粉煤灰和偏高嶺土組合使用對混凝土耐熱性能影響

張冰清，付立強，郝 楨

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

高性能混凝土（High Performance Concrete, HPC）憑借超高的抗壓強度，出色的耐久性和低廉的成本，廣泛用于建筑結構和橋梁工程[1-3]，然而致密的結構和低孔隙率導致其在高溫環境下性能下降很快。聚焦原材料對混凝土性能的影響，發現孔結構和骨料的體積分數對混凝土的性能有重要影響[4-6]。在高溫條件下，由于骨料的分解和內部物理、化學變化而不穩定，導致混凝土的降解和損壞[2,6-7]。研究發現，水泥基材料的微觀結構會隨溫度升高發生變化[8-11]，鈣礬石在100 ℃時消失，CH 和CSH 在400 ～600 ℃時分解以及CSH 轉變為硅酸鹽。因此，從原材料的角度來看，優化膠凝材料組成對提升高性能混凝土耐熱性能有重要意義。

粉煤灰作為一種常用的輔助膠結材料，其對高溫下混凝土性能的影響被廣泛關注[12-13]。WANG 等[13]研究了粉煤灰對高性能混凝土的力學性能和熱導率的影響，發現在550 ℃時抗壓強度降低了約26%，而相對濕度為100%時熱導率增加了22%。AYDIN等[14]發現，粉煤灰混凝土的高耐熱性能可能歸因于900 ℃下的骨料-水泥漿界面過渡區。關于無機摻合料改善混凝土性能研究眾多，但對于粉煤灰和偏高嶺土的組合使用對高溫下高性能混凝土的力學和物理性能的探索還很有限。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥（P·O 52.5），符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）要求，主要技術指標見表1。粉煤灰和偏高嶺土、輔助膠凝材料主要化學成分見表2。粗骨料采用連續級配的石灰巖碎石，壓碎指數為5.1%，比重為2.5 g/cm3，吸收率為0.23%，最大粒徑為10 mm。細骨料為細度模數2.58 的天然河砂，吸水率為1.22%，比重為2.62 g/cm3。外加劑是固含量為35%，減水率為28%的聚羧酸高效減水劑（SP），摻加量為水泥質量1%。

表1 水泥主要技術指標

表2 輔助膠凝材料主要化學成分

1.2 試樣制備

為研究輔助膠凝材料組合使用對高性能混凝土耐熱性能的影響，制備5 個不同的混合比例，除了輔助膠凝材料的組成和比例不同外，所有混合設計參數均保持恒定。基準混凝土和高性能混凝土配合比設計見表3、表4。

表3 基準混凝土配合比設計

表4 高性能混凝土配合比設計

1.3 試驗方法

（1）參考標準《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）規定，采用坍落度值表征新鮮混合物的工作性能。（2）參考標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002），采用抗壓強度和抗折強度表征室溫環境下混凝土力學性能，試樣尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm 和100 mm×100 mm×400 mm。試樣成型24 h 后脫模并保存在標準養護室（20±1 ℃，RH ≥95%）至測試齡期。（3）采用殘余抗壓強度表征高溫下混凝土力學性能，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試樣在養護28 d 后取出干燥至恒重，并在電控爐中將混凝土加熱至設定溫度（400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃），加熱速率為3 ℃/min，然后在設定溫度保持3 h，最后將試樣取出冷卻至室溫。（4）參考《致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗方法》（YB/T 5200—1993）中規定，測試高溫下混凝土的吸水率、質量損失和孔隙率。

2 結果與討論

2.1 工作性能

新拌混凝土坍落度測試結果見圖1。

圖1 新拌混凝土坍落度測試結果

（1）與基準混凝土相比，添加SCM 導致混凝土坍落度值增加，尤其是對于摻加了粉煤灰的試樣（S1-HPC）而言，坍落度大幅增加，因為粉煤灰的球形顆粒形狀可以發揮潤滑劑作用并改善混合物坍落度。（2）用粉煤灰改性的高性能混凝土（S1-HPC）比超細粉煤灰改性的混凝土（S2-HPC）具有更好的工作性能。類似地，含有10%粉煤灰的S1-S2-S3-HPC 的坍落度值略高于S2-S3-HPC 試樣。結果表明，粉煤灰在提高混凝土工作性能比UFFA和MK 更有效，因為FA 顆粒的球形形狀減少了拌合物的阻塞。

