黃國棟，張戎令，2，張瑞穩(wěn)，李 華，郭海貞

（1.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅蘭州 730070；2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅蘭州 730070）

近年來，建筑火災事故頻繁發(fā)生，火災已成為建筑工程的重大安全隱患之一。建筑物一旦發(fā)生火災，其內部溫度在短時間內迅速升高，造成混凝土力學性能退化，將直接影響結構的承載能力。國內外學者對普通混凝土和高強混凝土高溫力學性能研究得出：混凝土經高溫作用后力學性能的衰退與高溫作用時間、溫度、冷卻方式、養(yǎng)護方式、受熱后靜置時間等因素有關［1-2］；鋼纖維和聚丙烯纖維不僅可以抑制混凝土的高溫爆裂，而且可以提高混凝土在高溫后的殘余抗壓強度［3-4］；噴水冷卻試件內有新水化物生成，對混凝土抗壓強度相對有利［5］；高溫后大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度退化率低于普通混凝土［6］。

以往研究成果多基于28 d 齡期以上的高溫混凝土，現(xiàn)實生活中可能在混凝土早齡期發(fā)生火災導致其經受高溫損傷。目前，對早齡期混凝土高溫作用后力學性能的試驗研究較少。因此，本文研究單摻10%粉煤灰和單摻10%礦粉的早齡期混凝土經歷不同高溫后其殘余抗壓強度和質量燒失率隨齡期和溫度的變化規(guī)律。

1 高溫試驗和抗壓強度試驗

1.1 試驗原材料

水泥采用哈密天山水泥有限責任公司生產的天山牌P·Ⅱ52.5 型硅酸鹽水泥，其技術指標見表1；粗骨料為碎石，采用5～10 mm 和10～20 mm 2 種粒徑范圍的石子以3∶7的質量比搭配，壓碎指標屬于Ⅰ類；細骨料采用河沙，細度模數為2.8，屬于中砂，含泥量為1.4%，表觀密度為2 642 kg/m3，空隙率為37.1%；礦物摻和料采用Ⅰ級粉煤灰和S95 級礦粉，其技術指標分別見表2、表3；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，用量為膠凝材料質量的1.3%；拌和用水采用自來水。

表1 P·Ⅱ52.5型硅酸鹽水泥技術指標

表2 粉煤灰技術指標 %

表3 礦粉技術指標

1.2 混凝土配合比及試件制作

制備了2 種類型的C50 混凝土試件，水膠比均為0.34，分別摻10%粉煤灰的混凝土（FC）和摻10%礦粉的混凝土（KC），配合比見表4。試件成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，混凝土入模并振搗密實后抹平表面，靜置在常溫室內，24 h后拆模并放置于養(yǎng)護室內進行標準養(yǎng)護。

表4 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試驗方法

1.3.1 高溫試驗

首先，將混凝土試件標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期取出，擦拭表面水分，稱取高溫前的質量。然后將試件放入SX2-12-10 型箱式電阻爐內進行高溫試驗。爐膛尺寸為500 mm×300 mm×200 mm，功率為12 kW，最高溫度可達1 200 ℃，控制精度±1 ℃。本型號電阻爐配有溫度控制儀，爐膛內溫度可自動調控，達到目標溫度后恒溫6 h（以保證試件內部均勻受熱），然后停止加熱，取出試件放置在室內自然冷卻至室溫。

本試驗加熱溫度按GB/T 9978.1—2008《建筑構件耐火試驗方法》［7］中標準時間-溫度曲線設定。該曲線公式為：T=T0+345lg（8t+1）。其中：T為火災溫度；T0為常溫，取20℃；t為火災時間。計算得出加熱到目標溫度300，500，700 ℃時分別需要1，3，12 min。

1.3.2 抗壓強度試驗

按GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［8］中要求進行試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 經受高溫后試件質量燒失率

