養護方式對氣凝膠砂漿復合自密實混凝土隧道火災抗力的影響

徐東航，朱平華，陳春紅，劉 惠，劉少峰

(常州大學環境與安全工程學院，常州 213164)

0 引 言

自密實混凝土(SCC)具有自密實、高強度、易施工等優點[1]，在隧道結構中得到了廣泛的應用。然而，當隧道發生火災時，SCC會因為內部孔隙水壓力不能及時釋放等原因而爆裂剝落[2-3]，鋼筋直接裸露于火災下，致使結構承載力急劇下降，甚至導致隧道混凝土結構的整體倒塌。交通事故或車輛自燃起火等原因引發的交通隧道火災難以在短時間撲滅，通常會帶來大量的人員傷亡和不可預估的經濟損失[4]。世界各國早已針對隧道防火方面進行了研究探索，隧道防火涂料由于其成本低廉、施工方便等優勢而備受青睞[5]。

氣凝膠具有高孔隙率(94%～99%)、低熱導率(0.003～0.02 W/(m·K))、低密度(3～100 kg/m3)的特性[6-8]。封金財等[7]發現氣凝膠顆粒在膠凝材料水化過程中是穩定存在的。因此，氣凝膠可以作為隧道防火砂漿的骨料，來提升其耐火性。Ng等[8]通過添加氣凝膠來降低混凝土復合材料的導熱系數，結果表明，當氣凝膠體積占混凝土體積的50%時，復合材料的導熱系數為0.26 W/(m·K)；當體積摻量達到60%時，導熱系數下降了46%，為0.14 W/(m·K)。Zhu等[9]制備了SiO2氣凝膠含量占骨料體積0%、33%、66.7%的氣凝膠砂漿(ACP)，其導熱系數分別為1.7 W/(m·K)、0.4 W/(m·K)和0.17 W/(m·K)，同時提出了不同氣凝膠含量的砂漿導熱系數與密度相近的泡沫混凝土相似的結論。呂航等[10]利用氣凝膠水泥基作為防火涂料，研究表明，氣凝膠水泥基的耐火極限時間隨著氣凝膠含量的增加呈現先增加后減少的趨勢。

水泥水化是一種復雜的化學反應，主要取決于材料組分特征和環境條件。當養護方式變化時，水泥漿中的微觀結構和水化速率會發生顯著變化[11]。適當的水分條件對水泥水化至關重要，因為當毛細孔道內的相對濕度降到80%以下時，水泥的水化幾乎停止[12]。梅智勇等[13]提出濕養時間對砂漿的強度的增長起到重要的作用，工地實際施工中，應至少對礦漿進行14 d澆水養護，才能保證其強度達到正常范圍。Chen等[14]發現隨著養護齡期的延長，砂漿的孔隙率會不斷降低，孔隙滲流尺寸大幅度減小，中孔會成為主導孔隙。Guo等[15]發現濕含量和孔隙率會顯著影響耐火混凝土的抗火性能，孔隙率增加有利于降低混凝土導熱系數。

以上研究表明，合理的養護方式可以顯著提高砂漿的性能。然而，目前對ACP的研究主要集中在氣凝膠含量或涂層厚度上，關于養護方式對ACP性能影響的研究甚少。因此，本文研究濕養時間對ACP抗壓強度、抗折強度和導熱系數等性能的影響。同時，對SCC單面涂覆6 mm厚的ACP進行隧道火災模擬實驗(1 100 ℃，2.5 h)，通過火災實驗后SCC殘余抗壓強度來探究養護方式對ACP復合SCC隧道火災抗力的影響規律。

