高性能混凝土高溫力學(xué)及熱變形試驗(yàn)研究

王金歌

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶）

在現(xiàn)代建筑中推廣使用新材料、新工藝，對(duì)提升建筑性能、延長建筑壽命，以及保障建筑在地震、火災(zāi)等特殊情況下的穩(wěn)定性、安全性有積極幫助。高性能混凝土（HPC）是在普通混凝土的基礎(chǔ)上摻入外加劑、聚丙烯纖維等材料，從而顯著改善混凝土的某項(xiàng)或多項(xiàng)性能[1]。例如，摻入高效減水劑可以降低配制混凝土?xí)r水的用量，達(dá)到提高混凝土抗?jié)B性、改善混凝土和易性等效果；摻入聚丙烯纖維，可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，抑制高溫環(huán)境下混凝土的爆裂等[2]。實(shí)踐表明，高溫環(huán)境（如建筑火災(zāi)）下混凝土的力學(xué)性能會(huì)降低，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。相比于普通混凝土，高性能混凝土在高溫環(huán)境下力學(xué)性能和建筑結(jié)構(gòu)的變化較小，對(duì)防止二次破壞、減小負(fù)面損失有一定效果[3]?；诖?，探究高性能混凝土的制備方法和性能特點(diǎn)，對(duì)其推廣應(yīng)用有一定幫助。

1 高性能混凝土的制作

1.1 原材料的配合比

為滿足高性能混凝土高溫力學(xué)和熱變形試驗(yàn)的需要，選擇合適的原材料并按照科學(xué)的配合比制作混凝土，原材料的選用要求如下：

（1） 水泥。本試驗(yàn)選用山東連云山混凝土有限公司生產(chǎn)的水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P.042.5，燒失量1.75%，比表面積346 m2/kg，28 d 抗壓強(qiáng)度45.4 MPa，28 d抗折強(qiáng)度7.2 MPa。

（2） 水。本試驗(yàn)用自來水拌合混凝土，pH 值7.2，氯離子含量0.17 mg/L，不溶物1.71 mg/L。

（3） 骨料。本試驗(yàn)選用石子的粒徑在10～25 mm，含泥量0.42%，表觀密度2 844 kg/m3，針片狀含量2.9%，壓碎指標(biāo)7.1%；本試驗(yàn)選用河砂的粒徑在2～5 mm，細(xì)度模數(shù)2.87，含泥量0.31%，級(jí)配良好。

（4） 礦粉。本試驗(yàn)選用河北潤華邦新材料科技有限公司生產(chǎn)的S105 級(jí)礦粉，含水率0.57%，燒失量1.84%，比表面積580 m2/kg，28 d 活性指標(biāo)126%。

（5） 粉煤灰。本試驗(yàn)所用I 級(jí)粉煤灰來自于大連市熱電廠，燒失量3.61%，細(xì)度8.4 μm，含水率0.57%。

（6） 減水劑。本試驗(yàn)選用聚羧酸液體高效減水劑，摻量在0.3%～1.5%之間，減水率最高可達(dá)30%。

（7） 聚丙烯纖維（PP）。聚丙烯纖維具有預(yù)防高溫爆裂、降低孔隙水壓力等作用，本試驗(yàn)選用的山東騰鑫新材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，密度0.84 g/mm3，長度10～15 mm，直徑20～30 μm，熔點(diǎn)160 ℃。

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)中的規(guī)定進(jìn)行配合比計(jì)算，本試驗(yàn)所用C60 混凝土的物料配合比（質(zhì)量比）見表1。

表1 高性能混凝土的配合比(kg/m3）

1.2 混凝土試件的設(shè)計(jì)

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)中的有關(guān)規(guī)定制作標(biāo)準(zhǔn)試件，同時(shí)在試件中預(yù)埋高溫?zé)犭娕急O(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度，試件類型、尺寸與數(shù)量見表2。