不同齡期試件經受高溫后質量燒失率與溫度的關系見圖1。可知：2種試件不同齡期質量燒失率均隨著溫度的升高總體呈線性增長，并且相同齡期質量燒失率隨溫度升高增長趨勢相近。這是因為混凝土試件孔隙內含有大量的自由水，隨著溫度的升高自由水逐漸蒸發(fā)，從而導致質量燒失率增長。當溫度升至一定值時水分嚴重損失，水泥水化產物Ca（OH）2等分解脫水，使得質量燒失率進一步增長。溫度繼續(xù)升高，骨料中白云石、碳酸鈣等開始分解，骨料不再穩(wěn)定。2種試件溫度達到700 ℃時質量燒失率均達到7%左右。試件28 d 的質量燒失率增長出現(xiàn)異常，總體不呈線性增長，但試件質量燒失率仍隨著溫度的升高而增大。

圖1 不同齡期試件經受高溫后質量燒失率與溫度的關系

2.2 經受高溫后試件殘余抗壓強度

不同齡期試件經受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關系見圖2。

圖2 不同齡期試件經受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關系

由圖2 可知：①相同齡期時2 種試件殘余抗壓強度隨溫度升高變化趨勢基本一致。②7 d 齡期時2 種試件的殘余抗壓強度均隨著溫度升高呈先增大后減少的趨勢，其臨界溫度為300 ℃。FC 和KC 試件臨界溫度下的抗壓強度分別為47.6，50.1 MPa，比常溫時抗壓強度（39.9，41.4 MPa）分別提高了19%和21%。這是因為7 d 齡期時水泥水化程度相對較低，300 ℃高溫使得混凝土試件內部大量的水分蒸發(fā)，而試件內部結構密實，部分水蒸汽會留在混凝土試件內部，促進未水化的水泥顆粒發(fā)生水化反應，從而提高混凝土試件的殘余抗壓強度。③14，21，28 d齡期時試件殘余抗壓強度均隨著溫度的升高呈先平緩下降，后快速下降的趨勢。500 ℃高溫時，14，21，28 d 齡期 FC 試件殘余抗壓強度分別降至常溫時的92%，83%，63%，KC 試件分別降至常溫時的89%，78%，62%；700 ℃高溫時2 種試件殘余抗壓強度均降至常溫時的30%～40%，基本喪失承載力。這是因為500 ℃高溫時混凝土試件內部嚴重失水，使得試件內部出現(xiàn)更多孔隙及裂紋，其殘余抗壓強度降低。700 ℃高溫時混凝土試件內部水化產物C-S-H 凝膠和Ca（OH）2晶體基本分解，試件內部損壞嚴重，導致其殘余抗壓強度迅速下降。

2.3 經受高溫后試件殘余抗壓強度與溫度的擬合公式

根據文獻［3，6］對混凝土試件28 d 齡期高溫作用后試驗數據的統(tǒng)計分析和擬合結果，再結合本文試驗結果，對2 種混凝土試件的殘余抗壓強度與溫度的關系進行擬合。殘余抗壓強度?cu，T可表示為

式中：a，b，c均為回歸系數；20 ℃≤T≤700 ℃。

采用最小二乘法擬合出不同齡期試件經受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關系。

FC試件經受高溫后各齡期擬合公式依次為

KC試件經受高溫后各齡期擬合公式依次為

3 結論

1）2 種混凝土試件不同齡期的質量燒失率均隨著溫度的升高總體呈增大趨勢，并且相同齡期增長趨勢相近。

2）相同齡期時2種混凝土試件的殘余抗壓強度隨溫度升高變化趨勢基本一致。700 ℃高溫時2 種混凝土試件各齡期殘余抗壓強度均降至常溫時的30%～40%，基本喪失承載力。

3）通過對試驗數據的分析，給出了2 種早齡期混凝土試件經受高溫后殘余抗壓強度與溫度關系式，可供實際工程中早齡期混凝土經受高溫后性能分析評價提供參考。