高溫狀態下微粒混凝土力學性能研究

潘正寧，田美靈，施騫，張銘強，白體新

（1. 浙江海洋大學，浙江 舟山 316000；2. 浙江省交通規劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3. 建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

0 引言

隨著近年來建筑火災發生頻率的持續升高，混凝土的抗高溫性能越來越受到人們的關注。微粒混凝土是目前眾多研究者使用振動臺設備進行結構縮尺試驗時替代普通混凝土的一種材料。已有的研究結果[1-3]已經表明，具有一定骨料配比的微粒混凝土在常溫下能很好地表征普通混凝土的各項力學性能。然而，關于微粒混凝土在高溫作用下力學性能變化的研究較少。本文將針對微粒混凝土在高溫下的力學性能開展相關研究，并與普通混凝土進行比較。

由于混凝土材料內部結構的復雜性以及試驗材料和方法的差異，目前關于普通混凝土在高溫作用下抗壓強度和彈性模量的變化規律的研究并沒有統一的結論。鈕宏[4]對 800℃ 內不同溫度和荷載共同作用下混凝土的強度進行了試驗研究，得出抗壓強度總體隨溫度升高而下降，但在 400℃ 左右有回升的結論；賈彬[5]使用微波爐加熱混凝土，表明抗壓強度在 300～400℃ 間隨溫度升高而加強；時旭東[6]重點研究低于 500℃ 的亞高溫區段混凝土的力學性能，表明 100～250℃ 內抗壓強度波動較大且在 100℃ 附近形成強度波谷；過鎮海[7]對先升溫后加載與先加載后升溫兩種途徑下混凝土的力學特性進行了研究，并建立了任意溫度—應力途徑下混凝土本構關系的計算公式；南建林[8]在此基礎上繼續研究不同途徑的升溫加載方式對混凝土力學性能的影響，給出了普通混凝土抗壓強度隨溫度變化的上下限計算公式；李寧波[9]分析了混凝土殘余強度的衰減規律，認為混凝土在高溫作用后會經歷低溫衰退、強度恢復、高溫衰退等三個階段。

對于微粒混凝土材料，現有的研究主要集中在常溫下彈性模量和抗壓強度等指標受應變率、尺寸效應和其他材料摻量的影響。楊政[1]研究了微粒混凝土受壓時的應力應變全過程曲線，證明了其與普通混凝土具有相似性；沈德建[2]從加載應變率、靜態初始荷載、尺寸效應三個方面研究微粒混凝土力學性能變化規律，并建立了考慮尺寸效應的抗壓強度計算公式；沈朝勇[3]在微粒混凝土中摻入不同種類的材料，配制了相關的微粒混凝土。通過動力模型試驗，可以發現加入陶粒、粉煤灰、浮石的微粒混凝土的彈性模量有所降低，其中浮石的效果最為明顯。

本試驗通過對 25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃ 等 8 種不同溫度下的微粒混凝土試樣進行測試，探討了高溫作用下微粒混凝土彈性模量和抗壓強度的變化規律，并與普通混凝土進行對比，為微粒混凝土的研究提供一定的參考。

1 試驗方案介紹

1.1 微粒混凝土的制作

微粒混凝土是由水泥、粗細骨料和水按照一定比例配制而成的混合物。它以 2.5～5mm 的碎石作為粗骨料，小于 2.5mm 的砂礫作為細骨料。由于骨料粒徑發生了變化，混凝土的力學性能也會發生相應的變化。在進行微粒混凝土配合比設計時，應先考慮試樣的受力方式和受力特點。本試驗主要研究用來表征 C30 混凝土的微粒混凝土在高溫條件下的彈性模量和抗壓強度的變化規律，因此設計配合比時應主要考慮微粒混凝土的抗壓強度和同強度等級原型混凝土相同。基于已有研究經驗，設計四種不同配合比（如表 1）測試其在標準養護條件下養護 28 天的立方體抗壓強度，并與 C30 混凝土進行比較，每組配合比制作三個尺寸為150mm×150mm×150mm 的立方體試樣。

水泥采用海螺牌 P·O32.5 R 普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用舟山碎石，細骨料采用 ISO 標準砂，細度模數為 2.74，骨料級配見表 2。試樣攪拌均勻后放置在振動鋼平臺上振搗。24 小時后脫模，放入溫度 20℃、濕度98% 的標準養護室養護。養護 28 天后進行立方體抗壓強度測試，四組配合比的微粒混凝土的立方體抗壓強度值見表 1。試驗結果表明：第 1 組配合比制作而成的微粒混凝土的立方體抗壓強度和 C30 混凝土相似，符合本試驗預期要求。因此選用第 1 組配合比作為本試驗的微粒混凝土配合比。