表2 高性能混凝土試件數(shù)量

用于熱變形試驗(yàn)的試件需要放入到高溫電阻爐內(nèi)，因此根據(jù)爐門尺寸400 mm×400 mm×600 mm 定制了390 mm×390 mm×120 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)試件。為了驗(yàn)證高性能混凝土在抵抗熱變形方面的表現(xiàn)，制作了2種類型的試件：一種是未摻入聚丙烯纖維的素混凝土試件，另一種是摻入0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土。

1.3 混凝土試件的成型與養(yǎng)護(hù)

按照上述配合比制作高性能混凝土后，將混凝土澆筑到試模中，經(jīng)振搗、養(yǎng)護(hù)后可以得到高性能混凝土試件。試件的制作流程如下：

步驟1：放料攪拌。按照配合比稱量好各物料后，首先將石子和砂子倒入攪拌機(jī)，攪拌30 s 后再倒入礦粉、粉煤灰與水泥，攪拌90 s。期間均勻的加入聚丙烯纖維，保證全部分散。最后倒入水和減水劑，攪拌120 s 后停止。

步驟2：取出適量混凝土，裝入坍落度桶中測定其坍落度，結(jié)果顯示坍落度為182 mm，符合規(guī)范要求。

步驟3：將符合要求的混凝土全部取出，裝入390 mm×390 mm×120 mm 的木質(zhì)試模中。在距離底部25 mm、50 mm、75 mm 高度處埋置應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)兩端連接細(xì)線，穿過模具小孔，在振搗時(shí)拉緊細(xì)線，避免應(yīng)變計(jì)發(fā)生位移?；炷翝仓戤吅筮M(jìn)行振搗，觀察到表面不再有氣泡逸出后停止。在表面封蓋塑料布防止水分散失。

步驟4：將試件置于20 ℃、90%相對(duì)濕度環(huán)境下靜置24 h 后拆模。將混凝土試件轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d。

2 高性能混凝土高溫力學(xué)與熱變形試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 高性能混凝土的高溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)需要將混凝土試件加熱至800 ℃，出于安全考慮選用了洛陽鼎信高溫科技有限公司生產(chǎn)的箱式高溫電阻爐，最高加熱溫度1 200 ℃，升溫速率0～20 ℃/min 可調(diào)，爐膛尺寸400 mm×400 mm×600 mm。內(nèi)置溫度控制器，可實(shí)時(shí)檢測試件當(dāng)前溫度，并且在達(dá)到設(shè)定溫度后維持當(dāng)前溫度不變?？紤]到混凝土試件在加熱過程中內(nèi)外存在溫度差，而箱式高溫電阻爐的溫度控制器只能獲取試件的表面溫度，因此在制作試件時(shí)需要在試件內(nèi)部預(yù)埋熱電偶，將熱電偶與溫度巡檢儀連接，從而實(shí)時(shí)采集試件內(nèi)部溫度。當(dāng)試件內(nèi)部溫度與表面溫度一致時(shí)，說明試件被加熱到試驗(yàn)所需溫度。將試件加熱到600 ℃時(shí)，大約需要5 h才能讓混凝土試件的內(nèi)外溫度完全一致。在高溫試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉設(shè)備并讓試件自然冷卻至室溫，然后再從爐膛中取出進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證高性能混凝土在高溫下的表現(xiàn)，分別選用素混凝土試件和高性能混凝土試件進(jìn)行了高溫對(duì)照試驗(yàn)。

2.2 高性能混凝土的力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

該試驗(yàn)選用濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)流程遵循《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50081-2019)進(jìn)行。選取素混凝土試件和高性能混凝土試件作為對(duì)照，分別測定兩種試件在20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度，為消除誤差影響，每個(gè)溫度下使用3 塊試樣，將3 次測量結(jié)果取平均值作為混凝土試件的最終抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度（f）的計(jì)算式為：

