摘要：水泥基材料經(jīng)瞬時(shí)高溫作用后，隨受火溫度不同，表現(xiàn)出不同的爆裂與力學(xué)性能。研究了摻加不同礦物摻和料的水泥基材料在不同的瞬時(shí)高溫作用后爆裂與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在100 ℃和300 ℃瞬時(shí)高溫作用下，所有試樣外觀完整，未發(fā)生爆裂；600 ℃時(shí)，所有試件發(fā)生粉碎性爆裂。與室溫下水泥基材料的物理力學(xué)性能相比，在經(jīng)歷瞬時(shí)100 ℃作用后，試樣的抗壓、抗折強(qiáng)度損失率分別達(dá)到15%和30%以上；經(jīng)受300 ℃作用后，強(qiáng)度恢復(fù)至室溫時(shí)強(qiáng)度水平；溫度高于300 ℃時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，強(qiáng)度急劇衰減。其中，復(fù)摻20%礦粉和10%硅灰的試樣經(jīng)歷的低溫（≤300 ℃）作用后，抗壓、抗折強(qiáng)度均隨溫度的增加而提高。SEM分析表明，經(jīng)600 ℃高溫作用2 h后，硬化水泥漿體C-S-H整體結(jié)構(gòu)疏松，水化產(chǎn)物連續(xù)相被分割為非連續(xù)相。

關(guān)鍵詞：水泥基材料；爆裂；瞬時(shí)高溫；物理化學(xué)變化；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0109-05

隨著地下空間的開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的地鐵隧道建成并投入使用。隧道長(zhǎng)度、交通密度、車輛載重、使用頻率的增加，都使得發(fā)生火災(zāi)的可能性逐漸增大。混凝土作為地下交通工程的主要建筑材料，其高溫性能直接與建筑物的穩(wěn)定性密切相關(guān)^[1-2]，因此對(duì)混凝土高溫性能進(jìn)行研究具有重要意義。

Hertz^[3]提出混凝土高溫下的爆裂和性能劣化趨勢(shì)與其水灰比及摻合料種類、摻量等因素有關(guān)。Papayianni等^[4]的研究表明：隨著溫度從室溫增加至800 ℃，硬化水泥石表現(xiàn)出先膨脹后收縮再膨脹的過(guò)程，而粗骨料則逐漸膨脹。傅宇方等^[5]和肖建莊等^[6]提出混凝土高溫后性能的劣化與硬化水泥石與骨料之間的界面過(guò)渡區(qū)的存在密切相關(guān)。Consolazio等^[7]的研究表明：混凝土中的界面過(guò)渡區(qū)可有效降低水泥基材料中的蒸汽壓。綜上所述，由于硬化水泥石與骨料之間熱致變形的差異，混凝土中存在尺寸與數(shù)量較大的界面薄弱區(qū)，有利于高溫下混凝土內(nèi)部水分的脫逸。因此，混凝土試件對(duì)水泥基材料的高溫爆裂現(xiàn)象不敏感。為了有效反映不同水泥基材料高溫爆裂的敏感性，應(yīng)細(xì)化界面薄弱區(qū)，提高結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)性。因此，本文采用水泥膠砂試件來(lái)研究不同礦物摻合料（粉煤灰、礦粉和硅灰）對(duì)水泥基材料高溫爆裂的影響^[4]，分析了不同摻合料對(duì)高溫下水泥基材料性能的作用，探討了高溫對(duì)硬化水泥石微觀結(jié)構(gòu)的破壞。

馬保國(guó)，等：水泥基材料瞬時(shí)高溫作用下的爆裂與力學(xué)性能

1試驗(yàn)

1.1原材料

武漢亞?wèn)|水泥有限公司生產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3 d抗壓強(qiáng)度為27.3 MPa，3 d抗折強(qiáng)度6.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為52.7 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為9.1 MPa；武鋼礦粉，比表面積為450 m2/kg；武漢陽(yáng)邏輝虹牌Ⅱ級(jí)粉煤灰；武漢硅灰；武鋼浩源FDN“ZG” 萘系高效減水劑；巴河河砂。

1.2水泥基材料試件制備

按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行試件的成型，養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d，達(dá)到齡期后靜置72 h，以3個(gè)40 mm×40 mm×160 mm試件為1組進(jìn)行高溫爆裂試驗(yàn)。試件配比見(jiàn)表1。