1 實 驗

1.1 原材料

原材料組成：江蘇揚子水泥有限公司生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥(表觀密度為3 100 kg/m3)；常州本地天然河砂(細度模數2.86)；礦物摻合料包括常州湖塘熱電廠生產的特級硅灰(表觀密度為2 200 kg/m3)和常州中天鋼鐵集團的生產的礦渣(表觀密度為2 661 kg/m3)；廣東埃力生高科技有限公司生產的疏水型商用硅氣凝膠，其各項性能參數見表1；江蘇蘇博特新材料有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑；上海臣啟化工科技有限公司生產的聚丙基甲基纖維素；山東萊陽宏祥建筑外加劑廠生產的灰霸牌引氣劑；上海凌峰化學試劑有限公司生產的高溫抑制劑TiO2；上海臣啟化工科技有限公司生產的可再分散乳膠粉作為分散劑；上海影佳實業發展有限公司生產的聚丙烯纖維。

表1 氣凝膠的基本性能

1.2 配合比

參照Zhu等[9]的試驗成果，同時依據GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》[16]中的體積法設計ACP配合比，其中骨料(氣凝膠+砂)的體積占砂漿總體積的60%，氣凝膠體積占骨料體積的80%，具體配合比見表2。自密實混凝土的目標強度為C40，依據JGJT 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》[17]，具體配合比見表3。

表2 氣凝膠砂漿配合比

表3 C40自密實混凝土配合比

1.3 試塊制備及養護

SCC采用兩次攪拌工藝[18]，成型100 mm×100 mm×100 mm的試件，然后標準養護28 d。28 d養護完成后進行烘干，隨后存放在75%濕含量養護箱中，直至質量不變，從而控制SCC濕含量為75%，該濕含量為混凝土在火災下極易發生爆裂的濕含量界限[2]，以便充分探明養護方式對ACP隧道火災抗力的影響。

ACP制備方法是將原材料(水泥、砂、硅灰、礦渣、TiO2、甲基、分散劑、引氣劑和纖維)放入JJ-5水泥膠砂攪拌儀中，干攪2 min，然后加水攪拌至均勻，再緩慢加入氣凝膠和減水劑，混合攪拌3～4 min。待漿體攪拌均勻后一部分裝模成試件，用以測試ACP的力學性能和導熱性能，一部分涂覆在SCC表面(涂層厚度為6 mm，稱為ACP復合SCC)，在自然環境下((20±5) ℃)靜置1 d脫模，再分別進行養護。

本試驗基于自然狀態下養護，期間平均溫度為15～25 ℃，晝夜溫差為5～10 ℃，相對濕度為60%±15%。以現場施工養護方法為基準，對ACP采用了4種濕養和干養并存的養護方式，并采用標準養護作為對照組。濕養方式：在自然狀態下每隔6 h在試件表面噴水，并用薄膜覆蓋。干養方式：在自然狀態下養護。標準養護：溫度為(20±1) ℃，相對濕度95%以上。養護齡期均為28 d，具體養護方式見表4。

表4 養護方式

1.4 試驗方法

ACP抗壓和抗折強度按JGJT 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[19]進行測試。導熱系數采用熱線法[20]進行測試,為準確比較不同養護方式下ACP導熱系數的變化，每種養護方式均測量三塊試塊，并取平均值。

隧道火災試驗裝置采用RTD-45-13型臺車式電阻爐，試驗裝置見圖1(a)。隧道火災升溫曲線如圖1(b)，按照HC曲線(碳氫曲線)[21]30 min內達到1 100 ℃的火災狀態，隨后爐內維持1 100 ℃的高溫120 min。升溫結束后，溫度將以10 ℃/min的速率降至室溫。所有試塊均為單面受火，非受火面用耐高溫粘結劑和含鋯纖維毯包裹密封。使用掃描電子顯微鏡(SUPRA55，Zeiss)觀察ACP受火前后的形貌特征。