式中：F 表示試件的破壞荷載，單位為N；A 表示試件的劈裂面積，單位為mm2。同時(shí)還對(duì)比了兩種試件的劈裂抗拉強(qiáng)度損失率，將常溫（20 ℃）下的抗拉強(qiáng)度記為M1，將加熱至Tn（n=100～800）溫度后的抗拉強(qiáng)度記為Mn，則抗拉強(qiáng)度損失率（η）的計(jì)算公式為：

2.2.2 高性能混凝土的彈性模量試驗(yàn)

該試驗(yàn)選用濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，彈性模量試驗(yàn)流程遵循《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50081-2019)進(jìn)行。試件的選擇、實(shí)驗(yàn)溫度的設(shè)置以及結(jié)果處理均與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)一致。試驗(yàn)中需要測量的指標(biāo)有2 個(gè)，其一是試件的軸心抗壓強(qiáng)度，其二是試件的彈性模量。在測量出軸心抗壓強(qiáng)度后，在利用軸心荷載與千分表測量的應(yīng)變值，計(jì)算出試件的彈性模量[4]。計(jì)算公式為：

式中：E 表示混凝土試件的彈性模量，單位為GPa；F1和F2分別表示應(yīng)力為1/3 軸壓強(qiáng)度和0.5 MPa 時(shí)的荷載，單位為N；A 表示試件的承壓面積，單位為mm2；L 表示測量標(biāo)距，單位為mm；Δn 表示試件在受到不同應(yīng)力時(shí)兩側(cè)變形產(chǎn)生的差值，單位為mm。對(duì)比兩種混凝土試件彈性模量的損失率，計(jì)算方法同上。

2.3 高性能混凝土的熱應(yīng)變試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)使用四川葛南儀器有限公司生產(chǎn)的埋入式振弦式應(yīng)變計(jì)，量程為±2 000 με，靈敏度為1 με，長度180 mm，由應(yīng)變傳感器、溫度傳感器組成，可同時(shí)測量應(yīng)變值與溫度值，溫度監(jiān)測范圍為-40 ℃～200℃。在素混凝土和高性能混凝土試件中預(yù)埋3 個(gè)熱應(yīng)變計(jì)，位置如圖1 所示。

圖1 應(yīng)變計(jì)布置位置

熱應(yīng)變試驗(yàn)流程如下：將試件從養(yǎng)護(hù)室取出后晾置24 h，稱量其重量。將試件放入高溫電阻爐內(nèi)，用高溫耐火棉填滿空隙，減少熱量的散失。將應(yīng)變計(jì)接頭與讀數(shù)儀連接，記錄試件在常溫下的應(yīng)變值。試驗(yàn)人員設(shè)定高溫電阻爐的參數(shù)，將目標(biāo)溫度設(shè)為800 ℃，每隔10 min 記錄一次3 個(gè)位置的應(yīng)變值，一直記錄到第100 min。如果儀器被燒壞無法顯示具體的應(yīng)變值，則以空白表示。完成試驗(yàn)后，關(guān)閉設(shè)備讓試件自然冷卻至常溫，最后取出混凝土試件并再次稱量重量[5]。

3 高性能混凝土高溫力學(xué)與熱變形試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高性能混凝土的高溫試驗(yàn)結(jié)果

將混凝土試塊置于箱式高溫電阻爐后進(jìn)行加熱，試件從常溫升高至100 ℃過程中無明顯現(xiàn)象，在溫度達(dá)到100 ℃后開始有少量水蒸氣冒出，隨著溫度繼續(xù)升高水蒸氣的量同步增加，并且伴隨尖銳聲音，可聞到刺鼻氣味。在溫度達(dá)到500 ℃后，混凝土試件中的Ca(OH)2發(fā)生脫水現(xiàn)象，意味著試件內(nèi)部的自由水已經(jīng)完全蒸發(fā)，可以在爐門上方觀察到許多水蒸氣液化形成的水滴。在溫度達(dá)到800 ℃后，無明顯現(xiàn)象，在試件內(nèi)部熱電偶實(shí)測溫度也達(dá)到800 ℃后即可關(guān)閉箱式高溫電阻爐。