2.2 室溫環境下的力學性能

混凝土抗壓強度測試結果見圖2（a），混凝土抗折強度測試結果見圖2（b）。

圖2 室溫環境下混凝土力學性能

2.2.1 抗壓強度

結果顯示，用SCM 改性的混凝土抗壓強度明顯高于基準混凝土。（1）與基準混凝土3 d 抗壓強度相比，摻加SCM 的高性能混凝土抗壓強度分別增加0.3%（S1-HPC），0.9%（S2-HPC），3.8%（S2-S3-HPC）和4.3%（S1-S2-S3-HPC），而28 d 抗壓強度分別提高了12.6%（S1-HPC），14.2%（S2-HPC），19.0 %（S2-S3-HPC） 和22.2 %（S1-S2-S3-HPC）。結果表明，SCM 對早期抗壓強度的影響是有限的，而對混凝土后期抗壓強度有明顯的提升影響，可能是SCM 在早期水化過程中的反應活性較低，而在后期會形成大量水化產物的原因。（2）與基準混凝土相比，S1-HPC 和S2-HPC 的28 d 抗壓強度均增加約15%，而SCM 組合使用改性的高性能混凝土（S2-S3-HPC 和S1-S2-S3-HPC）抗壓強度增加了約20%。表明SCM 組合使用進一步提升了試件抗壓強度，可歸因于SCM 火山灰特性和微填充能力。

2.2.2 抗折強度

SCM 對混凝土抗折強度的影響類似于對抗壓強度。SCM 改性的高性能混凝土表現出比基準混凝土更高的抗折強度。養護3 d 后試件抗折強度分別提高了0.9%（S1-HPC），1.8%（S2-HPC），3.6%（S2-S3-HPC）和5.9%（S1-S2-S3-HPC）， 而養護28 d 后，試件抗折強度分別增加9.0%（S1-HPC），11.3%（S2-HPC），12.3%（S2-S3-HPC）和19.2%（S1-S2-S3-HPC）。

2.3 殘余強度

試樣在高溫環境下的殘余強度測試結果見圖3。可以看出，試樣在高溫下的殘余抗壓強度演變分為兩個階段，隨著溫度升高，混凝土殘余抗壓強度先增加，然后呈現降低趨勢。

圖3 高溫環境下力學性能

（1）第一階段（RT 到400 ℃）：特征是殘余抗壓強度略有提高。與室溫環境下試樣抗壓強度相比，加熱到400 ℃后，試樣強度分別增加0.3%（Control mix），4.5%（S1-HSC），5.2%（S2-HPC），5.9%（S2-S3-HPC）和10.4%（S1-S2-S3-HPC）。因為400℃導致水合產物分解，使未水化水泥重新水化，增加了C-S-H 凝膠數量，并提高了400 ℃時混凝土強度。（2）第二階段（400 ～1 000 ℃）：特征是混凝土的殘余抗壓強度逐漸降低。在800 ℃時，高性能混凝土的殘余抗壓強度比約為35 ～70%，而在溫度達到1 000 ℃時，基準混凝土的殘余抗壓強度比為9.9%，S1-HPC 為11.5%，S2-HPC 為18%，S2-S3-HPC 為18.7%，S1-S2-S3-HPC 為23.3%。另外，加熱至1 000 ℃后，含有20%UFFA-10%MK 和10%FA-10%UFFA-10%MK 的混凝土殘余抗壓強度分別保持18.7 MPa 和23.9 MPa。結果表明，SCM 的組合使用對1 000 ℃下混凝土殘余強度具有積極影響。

2.4 質量損失

混凝土試件質量損失測試結果見表5，可知混凝土質量損失隨溫度變化分為三個不同階段。第一階段（RT 到400 ℃）的特征是混凝土質量損失急劇增加。該階段混凝土在400 ℃時的質量損失大約比RT 處增加了將近10 倍，主要是由于水分損失，以及C-S-H 凝膠和鋁酸鹽水化產物的分解[10]。第二階段（400～600 ℃）的特征是質量損耗隨溫度保持穩定。第三階段（＞600 ℃）的特征是質量損失明顯增加。因為混凝土內部C-S-H 的破壞，CH 的分解和孔結構的干燥，導致混凝土在600 ℃發生破壞和開裂[13]。