1.3試驗(yàn)方法

爆裂試驗(yàn)研究了不同摻合料制備試件在不同溫度作用下的爆裂程度，其中溫度為100、300、600 ℃，保溫時(shí)間2 h。爆裂試驗(yàn)?zāi)M火災(zāi)作用時(shí)，摻加不同摻合料的試件在溫度場(chǎng)急劇升溫過(guò)程中的爆裂程度與力學(xué)性能，將不同摻合料制備的試件置于達(dá)到了預(yù)定溫度的高溫爐中，保溫時(shí)間從試件置于預(yù)定溫度場(chǎng)中開(kāi)始計(jì)時(shí)。在保溫過(guò)程中，根據(jù)爆裂聲記錄試件發(fā)生第1次爆裂的時(shí)間，受熱30 min后，打開(kāi)爐門觀察試件的損傷情況；保溫2 h后取出試件冷卻至25 ℃，進(jìn)行物理力學(xué)性能的測(cè)試。

XRD分析采用日本Rigaku（理學(xué)）公司D/Max-RB轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀析進(jìn)行物相分析，試驗(yàn)衍射角為5～60°，掃描速率為10°/min。

SEM采用日本JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌分析。

2結(jié)果及討論

2.1細(xì)骨料水泥基材料高溫爆裂現(xiàn)象及機(jī)理

在室溫至300 ℃的溫度階段，不同配比的試件瞬時(shí)暴露在100和300 ℃的2個(gè)目標(biāo)溫度場(chǎng)中，試件承受了內(nèi)外溫差75及275 ℃的溫度梯度的作用。所有配合比試件在保溫2 h后，外觀依然完整，均未發(fā)生爆裂現(xiàn)象（圖1、圖2舉例了不同組試件在100和300 ℃作用后的外觀）。試件在100 ℃作用下，水化產(chǎn)物內(nèi)部的自由水受熱揮發(fā)脫附；在300 ℃作用下，試件內(nèi)部凝膠水揮發(fā)脫逸^[8]。

將試件瞬時(shí)暴露于600 ℃的溫度中時(shí)，試件表面經(jīng)歷約575 ℃的溫度梯度作用，所有試件在受火后5 min內(nèi)均發(fā)生了爆裂，并伴隨劇烈的爆炸聲，保溫30 min后，發(fā)現(xiàn)試件均為粉碎性爆裂（見(jiàn)圖3）。在300～600 ℃的過(guò)程中，水泥基材料的變化可能為結(jié)構(gòu)水的脫逸和SiO2的同質(zhì)多相轉(zhuǎn)化。其中，占水泥石質(zhì)量6%～12%的Ca（OH）2在450 ℃左右發(fā)生脫水，使不同摻合料制備試件承受反應(yīng)生成氣體造成的體積膨脹，與此同時(shí)，C-S-H凝膠也發(fā)生了脫水分解，水泥石體積收縮，細(xì)骨料受熱發(fā)生膨脹，導(dǎo)致材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)承受較大的張應(yīng)力；當(dāng)溫度升高至573 ℃時(shí)，β-SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiO2，又伴隨了082%的體積膨脹，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)所承受的張應(yīng)力進(jìn)一部增加。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)試件的屈服強(qiáng)度時(shí)，試件發(fā)生爆裂^[9]；此外，溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力加劇了爆裂的發(fā)生^[10]。

對(duì)比同組試件在3個(gè)不同溫度作用下的顏色發(fā)現(xiàn)：隨著試件受到的溫度作用的升高，試件的顏色逐漸變淺。

從溫度場(chǎng)對(duì)不同摻合料制備試件抗壓強(qiáng)度的影響中，可概括出如下規(guī)律^[11-12]：

100 ℃時(shí)試件抗壓強(qiáng)度發(fā)生損失，可能與鈣礬石分解和砂漿試件內(nèi)部吸附水蒸發(fā)后孔隙率的增加有關(guān)^[14]。隨著礦物摻合料的加入，不同活性的礦物摻合料對(duì)試件的微觀結(jié)構(gòu)造成了影響，硅灰的加入有效提高了試件的密實(shí)度，改善了試件的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑變小，從而使試件中水分多分布于毛細(xì)孔或凝膠孔中^[13]。因此，100 ℃時(shí)，b-3試件由于自由水蒸發(fā)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低的程度低于b-0～b-2。

