高溫對高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響機(jī)理研究

周南南

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

高強(qiáng)高性能混凝土是通過采用低水膠比、優(yōu)質(zhì)原材料、摻入適量的摻合料并搭配高效外加劑配制成的一種混凝土，具有結(jié)構(gòu)致密、高工作性、高耐久性和高體積穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此常被用于高層建筑和大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中。致密的微觀結(jié)構(gòu)決定了高強(qiáng)高性能混凝土具有良好的物理力學(xué)性能，然而在高溫條件下卻變成一種缺點(diǎn)引起高溫爆裂的負(fù)面效應(yīng)[1]。近年來，隨著行業(yè)對建筑火災(zāi)重視程度的提高，高溫條件下混凝土的力學(xué)性能劣化問題得到極大的關(guān)注[2-5]，但鑒于高溫條件下混凝土性能劣化的復(fù)雜性，目前對其機(jī)理的研究尚不夠明確。

本文研究了不同高溫條件對高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并對經(jīng)歷高溫后水泥漿體和骨料的物相變化和熱穩(wěn)定性等微觀性能進(jìn)行測試。基于試驗(yàn)結(jié)果，針對性分析了高溫條件對高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理，為高強(qiáng)高性能混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5；礦粉：上海寶田新型建材有限公司，S95級；粉煤灰：婁城F 類Ⅱ級；硅灰：埃肯國際貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)；細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.3；粗骨料：5～20 mm 連續(xù)級配花崗巖碎石和5～16 mm 連續(xù)級配玄武巖碎石；減水劑：綜合型高性能聚羧酸減水劑（偏緩凝型），減水率26%，含固量19.8%。膠凝材料和碎石的主要技術(shù)性能分別見表1～表5。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 礦粉的主要技術(shù)性能

表3 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表4 硅灰的主要技術(shù)性能

表5 碎石的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

以常規(guī)C80 混凝土配合比為基準(zhǔn)，分別采用花崗巖和玄武巖2種碎石成型混凝土試塊，具體配合比見表6。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，將試塊取出并在105 ℃下烘干24 h，把烘干的試塊放入高溫爐以5 ℃/min 的升溫速率加熱至相應(yīng)溫度并持續(xù)一定時(shí)間，待試塊自然冷卻至室溫后，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。試驗(yàn)結(jié)束后，剔除混凝土中的粗骨料，將骨料和剩余的水泥漿體分別粉磨成粉末進(jìn)行后續(xù)微觀測試。

表6 C80 基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同高溫條件對高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

高強(qiáng)高性能混凝土分別在105 ℃下持續(xù)24 h、300 ℃高溫下持續(xù)40 h、500 ℃高溫下持續(xù)40 h 和800 ℃高溫下持續(xù)15 min 后的抗壓強(qiáng)度見表7。

表7 不同高溫條件下高強(qiáng)高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表7 可知，無論是花崗巖碎石還是玄武巖碎石混凝土，在300 ℃高溫下持續(xù)40 h 后，其抗壓強(qiáng)度與105 ℃烘干強(qiáng)度相比均明顯提高，提高了31.6%～42.2%。表明該溫度下水化產(chǎn)物并未發(fā)生嚴(yán)重的破壞，反而可能在高溫條件下促進(jìn)了水泥水化以及摻合料的火山灰反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度得到提高。在500 ℃高溫下持續(xù)40 h 后，混凝土強(qiáng)度與105 ℃烘干強(qiáng)度相比基本沒有損失，反而使用花崗巖碎石的組別還有較明顯的提高。在800 ℃高溫下持續(xù)15 min 后，混凝土的抗壓強(qiáng)度與105 ℃烘干強(qiáng)度相比明顯降低，下降幅度達(dá)30.5%～35.9%，可能是因?yàn)樵摳邷貤l件下漿體中水化產(chǎn)物大量分解造成的[6-8]。

2.2 高溫條件對高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理研究

2.2.1 高溫條件下水泥漿體劣化機(jī)理

不同高溫條件下水泥漿體的XRD 圖譜見圖1。

圖1 不同高溫條件下水泥漿體的XRD 圖譜

從圖1 可以看出，105 ℃高溫時(shí)，水泥漿體的主要物相除了未水化水泥顆粒中所含的C3S、C4AF 外，大部分為水化產(chǎn)物Ca（OH）2；300 ℃高溫時(shí)，水泥漿體的特征峰峰位及峰強(qiáng)未出現(xiàn)顯著的變化；500 ℃高溫時(shí)，水泥漿體Ca（OH）2的特征峰峰強(qiáng)減弱且2θ 為33.2°處出現(xiàn)C3A 特征峰；800 ℃高溫時(shí)，C3A和C3S 的特征峰強(qiáng)度與500 ℃時(shí)相比進(jìn)一步提高。結(jié)果表明，300 ℃高溫時(shí)水泥漿體水化產(chǎn)物的失水或分解并不嚴(yán)重；500℃高溫時(shí)，Ca（OH）2開始分解且水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物開始陸續(xù)失水分解；當(dāng)溫度升高到800 ℃時(shí)，水泥漿體水化產(chǎn)物的分解加劇[9-10]。