將混凝土試件從常溫加熱至300 ℃過程中，試件表面未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫，但是顏色隨著溫度的升高逐漸變淺，從最開始的青灰色變成淺灰色，并且局部有泛白現(xiàn)象。從400 ℃開始，素混凝土試件的表面開始出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，但是未出現(xiàn)剝落情況，表面泛白面積擴(kuò)大；相比之下，摻入了0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土試件則未出現(xiàn)裂縫，但是有泛白情況。當(dāng)試件溫度達(dá)到600 ℃后，素混凝土試件表面可以觀察到較為明顯的裂縫，局部有剝落情況，試件整體顏色變成白色；同樣溫度下高性能混凝土試塊表面的裂縫數(shù)量較少、寬度較小，無剝落情況，局部有泛白情況。當(dāng)試件溫度達(dá)到800 ℃后，素混凝土表面布滿裂縫，在冷卻至常溫后出現(xiàn)大范圍剝落，從剝落后露出的內(nèi)部混凝土也呈現(xiàn)白色；該溫度下高性能混凝土試件表面有一些裂縫，但是在冷卻至常溫后未發(fā)生剝落，表面完全呈白色[6]。

3.2 高性能混凝土高溫后的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

素混凝土試件和摻入0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土試件，在經(jīng)過高溫處理后兩種試件的劈裂抗拉強(qiáng)度及其抗拉強(qiáng)度損失率見表3。

表3 兩種混凝土在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度與其損失率

由表3 數(shù)據(jù)可知，兩種混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度整體變化趨勢一致，即隨著試件溫度的升高呈現(xiàn)出降低趨勢。在試件溫度為常溫（20 ℃）時(shí)，高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度為3.28 MPa，在溫度升高至800 ℃后，抗拉強(qiáng)度下降為0.74 MPa；素混凝土在常溫下的抗拉強(qiáng)度為3.05 MPa，在溫度達(dá)到800 ℃后抗拉輕度下降為0.25 MPa。其中，在試件溫度達(dá)到500 ℃之前，隨著溫度的升高，試件抗拉強(qiáng)度的下降趨勢相對(duì)緩慢；在超過500 ℃后，試件抗拉強(qiáng)度開始明顯下降。由此可得，試件溫度500 ℃是混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。橫向?qū)Ρ葋砜?，在相同溫度下，高性能混凝土試件的抗拉?qiáng)度總是高于素混凝土試件的抗拉強(qiáng)度，這也說明高性能混凝土在抗拉強(qiáng)度這一力學(xué)性能方面要優(yōu)于素混凝土。

在抗拉強(qiáng)度損失率方面，兩種混凝土試件的抗拉強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)出隨著溫度升高而增加的變化趨勢。橫向?qū)Ρ葋砜?，在試件溫度達(dá)到400 ℃前，素混凝土和高性能混凝土在相同溫度下的抗拉強(qiáng)度損失率沒有明顯的差異。從500 ℃開始，兩者的抗拉強(qiáng)度損失率開始增加，在800 ℃時(shí)高性能混凝土試件的抗拉強(qiáng)度損失率為77.44%，素混凝土試件的抗拉強(qiáng)度損失率為91.80%，兩者相差14.36%。這表明500 ℃是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在混凝土試件溫度達(dá)到500 ℃后聚丙烯纖維開始發(fā)揮作用，說明在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維，能夠減小混凝土在高溫下的抗拉強(qiáng)度損失量，保證建筑物發(fā)生火災(zāi)后混凝土仍然具有較大的抗拉強(qiáng)度[7]。

3.2.2 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

素混凝土試件和摻入0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土試件，在經(jīng)過高溫處理后兩種試件的軸壓強(qiáng)度與彈性模量見表4，表中**表示當(dāng)前溫度下已無法測得數(shù)值。