300 ℃時(shí)，不同摻合料制備的試件抗壓強(qiáng)度都明顯比100 ℃時(shí)的強(qiáng)度高，相對(duì)25 ℃的抗壓強(qiáng)度損失率也明顯降低。原因可能在于300 ℃時(shí)，由于高溫的蒸汽養(yǎng)護(hù)，水泥顆粒進(jìn)一步水化，提高了試件的強(qiáng)度；水泥石中毛細(xì)孔或凝膠孔中大量水分的喪失和礦物中結(jié)晶水的失去，產(chǎn)生了收縮變化，使得整個(gè)試件內(nèi)部處于一種預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，從而提高了承受外界荷載的能力。b-3與b-5試件300 ℃的抗壓強(qiáng)度超過(guò)了25 ℃時(shí)的強(qiáng)度，這與硅灰和礦粉的較高活性相關(guān)，高活性的摻合料將有助于水泥石體系的密實(shí)，從而增加微孔的比重，在受熱大量脫水后，孔結(jié)構(gòu)的收縮作用將明顯得到體現(xiàn)。

2.2.2抗折強(qiáng)度水泥基材料的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出的規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致： b-0～b-4試件經(jīng)歷100 ℃后的抗折強(qiáng)度，低于25 ℃及經(jīng)歷300 ℃后的強(qiáng)度；b-5試件在低于300 ℃時(shí)，隨溫度的升高而升高。

b-0經(jīng)歷300 ℃的高溫作用后，與100 ℃時(shí)的抗折強(qiáng)度相比，強(qiáng)度增加了約2.3 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到33%。b-1試樣抗折強(qiáng)度增加了約3.0 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到41%。b-2的抗折強(qiáng)度增加了1.9 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到27%。b-3增加了約4.0 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到61%。b-4增加了約5.0 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到84%。b-5增加了約3.3 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到43%（見(jiàn)圖5）。

強(qiáng)度結(jié)果存在如下規(guī)律：目標(biāo)溫度場(chǎng)從100 ℃增加至300 ℃時(shí)，不同摻合料制備的試件抗折強(qiáng)度存在明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與抗壓強(qiáng)度的結(jié)果一致。其中，粉煤灰與硅灰的摻入能有效的改善經(jīng)歷高溫作用后試件的抗折強(qiáng)度，特別是b-3與b-4的增長(zhǎng)率分別達(dá)到61%與84%；礦粉的摻入會(huì)減少試件經(jīng)歷高溫作用后的強(qiáng)度增加百分比。

4結(jié)論

1） 粉煤灰、礦粉、硅灰分別摻入20%替代水泥的試件和摻入20%粉煤灰、10%硅灰與摻入20%礦粉、10%硅灰的試件，在100和300 ℃的瞬時(shí)高溫作用2 h后，試件外觀完整，未發(fā)生缺損；在600℃高溫作用后，所有試件粉碎性爆裂。

2）水泥基材料在經(jīng)受100 ℃溫度作用后，由于鈣礬石分解和砂漿試件內(nèi)部吸附水蒸發(fā)后孔隙率的增加，抗壓、抗折強(qiáng)度相比室溫時(shí)下降15%與30%以上；經(jīng)受300 ℃溫度作用后的試件，水泥顆粒受高溫蒸養(yǎng)進(jìn)一步水化，而且水泥石微孔中水分散失產(chǎn)生的收縮，使試件內(nèi)部處于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，而使強(qiáng)度恢復(fù)至室溫時(shí)水平；溫度高于300 ℃時(shí)，強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)溫度升高至高于600 ℃時(shí)，水泥石結(jié)構(gòu)破壞，裂縫增大，強(qiáng)度急劇衰減。溫度低于300 ℃時(shí)，復(fù)合摻加20%礦粉和10%硅灰的試件抗壓、抗折強(qiáng)度均隨溫度的升高而升高。

3） 300 ℃時(shí)，水泥基材料試件的抗折強(qiáng)度高于100 ℃時(shí)的強(qiáng)度，增幅達(dá)到27%～84%。粉煤灰、硅灰對(duì)300 ℃至100 ℃水泥基材料抗折強(qiáng)度增加的現(xiàn)象有促進(jìn)作用，礦粉降低了這一過(guò)程抗折強(qiáng)度增加的幅度。

4） XRD、SEM測(cè)試表明：溫度的升高導(dǎo)致了Ca（OH）2晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，結(jié)晶程度下降至消失；C-S-H凝膠在溫度升高的過(guò)程中也發(fā)生了明顯的破壞，25 ℃時(shí)連續(xù)相凝膠團(tuán)，在高溫時(shí)被裂縫及孔洞分割為非連續(xù)相，且隨溫度的升高裂縫逐漸增大。

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（編輯王秀玲）