圖1 (a)用于隧道火災試驗的電阻爐；(b)模擬隧道火災的HC曲線和試驗曲線

2 結果與討論

2.1 ACP抗壓強度和抗折強度

圖2給出了ACP抗壓強度和抗折強度與養護方式之間的關系。從圖可知，在7W至28W養護時，隨著濕養時間的延長，ACP的抗壓強度和抗折強度均持續上升，相比抗壓強度，抗折強度的上升更為緩慢；抗折強度最高值為0.84 MPa(28W)，比最低值0.74 MPa(7W)增加了17%；抗壓強度增長最快的階段是從7W養護到14W養護，增加了0.2 MPa，隨后增長速率下降，在28W養護ACP抗壓強度達到3.5 MPa。水泥強度由水泥的礦物組成決定的，水泥的水化產物主要是水化硅酸鈣(CSH凝膠)、氫氧化鈣(CH)和鈣礬石[11]，濕養可以提升ACP內部水化反應速率，加速生成水化產物，更多的水合產物填充了開孔[12]，增加了ACP的力學性能。值得注意的是28SW養護的ACP的抗壓和抗折強度均比28W高3%左右，這是由于28SW養護溫度((20±1) ℃)相比28W(15～25 ℃)養護溫度變化范圍小，使得ACP的水化產物更加均勻，有利于提升ACP的力學性能。

圖2 不同養護方式下ACP的抗壓強度和抗折強度

圖3 不同養護方式下ACP的導熱系數

2.2 ACP導熱系數

圖3是ACP在不同養護方式下的導熱系數。在7W至28W養護時，隨著濕養時間的延長，ACP的導熱系數呈現先下降后上升的趨勢。14W養護的ACP導熱系數最低，為0.179W/(m·K)，相比7W養護下降了1%，這是由于隨著濕養時間的延長，ACP的孔徑不斷縮小,更小的孔徑有利于降低導熱系數[21]。28W養護時，導熱系數上升至0.184W/(m·K)，相比14W養護上升3%。濕養加速ACP水化反應速率，水合產物增多，提高了ACP的密實性，降低了ACP的孔隙率。空氣的導熱系數為0.026W/(m·K)，遠低于砂漿的水化產物的導熱系數1.7～2.5W/(m·K)[8]，所以ACP的孔隙率越低，導熱系數越高。28W養護的導熱系數略低于28SW養護，與恒溫養護相比，自然養護狀態下的ACP由于晝夜溫差會提高孔隙率[14]，進而降低其導熱系數。

2.3 SCC隧道火災爆裂試驗

圖4為SCC在隧道火災試驗后形貌圖。如圖4(a)所示，未涂覆ACP的SCC試塊在隧道火災試驗中發生爆裂。在試驗開始后的8 min(溫度623 ℃)發生第一次爆裂，第17 min(溫度847 ℃)結束爆裂，爆裂時長共9 min，爆裂次數為116次(通過爆裂聲音次數來計數)。爆裂試驗后的混凝土體積約為原體積的一半，失去了承壓能力，殘余抗壓強度為0 MPa。

涂覆14W養護方式制備的ACP復合SCC試塊在隧道火災試驗后仍然保持完整性(如圖4(b)所示)。ACP在火災試驗后也未脫落，仍具有較好的粘結強度。同時，可以觀察到SCC的側面產生了裂紋，這標志著混凝土內部已有一定損壞。其他養護方式下的ACP復合SCC試塊與之相似，火災試驗后均未發生爆裂剝落。但是對比圖4(a)和圖4(b)可知，ACP對SCC起著顯著的抗火災爆裂保護作用。