表4 兩種混凝土在不同溫度下的軸壓強(qiáng)度與彈性模量

由表4 可知，兩種混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高整體上呈現(xiàn)出降低的變化趨勢，僅在300 ℃是有短暫的增長。在溫度達(dá)到500 ℃后，混凝土試件的軸壓強(qiáng)度開始快速下降，并且對(duì)比來看素混凝土的下降幅度要大于高性能混凝土。由此可得，500 ℃是混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在彈性模量方面，兩種混凝土試件的彈性模量隨著溫度的升高呈現(xiàn)出降低趨勢，在200 ℃以后兩種試件的彈性模量已經(jīng)十分接近。在溫度達(dá)到800 ℃后，素混凝土試件被壓壞，試驗(yàn)中已經(jīng)無法測出其彈性模量。對(duì)比來看，該溫度下高性能混凝土試塊沒有損壞跡象，測得其彈性模量為1.4 GPa。說明向混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維能夠提升混凝土在高溫下的彈性模量，避免高溫時(shí)混凝土構(gòu)件發(fā)生爆裂問題。為了進(jìn)一步探究素混凝土和高性能混凝土的性能差距，統(tǒng)計(jì)了兩種試件的彈性模量損失率，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 兩種混凝土彈性模量損失率對(duì)比

由圖2 可知，兩種混凝土試件的彈性模量損失率隨著溫度的升高呈現(xiàn)出遞增趨勢。素混凝土試件在溫度達(dá)到100 ℃后，彈性模量損失率開始明顯加快，而高性能混凝土試件在溫度達(dá)到300 ℃后，彈性模量損失率才迅速增加。說明高性能混凝土的高溫穩(wěn)定性更好。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，相同溫度下高性能混凝土的彈性模量損失率始終低于素混凝土。在溫度達(dá)到800 ℃后，素混凝土試件由于發(fā)生破壞，彈性模量損失率已經(jīng)無法測得，此時(shí)高性能混凝土的彈性模量損失率為94.2%，依然具備一定的強(qiáng)度，這一數(shù)據(jù)表明高性能混凝土的抗變形和抗爆裂能力要優(yōu)于素混凝土。

3.3 高性能混凝土熱應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5 數(shù)據(jù)繪制“熱應(yīng)變-時(shí)間”曲線，如圖3、圖4 所示。

圖3 不同時(shí)間內(nèi)高性能混凝土試件3 個(gè)測點(diǎn)的熱應(yīng)變值

圖4 不同時(shí)間內(nèi)素混凝土試件3 個(gè)測點(diǎn)的熱應(yīng)變值

表5 高性能混凝土和素混凝土的熱應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、圖4 可知，同一塊混凝土試件中，3 個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變值隨著加熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)出升高趨勢。對(duì)比來看，在加熱前40 min 內(nèi)，3 個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變值相差不大；從40 min 開始，隨著加熱時(shí)間延長、試件溫度升高，不同測點(diǎn)的應(yīng)變值差距也越來越明顯。其中，距離底板最近的測點(diǎn)（25 mm）由于距離受火面最近，因此應(yīng)變值升高最快；相反，距離底板最遠(yuǎn)的測點(diǎn)（75 mm）應(yīng)變值增加速度最慢。對(duì)比圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在加熱時(shí)間相同的情況下，高性能混凝土試件的熱應(yīng)變要低于素混凝土。在監(jiān)測范圍內(nèi)，素混凝土試件的最大應(yīng)變可以達(dá)到258 με，而高性能混凝土只有200 με。由此可得，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，對(duì)高溫環(huán)境下混凝土的熱應(yīng)變有較好的抑制作用。

結(jié)束語

高性能混凝土通過摻入一定量的聚丙烯纖維，不僅從微觀層面上改善了混凝土的結(jié)構(gòu)組成，而且從宏觀層面上提升了混凝土的多項(xiàng)性能。從試驗(yàn)情況來看，相比于素混凝土，高性能混凝土在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，不容易發(fā)生裂縫和剝落；在高溫下的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都得到了提升，熱應(yīng)變出現(xiàn)不同程度的降低。這就意味著在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高性能混凝土構(gòu)件可以保持更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，更有利于維持建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，降低火災(zāi)損失，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。