜纖維UHPC經過高溫作用后延性得到一定程度的發展;鋼纖維可以很好地緩解高溫后UHPC受壓脆性破壞。

由表11可知，該最優耐高溫材料鋼渣骨料混雜纖維UHPC具有尺寸效應，不同尺寸的試件在不同溫度作用下立方體抗壓強度明顯不同，然而，在不同溫度作用后，不同尺寸試件之間的強度轉化因子（即不同尺寸試件在相同溫度下的強度之比）基本一致，說明高溫對UHPC的強度轉換因子影響不大，對UHPC在高溫作用后的變化規律影響不大，這也證實了Yang等[20]的觀點。

由圖7可以看出，UHPC抗壓強度隨溫度的升高先上升后降低，這與本文中研究的規律相符。同時，該鋼渣骨料混雜纖維UHPC在1 000 ℃高溫作用后，殘余強度相對值達到67%;800 ℃高溫作用后，殘余強度相對值高達89%，比其他學者研究的UHPC在800℃高溫作用后殘余強度相對值高56%。由此可見，該鋼渣骨料混雜纖維UHPC性能優越且在高溫作用后性能穩定，具有較好的耐高溫性能。

4結論

對168個UHPC試件進行了高溫加熱試驗，根據試驗現象及數據進行整理分析，得到以下結論：

1）單摻2%的鋼纖維不能抑制UHPC高溫爆裂行為;單摻2%的聚丙烯纖維阻止了試件高溫粉碎性爆裂;混摻2%聚丙烯纖維和1%鋼纖維有效地抑制了UHPC的高溫爆裂。

2）隨著溫度的升高，UHPC的質量損失不斷增大，其中，200～400 ℃范圍內質量損失最為嚴重。

3）高溫作用后，UHPC立方體抗壓強度隨溫度的升高呈現先上升后降低的規律;在目標溫度超過600 ℃時，高溫增強了UHPC的延性。

4）鋼渣骨料混雜纖維UHPC具有優異的高溫力學性能，其抗壓強度隨溫度變化表現相對穩定。參考文獻：

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（編輯胡玲）