表 1 四種不同微粒混凝土配合比及其立方體抗壓強度值

表 2 骨料連續級配表

1.2 試驗方案

微粒混凝土的抗壓強度試驗采用 YAW 微機控制液壓壓力試驗機。試驗開始前，先將尺寸為150mm×150mm×150mm 的微粒混凝土試樣放置在溫控箱中加熱，溫控箱采用德國 Willi-Memmert GmbH 設備，最高加熱溫度可達 700℃。當加熱到指定溫度后，維持該溫度 6 個小時，確保微粒混凝土試塊溫度場均勻，模擬完全燒透狀態。取出加熱后的試塊，將其放置于壓力試驗機上，將試塊與空氣接觸部分用石棉完全包裹，減少加載過程中試塊表面溫度的耗散（如圖 1）。通過適當調整，保證試樣對中放置。緩慢加載，直至試樣壓裂破壞，由試驗機直接讀出試樣破壞時的極限壓應力，計算得到微粒混凝土的立方體抗壓強度。

2 試驗現象及分析

2.1 試驗宏觀現象

在 25～200℃ 范圍內進行加熱試驗，微粒混凝土加熱且恒溫 6 小時后，試塊表面顏色同常溫，沒有出現明顯的裂縫、掉角、表皮脫落等現象。溫度高于 150℃后，試塊取出后能明顯看到表面冒出水蒸氣并伴有爆裂聲。

試塊的破壞形式也隨溫度升高有所不同。圖 2 為不同溫度作用后加載至破壞的試塊的對比圖。從圖中可以看到：加熱溫度為 100℃ 以下的試塊受壓破壞現象多為貫穿試塊的斜裂縫，邊角雖然較為完整，但表皮脫落現象嚴重；當溫度范圍在100～200℃ 之間時，能明顯看到試塊中部出現豎向裂縫，且伴有眾多微小裂縫，但試塊邊角較為完整。這與時旭東等人[6]得到的普通混凝土在 200℃ 以內的高溫破壞形式相類似。

圖 1 YAW 微機控制液壓壓力試驗機加載試驗過程

圖 2 不同溫度下試塊加載破壞情況

2.2 高溫失重率分析

不同溫度下微粒混凝土的高溫失重率（△m/m0）見表 3。其中△m 為加熱后微粒混凝土試塊損失的重量，m0為常溫下試塊的重量。從圖 3 可以看出在 200℃ 范圍內，作用溫度對微粒混凝土的高溫失重率影響較為明顯，隨溫度升高混凝土的失重率將明顯上升。時旭東[6]給出了普通混凝土在升溫至 500℃ 的過程中失重率的變化情況（如圖 4）。對比其在 100～200℃ 范圍內失重率的數據可以發現，該數據為一條近似直線，而本試驗的曲線斜率越來越大。反映出微粒混凝土的高溫失重率隨溫度升高增加得越來越快。當升高至同一溫度時，對比普通混凝土，微粒混凝土因高溫而導致的水分損耗更多。本試驗中的微粒混凝土的高溫失重率是文獻 [6] 普通混凝土失重率的 3 倍，說明了混凝土的骨料粒徑對于高溫失重率有著較為明顯的影響：骨料粒徑越小，混凝土升溫后的失重率越大，損耗的水分越多。

表 3 不同溫度微粒混凝土高溫失重率平均值

2.3 試驗微觀現象

本試驗采用了 SEM 掃描電鏡對不同溫度作用后的微粒混凝土進行了微觀分析。分別從 8 組不同溫度作用后的微粒混凝土試塊中切取鱗片狀混凝土片進行 SEM試驗，圖 5、圖 6 分別為放大×2000 倍 25℃ 與 200℃下的微觀掃面結果。

