高溫對C40高性能混凝土物理力學性能的影響

高 鈾

（中核混凝土股份有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

混凝土作為土木工程領域應用最廣泛的材料，其在極端工作環境下的物理力學性能受到建筑材料研究學者們的關注[1]。目前，隨著我國城鎮化的發展，高層建筑和超高層建筑得到大量修建，當出現火災時，高溫作用對混凝土的物理力學性質產生不可逆的變化，例如混凝土體積膨脹、微裂縫擴張、骨料熱分解以及抗壓強度降低等，導致混凝土的高溫爆裂和力學性質劣化，形成建筑物的破損和坍塌[2]。與傳統的混凝土相比，高性能混凝土由于其具有高工作性能、高強度、耐高溫、耐鹽堿和體積穩定性強等優點，在高層建筑、超高層建筑和大體積大空間建筑中得到應用，因此研究高性能混凝土在高溫火災等極端環境下的物理力學性能及微觀結構的演變規律，對建筑物高性能混凝土材料配比設計以及建筑物災后修復重建都具有十分重要的意義[3]。

1 C40高性能混凝土的基本物理力學性質

目前，應用較為廣泛的高性能混凝土的強度等級主要集中在C20～C50。C40高性能混凝土作為修建高層建筑和超高層建筑主體結構的常用強度等級，研究其在高溫作用下的物理力學性質具有代表意義[4]。為此，選取P.042.5普通硅酸鹽水泥、河砂、自來水、石灰巖粗骨料、S95級礦渣和II級粉煤灰等材料制作C40高性能混凝土。

其中P.042.5普通硅酸鹽水泥的SiO2含量占比20.7%，CaO含量占比64.0%，MgO含量占比1.82%、Fe2O3含量占比4.41%、NaO含量占比0.2%、K2O含量占比1.2%。比表面積為350 m2/kg，3d抗壓強度為17.5 MPa，28d抗壓強度為43.5 MPa，3d抗折強度為3.6 MPa，28d抗折強度為6.7 MPa。

河砂的集配良好，在室內試驗中進行3次篩分，其篩分結果見表1。計算3次篩分的細度模數和細度模數平均值如公式（1）～公式（4）所示，得到第一次篩分的細度模數M1為2.76，第二次細度模數M2為2.86，第三次細度模數M3為2.76，平均細度模數M為2.79。

表1 C40高性能混凝土河砂材料篩分結果

經過計算和試配后，確定C40高性能混凝土的水膠比為0.35，含砂率為0.38，每立方米配合比為水泥300 kg，水100 kg，石子1110 kg，砂子680 kg，礦粉80 kg，粉煤灰60 kg，減水劑為18.57 kg。

制作C40高性能混凝土試塊進行物理力學性能試驗，試驗塊體共有5種，尺寸分別為100mm×100mm×400mm（試塊A）、150mm×150mm×300mm（試塊B）、200mm×200mm×30mm（試塊C）、100mm×100mm×100mm（試塊D）和150mm×150mm×150mm（試塊E），每種試塊共有3組，分別測試其表觀密度取平均值，結果如圖1所示。試驗結果表明，C40高性能混凝土試塊的平均表觀密度為2422.6 kg/m3。

圖1 C40高性能混凝土的表觀密度

分別制作3組試塊D和試塊E來進行立方體抗壓強度試驗、軸心抗壓強度試驗以及混凝土彈性模量試驗，立方體抗壓強度試驗和軸心抗壓強度均采用SK-3000性壓力機進行壓力測試，壓力加載速度控制在0.5 MPa/s～0.8 MPa/s，彈性模量采用TM彈性模量測定儀進行測量，結果如圖2所示。試驗表明，3組試件的立方體抗壓強度試驗、軸心抗壓強度試驗以及混凝土彈性模量的試驗值均變化不大，表明試驗制作的均一性較好，具有較好的物理力學性能保證率，試塊E的立方體抗壓強度平均值為62.3MPa，試塊D的立方體抗壓強度平均值為68.4MPa，軸心抗壓強度平均值為50.5MPa，彈性模量平均值為38.4GPa。

圖2 C40高性能混凝土的力學性質指標

2 高溫作用下C40高性能混凝土的熱物理力學性能變化規律

為了研究高溫作用下C40高性能混凝土的熱物理力學性能，選取C40的物理指標（導熱系數、表觀密度）和力學指標（立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量）進行考察[5-6]，具體步驟為將C40高性能混凝土試塊在高溫烘爐內加熱，加熱等級分別為20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃，每個等級維持恒定的時間長度，同時為了更好地研究溫度恒定時間對C40高性能混凝土物理力學性質的影響，將恒定時間設定了3個等級，分別為恒定時長2h、恒定時長2.5h和恒定時長3.0h。

