高溫環境下耐熱混凝土的劣化規律研究

黃 誠 張學陽 茍余江

（四川華西綠舍建材有限公司）

0 引言

隨著我國城市現代化建設的快速發展，建筑防火變得尤為重要。當火災發生時，建筑物長時間暴露在高溫環境中，材料性能劣化速度快，程度深，結構物損傷嚴重，承載能力急劇下降，甚至導致建筑坍塌，造成重大財產損失和人員傷亡。耐熱混凝土便孕育而生。

耐熱混凝土是指在200～900℃高溫長期作用下，混凝土不被破壞，承載性能較好，體積變化小的一種混凝土[1]。國內外學者研究認為，混凝土受熱破壞主要與材料的熱膨脹性質及混凝土內部連通孔隙有關[2-4]，因此，楊雪寧[5]等采用摻納米硅粉和摻粉煤灰來改善混凝土內部的微結構，提高其耐熱性能，實驗結果表明摻納米硅粉比產粉煤灰更能提高混凝土的耐高溫性能。周春利[6]采用高鈦礦渣作為骨料制備耐熱混凝土，成功開發出了C30 耐熱500℃的混凝土，并加強了固廢的利用。馬超[7]研究了聚酯纖維對混凝土耐熱性能的影響，研究認為：高溫下纖維熔化形成孔隙有利于水分散發，減少混凝土內部缺陷的產生，且纖維的最佳摻量為2㎏/m3。Antonovich[8]認為在混凝土摻入復合外加劑可以顯著提高混凝土的耐熱度。

國內外學者從膠凝材料、骨料、纖維、外加劑等幾個方面入手，試圖降低不同材料熱膨脹性能差異，改善連通孔隙，阻礙裂紋擴展等幾點改善混凝土的耐熱性能[9-10]。然而，對于不同材料對混凝土耐熱性提高的極限，鮮有討論，此外，在雙碳背景下，滿足所需性能，合理使用原材料，降低碳排放，是混凝土材料可持續發展的關鍵之路。因此，本文探究不同溫度下，砂率、粉煤灰、礦粉等參數變化對混凝土耐熱性能的影響規律，以期對耐熱混凝土的應用提供技術指導。

1 實驗部分

1.1 原材料

硅酸鹽水泥：四川蘭豐水泥有限公司生產的PO42.5 水泥，其具體技術指標見表1。成都搏磊資源循環開發有限公司生產的Ⅰ級磨細粉煤灰，其主要性能指標見表2。四川雙實建筑新材料有限公司生產的S95 級礦粉，其性能指標見表3。機制砂：細度模數2.8。石灰石碎石：5～25mm 連續級配，堆積密度1700㎏/m3，表觀密度2450㎏/m3。外加劑：聚羧酸減水劑。

表1 水泥的性能指標

表2 粉煤灰的主要性能指標

表3 礦粉的主要性能指標

1.2 實驗內容及方法

混凝土的配合比設計如表4 所示，研究不同砂率（40%、43%、46%、49%）、不同粉煤灰摻量（10%、20%、30%）以及不同礦粉用量（10%、20%、30%）對混凝土耐熱性能的影響。其中，混凝土的力學性能根據GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中規定的方法測試，耐熱性能則按照YB/T5252-2011《耐熱混凝土應用技術規程》進行，將尺寸為100mm×100mm×100mm 的試件養護28d 之后，在105℃烘箱內烘干，而后置于高溫爐中，按3℃/min 的升溫速率均勻升溫至設定溫度，恒溫3h后，自然冷卻至室溫，再測試其殘余強度、線變化率。

表4 混凝土配合比 （㎏/m3）

2 實驗結果與分析

2.1 砂率對混凝土耐熱性能的影響

2.1.1 不同砂率混凝土高溫后強度變化規律

砂率對混凝土耐熱強度的影響變化規律如圖1 所示，隨著溫度的升高，混凝土的殘余強度先增加后降低（如圖1a 所示），這是由于在300℃以前，溫度的升高加快了水泥水化反應，提高了其抗壓強度，而在300℃以后，由于不同材料的熱膨脹系數不同以及水化產物脫水等諸多原因，導致混凝土內部產生應力和微裂紋，抗壓強度下降。另外，不同高溫作用后，混凝土的殘余強度隨著砂率變化基本出現先降低后增加，這是由于當砂率過大或過小的情況下，混凝土內部孔隙率較高，孔隙率會吸收部分高溫應力，降低混凝土出現微裂紋的趨勢，在高溫作用后表現較高的殘余強度。