圖4 SCC在隧道火災試驗后形貌圖

圖5 不同養護方式下ACP復合SCC火災后的殘余抗壓強度

2.4 ACP復合SCC隧道火災后強度退化

圖5給出了不同養護方式的ACP復合SCC試件在隧道火災試驗后的殘余抗壓強度。由圖5可見，14W養護的SCC殘余抗壓強度比7W養護的高15%，為13.5 MPa，14W養護的ACP由于更長的濕養時間，更多的CH與硅灰反應生成CSH凝膠(CSH凝膠的熱穩定性高于CH[22])，有利于ACP對SCC起到更好的隔熱保護作用。14W養護后，SCC殘余抗壓強度隨著ACP濕養時間的延長呈現下降趨勢，28W養護時SCC殘余抗壓強度達到最低點，為11.3 MPa，比14W養護低2.2 MPa。結合圖3可知，在14W養護至28W養護時，ACP的導熱系數越低，SCC的殘余抗壓強度相對就越高，即ACP復合SCC隧道火災抗力性能就越好，所以導熱系數可以作為衡量ACP耐火隔熱性能的重要指標。28W養護的ACP導熱系數低于28SW養護的導熱系數，但28SW養護的SCC殘余抗壓強度卻高于28W養護，原因在于28W養護存在晝夜溫差，導致ACP微觀結構不均勻，疏松的微觀結構降低了ACP的隧道火災抗力。SCC火災前抗壓強度為42.3 MPa，高溫后SCC抗壓強度下降了68%～73%，說明即使在6 mm ACP涂層保護下，SCC也會損失大部分承載力。因此，應適當提升ACP涂層厚度從而提高SCC火災后殘余抗壓強度。

2.5 氣凝膠砂漿火災前后微觀形貌分析

圖6是隧道火災試驗前ACP的微觀形貌圖。從圖中可以看出，氣凝膠與水泥漿的界面處有幾微米的空隙，這是由于水泥漿體在水化過程中收縮所致。從圖6(f)～(j)可以發現，隨著濕養時間延長，砂漿的孔徑逐漸縮小，即ACP孔隙結構不斷細化，使漿料更加緊密。同時，濕養促進了火山灰(礦渣和硅灰)反應[22]，CH在養護過程中不斷被消耗，與火山灰反應生成更多的CSH凝膠填充微孔，使微觀結構更加均勻緊致。

圖7是隧道火災試驗后ACP的微觀形貌圖。從圖7(a)～(e)可知，ACP遭受火災后，氣凝膠體積大幅收縮，導致水泥漿體與氣凝膠界面處存在巨大的間隙，此時ACP已經失去了對SCC的隔熱保護功能。沿水泥漿體可以觀察到微裂紋，這是水化產物在高溫下的脫水導致水泥漿體收縮而引起的。同時，水泥漿體中的孔隙會構成微裂紋發展的起點，并可以集中傳播局部應力[23]。相比21W養護，7W養護的ACP在隧道火災下產生的微裂紋更長更寬。7W養護的ACP由于水養時間不充分增加了粗孔，加速了ACP在高溫下微裂紋的產生。結合圖3和圖5可以發現，相比7W養護，21W導熱系數更高，但7W養護下的ACP復合SCC的殘余抗壓強度卻比21W養護低0.6 MPa。這說明微裂紋會加速水泥漿體的損傷，進而降低ACP復合SCC的隧道火災抗力[24]。因此，雖然7W養護的ACP的導熱系數低于21W養護，但21W養護的ACP具有更好的耐火、隔熱性能。14W養護的ACP火災試驗后的微裂紋相對較短和較少，均勻的水化產物和較低的導熱系數均減少了高溫下微裂紋的產生，降低了隧道火災下水泥漿體的損傷速率，從而提高了ACP復合SCC的隧道火災抗力。

圖6 不同養護方式下ACP隧道火災試驗前SEM照片

圖7 不同養護方式下ACP隧道火災試驗后掃SEM照片

3 結 論

(1)未涂覆ACP的C40 SCC遭受火災時會發生爆裂，試塊爆裂次數為116次，殘余抗壓強度為0 MPa；而ACP復合SCC的試件遭受火災時均未發生爆裂，14 d濕養下SCC殘余抗壓強度最高，為13.5 MPa。

(2)濕養時間越長，ACP就會產生更多的水化產物，細化孔隙結構，使漿料更加緊密。緊密的微觀結構提升了ACP的力學性能，但也增加了ACP的導熱系數，進而降低其隔熱性能。水養時間不充分會增加粗孔，使高溫下ACP產生的微裂紋更長更寬，這會加速水泥漿體的損傷。綜合考慮ACP的力學性能、導熱系數和微觀結構，14 d濕養為最優養護。