不同高溫條件下水泥漿體的熱分析曲線見圖2。

圖2 不同高溫條件下水泥漿體的熱分析曲線

從圖2 可以看出，水泥漿體在300 ℃時(shí)并未出現(xiàn)顯著的吸熱峰，450 ℃左右時(shí)出現(xiàn)了尖銳的Ca（OH）2分解吸熱峰，800℃時(shí)水泥漿體出現(xiàn)較為微弱的吸熱峰，可能是由于水泥將體中摻合料的摻入有效降低了Ca（OH）2的含量，相應(yīng)減少了高溫下Ca（OH）2分解[11-12]。熱分析結(jié)果與XRD 分析結(jié)果基本一致。

2.2.2 高溫條件下骨料劣化機(jī)理

不同高溫條件下骨料的XRD 圖譜見圖3，熱分析曲線見圖4。

從圖3 和圖4 可知，當(dāng)溫度從105 ℃升高到800 ℃時(shí)，花崗巖碎石、玄武巖碎石和河砂中主要礦物的峰形和峰強(qiáng)均未發(fā)生顯著變化，且它們的質(zhì)量損失極小，可能是礦相中結(jié)晶水的損失和少量碳酸鹽的分解。花崗巖碎石、玄武巖碎石和河砂的DSC 曲線在573 ℃時(shí)有1 個(gè)吸熱峰，該吸熱峰為SiO2的晶型轉(zhuǎn)變，由β-SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiO2[13-14]，XRD 分析也證明上述骨料中有石英的存在。結(jié)果表明，幾種骨料均未在800 ℃以下高溫時(shí)發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，具有較強(qiáng)的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。

圖3 不同高溫條件下骨料的XRD 圖譜

圖4 不同高溫條件下骨料的熱分析曲線

2.2.3 高溫條件對高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，高溫條件下混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化主要取決于水泥漿體性能的劣化。與105 ℃烘干強(qiáng)度相比，300 ℃高溫條件下高強(qiáng)高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的提高。可能是由于混凝土水泥漿體毛細(xì)孔中殘存的自由水和水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠層間吸附水蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為水蒸氣，在結(jié)構(gòu)致密、毛細(xì)孔曲折度較大的高強(qiáng)高性能混凝土內(nèi)部形成了蒸氣壓[15-17]，但蒸氣壓小于高強(qiáng)高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度，使得水蒸氣不能充分逃逸，從而使整個(gè)混凝土試件內(nèi)部處于蒸養(yǎng)狀態(tài)，促進(jìn)了水泥顆粒的水化及摻合料的火山灰反應(yīng)。與300℃高溫條件下抗壓強(qiáng)度相比，500 ℃高溫條件下高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。可能是因?yàn)榛炷了酀{體中的水化產(chǎn)物Ca（OH）2分解，C-S-H 凝膠開始分解失去化學(xué)結(jié)合水，水泥漿體中大塊的水化產(chǎn)物凝膠減少造成的。分解產(chǎn)生的自由水繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵猓瑑?nèi)部蒸氣壓升高，水化產(chǎn)物分解過程中伴隨的水泥漿體積收縮和骨料在高溫條件下的受熱膨脹一定程度上加速了裂縫的擴(kuò)展，使混凝土表面出現(xiàn)了肉眼可見的宏觀微裂縫。與105 ℃烘干強(qiáng)度相比，800 ℃高溫條件下高強(qiáng)高性能混凝土力學(xué)性能明顯劣化。可能是由于混凝土水泥漿體中的水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠劇烈分解，幾乎完全失去結(jié)合水，大量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膠結(jié)能力的C2S，骨料中部分組分出現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致體積膨脹（如β-SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiO2，體積膨脹0.82%）也加劇了混凝土的劣化，宏觀表現(xiàn)為高強(qiáng)高性能混凝土中的水泥漿酥松多孔，裂紋縱橫交錯(cuò)。

3 結(jié)論

（1）高溫條件下高強(qiáng)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化主要取決于水泥漿體性能的劣化。

（2）300 ℃高溫條件下，高強(qiáng)高性能混凝土內(nèi)部主要發(fā)生脫水反應(yīng)，形成高溫蒸養(yǎng)環(huán)境，使得混凝土致密性提高，抗壓強(qiáng)度較105 ℃烘干強(qiáng)度明顯提高。

（3）500 ℃高溫條件下，水泥漿體中的水化產(chǎn)物Ca（OH）2分解，C-S-H 凝膠也開始分解失去化學(xué)結(jié)合水，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)微裂縫，抗壓強(qiáng)度與300 ℃高溫條件下相比出現(xiàn)下降趨勢。

（4）800 ℃高溫條件下，混凝土中的水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠劇烈分解，骨料中部分組分出現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致體積膨脹，導(dǎo)致混凝土表面微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，抗壓強(qiáng)度較105 ℃烘干強(qiáng)度明顯降低。