表5 混凝土試件質量損失測試結果

（1）與基準混凝土相比，400 ℃的高性能混凝土質量損失分別增加了0.3%（S1-HPC），1.3%（S2-HPC），1.7%（S2-S3-HPC）和1.9%（S1-S2-S3-HPC）。因為在400 ℃下，部分水化產物分解而產生的水，從而使未水化水泥顆粒重新水化[1]。此外，在S1-S2-S3-HPC 上觀察到最高損失質量，此時混凝土中含有最多的C-S-H 凝膠。（2）在1 000 ℃下，混凝土試樣的質量損失分別降低了3.7%（S1-HPC），8.4%（S2-HPC），17.0%（S2-S3-HPC）和25.3%（S1-S2-S3-HPC）。結果表明，引入輔助膠凝材料對降低混凝土質量損失有明顯的積極作用，尤其是粉煤灰和偏高嶺土的聯合使用，有效抑制了混凝土的質量損失。

2.5 吸水率

混凝土試件吸水率測試結果見表6。

表6 混凝土試件吸水率測試結果

（1）混凝土在高溫環境下的吸水率演變可分為兩個階段：在RT 和600 ℃之間，混凝土試件吸水率略有增加；在600 ℃以上，混凝土吸水率有明顯地增加，可能因為混凝土在600 ℃時，表面出現開裂以及內部結構損壞。此外，混凝土的損壞導致吸水率的增加與試樣殘余強度的降低有關。（2）輔助膠凝材料改性的高性能混凝土吸水率明顯低于基準混凝土的吸水率。與基準混凝土吸水率相比，高性能混凝土吸水率在1 000 ℃分別降低了7.3%（S1-HPC），16.1%（S2-HPC），18.8%（S2-S3-HPC）和23.2%（S1-S2-S3-HPC），主要是因為輔助佳凝材料的微填充效應和火山灰反應。

2.6 孔隙率

混凝土試件孔隙率測試結果見表7，孔隙率隨溫度的升高而增加。

表7 混凝土試件孔隙率測試結果

（1）研究表明，暴露于高溫環境下的混凝土會出現孔粗大化現象，從而導致混凝土強度急劇損失，滲透性大幅增大。在400 ℃時，基準混凝土的孔隙率急劇上升，而用輔助膠凝材料改性的高性能混凝土的孔隙率相對較低；當溫度升至600 ℃時，高性能混凝土的孔隙率達到試樣在1 000 ℃時的60%左右，主要是因為骨料和水泥漿之間的差異性膨脹，水化產物的分解導致微裂紋的產生，進而產生額外的孔隙度。（2）在相同溫度下，使用輔助膠凝材料改性的高性能混凝土孔隙率低于基準混凝土，因為添加SCM 可以在一定程度上抑制水合物的破壞。比較高溫下高性能混凝土的孔隙率，S1-HPC 的孔隙率最高，其次是S2-HPC，S2-S3-HPC 和S1-S2-S3-HPC。結果表明，SCM 的組合使用對降低混凝土的孔隙率具有積極作用。

3 結語

（1）與基準混凝土相比，添加SCM 可以提高新拌混凝土的坍落度。在增加混凝土坍落度方面，FA 的添加比UFFA 或SCM 的組合使用更有效。（2）輔助膠凝材料對混凝土的早期抗壓強度提升是有限的，而對其長期強度卻有明顯的提升效果，而且SCM 的組合使用進一步提升混凝土力學強度。（3）混凝土試樣在高溫環境下，殘余強度的演化可分為兩個階段：400 ℃時殘余抗壓強度略有增加，400 ℃以上殘余強度急劇下降。SCM 的組合使用對高性能混凝土的殘余抗壓強度有積極作用，對于1 000 ℃下UFFA-MK 和FA-UFFA-MK 試樣，殘余強度分別保持18.5 MPa 和23.3 MPa。（4）400 ℃下混凝土的質量損失比室溫環境下損失質量約增加了10 倍；當溫度超過600 ℃時，含有FA-UFFA-MK 的試樣表現出最佳的物理性能。高溫環境下高性能混凝土的殘余強度與物理性能之間有密切相關的關系。