不同砂率混凝土高溫后的強度變化率如圖1b 所示，隨著溫度的升高，強度變化率現增大后降低，在300℃時，NR-1（砂率40%）、NR-2（砂率43%）的強度變化率達到115%以上，且NR-2 在20℃～600℃范圍內強度變化率較好，結合混凝土的工作性能，選用NR-2 混凝土的配合比作為基準混凝土配合比。

圖1 不同砂率混凝土高溫后的強度變化規律

2.1.2 不同砂率混凝土高溫后線變化率

砂率對混凝土高溫后線變化率的影響規律如圖2所示，隨著溫度的升高，混凝土的線變化率先減小后增大。這是由于在105℃烘干過程中，混凝土中毛細孔水遷移導致混凝土收縮，而在105℃之后，隨著溫度的升高，混凝土內部各組成熱膨脹系數不同，以膨脹為主，導致混凝土線變化率逐漸增大。在600℃時，混凝土線變化率大小為NR-4＞NR-3＞NR-1＞NR-2，表明當砂率為43%時，混凝土內部較密實，線變化率較小。

圖2 不同砂率混凝土高溫后的線變化率

2.1.3 不同砂率混凝土高溫后外觀變化

不同砂率混凝土經過600℃高溫后的外觀如圖3所示，結果表明，在600℃高溫作用后，NR-1（砂率為40%）、NR-2（砂率為43%）、NR-3（砂率為46%）、NR-4（砂率為49%）混凝土表面都出現了裂紋，說明砂率變化對混凝土耐熱性能影響不大，且難以抵抗600℃高溫。因此，以600℃作為實驗設置的最高耐熱溫度進行實驗。

圖3 600℃高溫后混凝土外觀

2.2 粉煤灰對混凝土耐熱性能的影響

2.2.1 摻粉煤灰混凝土高溫后強度變化規律

不同粉煤灰摻量下混凝土在高溫后的殘余強度變化趨勢如圖4a 所示，隨著溫度的增加，混凝土高溫后的殘余強度呈現先增加后降低的趨勢。在300℃以前，NR-2（基準）、NR-5（粉煤灰摻量為10%）、NR-6（粉煤灰摻量為20%）混凝土高溫后的殘余強度較高，而在400℃以后，NR-2、NR-5、NR-6 的混凝土強度有所降低，而NR-7（粉煤灰摻量為30%）混凝土較28d 強度略有增長。

不同粉煤灰摻量下混凝土在高溫后的強度變化率如圖4b 所示，摻粉煤灰的混凝土NR-5、NR-6、NR-7 的強度增長率均大于NR-2，結果表明，摻粉煤灰的混凝土耐熱性能較優。并且在20℃～600℃溫度范圍內，粉煤灰摻量為30%的混凝土強度變化率較好，特別是在300℃之后，強度變化率下降較慢，耐熱性能好。因此，結合經濟性考慮，推薦粉煤灰摻量30%。

圖4 不同粉煤灰摻量混凝土高溫后的強度變化規律

2.2.2 摻粉煤灰混凝土高溫后線變化率

不同粉煤灰摻量對混凝土高溫后的線變化率影響規律如圖5 所示，隨著溫度的升高，混凝土的線變化率先減小后增大，變化規律與圖2 相似。在105℃烘干后，隨著粉煤灰用量的增大，混凝土的線變化率逐漸減小，這是由于粉煤灰的摻入，降低了混凝土毛細孔的連通性，阻礙了水分的遷移，降低了混凝土的收縮。在600℃后，隨著粉煤灰用量的增加，混凝土的線變化率逐漸減小，這說明粉煤灰的摻入，可以減小混凝土的膨脹，降低混凝土的劣化程度，且當粉煤灰用量為30%時，混凝土高溫后的膨脹率最低。