圖 3 本試驗微粒混凝土高溫失重率

圖 4 文獻 [6] 給出的高溫失重率

圖 5 25℃ 作用后 SEM 結果

圖 6 200℃ 作用后 SEM 結果

對比不同溫度下的電鏡掃描圖可以看到：常溫下微粒混凝土試塊中的孔洞較少，這些孔洞是前期制作時振搗的不均勻以及養護過程中混凝土中的游離態水分蒸發而導致的。對比常溫下的微粒混凝土，200℃ 作用后的SEM 結果中孔洞數量越來越多，且分布得更加密集。其可能原因是混凝土內部的游離態的水以及部分結晶水隨著溫度升高開始耗散，由于水蒸汽的溢出導致了許多新的孔洞的形成，進一步降低了微粒混凝土的高溫性能。

3 試驗結果及分析

3.1 高溫下抗壓強度變化規律

表 4 給出在 25～200℃ 范圍內 8 個不同溫度下微粒混凝土的立方體抗壓強度的平均值。從圖 7 中可以看到，抗壓強度在 25～100℃ 之間呈線性下降趨勢，在100～150℃ 之間強度有明顯的回升現象。超過 150℃后強度又開始明顯下降。微粒混凝土的抗壓強度隨著溫度變化的規律與普通混凝土[6]在該溫度范圍內的變化趨勢較為相似，都在 125～150℃ 范圍內有所回升，因為在該溫度范圍內，之前未水化的水泥顆粒的水化反應達到峰值，促使試件內部結構變得致密，有助于強度的提高。當溫度達到 150℃ 附近時，水泥膠凝材料中的結合水脫出，加強了骨料和水泥膠凝材料間的咬合作用，也有利于強度的提高。

表 4 不同溫度微粒混凝土的抗壓強度平均值

圖 7 微粒混凝土抗壓強度隨溫度變化曲線

3.2 高溫下彈性模量變化規律

本試驗基于 Buckingham π 定理，采用量綱分析法進行微粒混凝土相似關系設計。質量系統作為基本量綱：骨料尺寸相似常數 CL=1/4、質量密度相似常數Cρ=1、彈性模量相似常數 CE=1/4。表 5 為 8 組不同溫度條件下微粒混凝土彈模平均值。由表 5 可得：微粒混凝土的彈性模量符合相似關系要求。圖 8 為彈性模量與溫度的變化曲線圖，其中實線為實測值，虛線為擬合曲線。由圖可得，溫度范圍在 200℃ 內，微粒混凝土與普通混凝土類似，彈性模量隨著溫度升高，總體來說呈現下降的趨勢。其中，彈性模量在 25～50℃ 以及 150～200℃ 下降較為明顯，降幅分別達到了 9.4%和 10.3%。對照表格數據可以看到，溫度在 125℃ 附近時，彈性模量重新呈上升趨勢，當溫度達到 150℃ 附近，彈性模量的值達到了峰值點。

參考文獻 [7] 中對普通混凝土彈模隨著溫度變化的擬合曲線的計算方法。現將本試驗中彈模隨溫度變化的關系擬合為式 (1)：

式中：ET——不同溫度條件下微粒混凝土的彈性模量；

E——常溫時（25℃）微粒混凝土的彈性模量。

將本試驗的彈性模量變化擬合曲線與文獻 [4]、[7]中的擬合曲線進行對比，如圖 9 所示，由圖可見該曲線與文獻 [7] 中普通混凝土 40% 峰值應力處的割線模量隨溫度變化的擬合曲線斜率相近，說明了微粒混凝土的彈性模量隨溫度變化的規律與普通混凝土相似。

表 5 不同溫度微粒混凝土的彈性模量平均值

圖 8 不同溫度微粒混凝土的彈性模量

圖 9 彈性模量隨溫度變化擬合曲線對比圖

4 結論

本試驗的主要結論如下：

（1）高溫作用后，微粒混凝土的加載破壞形式隨著溫度升高有所不同：100℃ 以下破壞形式為貫穿試塊的斜裂縫，超過 100℃ 時試塊中部出現較大裂縫，該破壞形式與普通混凝土相似。

（2）骨料粒徑越小，混凝土升溫后的失重率越大，損耗的水分越多。25～200℃ 范圍內微粒混凝土的高溫失重率是普通混凝土的 3 倍。

（3）微粒混凝土的立方體抗壓強度隨溫度升高總體呈現下降趨勢，但在 100～150℃ 之間強度有明顯的回升現象，與普通混凝土抗壓強度隨溫度變化的規律較為類似。

（4）溫度范圍在 200℃ 以內，微粒混凝土的彈性模量隨溫度的變化規律與普通混凝土相似，總體呈現下降趨勢，且當溫度達到 125℃ 附近，彈模有回升趨勢。