圖3為C40高性能混凝土的表觀密度隨著時間的變化曲線關系。從圖3中可以看出，所有表觀密度曲線均表現出整體波動性，當溫度小于300℃時，C40高性能混凝土的表觀密度隨著溫度的升高呈現先降低后增加的趨勢，當溫度大于300℃時，C40高性能混凝土的表觀密度整體表現為非線性減少的趨勢。恒定溫度時長對C40高性能混凝土的表觀密度具有明顯的影響，每級烘烤溫度恒定時長越大，C40高性能混凝土的表觀密度越低。

圖3 C40高性能混凝土的表觀密度隨溫度的變化

圖4為C40高性能混凝土的導熱系數隨著時間的變化曲線關系[7]。從圖4中可以看出，同表觀密度與溫度的相互關系類似，所有導熱系數曲線均表現出整體波動性，當溫度小于300℃時，C40高性能混凝土的導熱系數隨著溫度的升高呈現先降低后增加的趨勢，而在溫度大于300℃后，C40高性能混凝土的導熱系數整體表現為非線性減少的趨勢。恒定溫度時長對C40高性能混凝土的導熱系數當溫度小于300℃時影響不明顯，而在溫度大于300℃后，恒定溫度對C40高性能混凝土的導熱系數具有明顯的影響，每級烘烤溫度恒定時長越大，C40高性能混凝土的導熱系數越低。

圖4 C40高性能混凝土的導熱系數隨溫度的變化

圖5為C40高性能混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量隨著時間的變化曲線關系。從圖5中可以看出，隨著溫度的增加，C40高性能混凝土的立方體抗壓強度呈近線形降低，從66.06 MPa（20℃）下降為32.90 MPa（700℃），下降幅度達到50.2%；軸心抗壓強度雖然呈下降趨勢，但卻有兩段明顯不同的下降速率，當溫度小于500℃時，C40高性能混凝土的軸心抗壓強度的下降速率較小，而溫度大于500℃后，C40高性能混凝土的軸心抗壓強度快速下降，從49.94 MPa（20℃）降至26.05 MPa（700℃），下降幅度達到42.0%；C40高性能混凝土的彈性模量隨溫度的變化呈現先近線性下降，后逐漸放緩的趨勢，從圖5中可以看出，當溫度小于400℃時，彈性模量從39.6GPa（20℃）降至21.2GPa（400℃），下降幅度達到46.5%，而溫度大于400℃后，彈性模量從21.2GPa（400℃）降至19.3GPa（700℃），下降幅度達到8.9%。

圖5 C40高性能混凝土的強度指標隨溫度的變化

3 高溫作用下C40高性能混凝土的微觀結構演化特征

為了研究高溫作用下C40高性能混凝土的微觀結構演化特征，選取孔徑分布參數作為研究對象，通過CT掃描儀掃描高溫氣氛爐對試件的加熱過程，分析不同溫度作用下C40高性能混凝土試塊內部的微觀孔徑分布演變過程[8]，結果如圖6所示。從圖中可以看出，當溫度為200℃時，C40高性能混凝土的孔徑分布出現一個峰值，主導孔徑（概率出現最大孔徑）大小約為50 nm，當溫度升高到400℃時，孔徑分布仍然有一個明顯峰值，而大孔隙孔徑概率有所萌發，當溫度升至600℃時，混凝土內部的孔徑分布明顯出現多峰值，且峰值大小進一步提高，表明在溫度作用下混凝土內部的受熱，微裂縫逐步擴展，當溫度升至800℃時，孔徑分布峰值最大且出現多峰值，內部大于50 nm的有害孔徑明顯增多，表明混凝土的圍觀結構出現了不可逆的改變。

圖6 C40高性能混凝土孔徑隨溫度的變化

4 結論

該文基于室內試驗方法制作了C40高性能混凝土試塊，在研究常溫狀態下基本物理力學性質的基礎上，分析試塊在不同溫度等級條件下的物理力學變化過程以及微觀結構的演變規律，得到以下4個結論：1）在常溫狀態下，C40高性能混凝土試塊的平均表觀密度為2422.6 kg/m3，150 mm試塊的立方體抗壓強度平均值為62.3 MPa，100 mm試塊的立方體抗壓強度平均值為68.4 MPa，軸心抗壓強度平均值為50.5 MPa，彈性模量平均值為38.4GPa。2）在溫度小于300℃時，C40高性能混凝土的表觀密度隨著溫度的升高呈現先降低后增加的趨勢，而在溫度大于300℃后，C40高性能混凝土的表觀密度整體表現為非線性減少的趨勢。恒定溫度時長對C40高性能混凝土的表觀密度具有明顯的影響，每級烘烤溫度恒定時長越大，C40高性能混凝土的表觀密度越低。C40高性能混凝土的導熱系數表現出了類似的變化規律。3）C40高性能混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度均隨溫度的增加而不斷降低，C40高性能混凝土的彈性模量隨溫度的變化呈現先近線性下降然后逐漸放緩的趨勢。4）隨著溫度的升高，混凝土受熱導致內部的微觀孔徑不斷擴張且孔徑分布出現多峰值，當溫度大于800℃時，內部大于50 nm的有害孔徑明顯增多，表明混凝土的微觀結構出現了不可逆的改變。