圖5 不同粉煤灰摻量混凝土高溫后的線變化率

2.2.3 不同粉煤灰摻量混凝土高溫后外觀變化

不同粉煤灰摻量混凝土經過600℃高溫后的外觀如圖6 所示，結果表明，在600℃高溫作用后，NR-2、NR-5、NR-6、NR-7 混凝土表面都出現了裂紋，說明粉煤灰摻量在30%以內，混凝土仍難以抵抗600℃高溫。但當粉煤灰摻量為30%時，混凝土外觀裂紋較小，數量較少，表明粉煤灰的摻入，對混凝土耐熱性能的提高，有一定的作用。

圖6 600℃高溫后摻粉煤灰混凝土外觀

2.3 礦粉對混凝土耐熱性能的影響

2.3.1 摻礦粉混凝土高溫后強度變化規律

不同礦粉摻量下混凝土在高溫后的殘余強度變化趨勢如圖7a 所示，隨著溫度的增加，混凝土高溫后的殘余強度呈現先增加后降低的趨勢。在400℃以前，除NR-2（基準）混凝土殘余強度較高之外，NR-10（礦粉摻量為30%）混凝土高溫后的殘余強度較高，而在400℃以后，NR-9（礦粉摻量20%）混凝土經高溫后的殘余強度較高。結果表明，在400℃之前，摻30%的礦粉對混凝土耐熱性能改善效果較好，而在400℃之后，摻20%的礦粉對混凝土耐熱性能改善效果較好。

不同礦粉摻量下混凝土在高溫后的強度變化率如圖7b 所示，在300℃之前，隨著礦粉摻量增加，混凝土強度變化率逐漸增加，說明礦粉的摻入可以提高混凝土的耐熱性能。在400℃之前，NR-10（礦粉摻量30%）混凝土的強度變化率較好，而在400℃之后，NR-9（礦粉摻量20%）混凝土的強度變化率較好。因此，結合經濟性考慮，推薦在耐熱度低于400℃時，考慮礦粉摻量為30%，而大于400℃時，推薦礦粉摻量20%。

圖7 不同礦粉摻量下混凝土高溫后的強度變化規律

2.3.2 摻礦粉混凝土高溫后線變化率

不同礦粉摻量對混凝土高溫后的線變化率影響規律如圖8 所示，隨著溫度的升高，混凝土的線變化率先減小后增大，變化規律與圖2、圖5 相似。在105℃烘干后，隨著礦粉用量的增大，混凝土的線變化率逐漸減小，這是由于礦粉的摻入，降低了混凝土毛細孔的連通性，阻礙了水分的遷移，降低了混凝土的收縮。然而，在600℃后，隨著礦粉用量的增加，混凝土的線變化率先減小后增加，即當礦粉用量為20%（NR-9）時，混凝土的線變化率最小，這表明，當礦粉用量為20%時，對混凝土耐熱性能改善效果最佳。

圖8 不同礦粉摻量混凝土高溫后的線變化率

2.3.3 不同礦粉摻量混凝土高溫后外觀變化

不同礦粉摻量混凝土經過600℃高溫后的外觀如圖9 所示，結果表明，在600℃高溫作用后，NR-2、NR-8、NR-9、NR-10 混凝土表面都出現了裂紋，說明礦粉摻量在30%以內，混凝土仍難以抵抗600℃高溫，該結果與摻粉煤灰混凝土結果一致。當礦粉摻量為20%時，混凝土外觀裂紋較小，數量較少，表明礦粉摻量為20%時，對混凝土耐熱性能改善效果明顯。

圖9 600℃高溫后摻礦粉混凝土外觀

3 總結

⑴在300℃之前，隨著溫度的升高，混凝土高溫后的殘余強度較28d 逐漸增加，而在300℃之后，混凝土高溫后的殘余強度逐漸降低。

⑵對于粉煤灰摻量而言，當粉煤灰摻量為30%時，強度變化率好，線變化率較少，混凝土表面裂紋小且少，則粉煤灰最佳摻量為30%。

⑶對于礦粉摻量而言，400℃之前，推薦混凝土中礦粉摻量為30%，而400℃之后，推薦混凝土中礦粉摻量為20%。

⑷雖然摻入粉煤灰、礦粉對混凝土的耐熱性能有改善，但混凝土仍難以抵抗600℃高溫。