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(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅蘭州 730070）

近年來，建筑火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，火災(zāi)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(zāi)，其內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)迅速升高，造成混凝土力學性能退化，將直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。國內(nèi)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(jīng)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(guān)［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(nèi)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(zāi)導致其經(jīng)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(jīng)歷不同高溫后其殘余抗壓強度和質(zhì)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(chǎn)的天山牌P·Ⅱ52.5 型硅酸鹽水泥，其技術(shù)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(zhì)量比搭配，壓碎指標屬于Ⅰ類；細骨料采用河沙，細度模數(shù)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(shù)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(zhì)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(shù)指標

表2 粉煤灰技術(shù)指標 %

表3 礦粉技術(shù)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(nèi)，24 h后拆模并放置于養(yǎng)護室內(nèi)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(zhì)量。然后將試件放入SX2-12-10 型箱式電阻爐內(nèi)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(nèi)溫度可自動調(diào)控，達到目標溫度后恒溫6 h（以保證試件內(nèi)部均勻受熱），然后停止加熱，取出試件放置在室內(nèi)自然冷卻至室溫。

本試驗加熱溫度按GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》［7］中標準時間-溫度曲線設(shè)定。該曲線公式為：T=T0+345lg（8t+1）。其中：T為火災(zāi)溫度；T0為常溫，取20℃；t為火災(zāi)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(jié)果與分析

2.1 經(jīng)受高溫后試件質(zhì)量燒失率

不同齡期試件經(jīng)受高溫后質(zhì)量燒失率與溫度的關(guān)系見圖1?？芍?種試件不同齡期質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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(chǎn)物Ca（OH）2等分解脫水，使得質(zhì)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(zhì)量燒失率均達到7%左右。試件28 d 的質(zhì)量燒失率增長出現(xiàn)異常，總體不呈線性增長，但試件質(zhì)量燒失率仍隨著溫度的升高而增大。

圖1 不同齡期試件經(jīng)受高溫后質(zhì)量燒失率與溫度的關(guān)系

2.2 經(jīng)受高溫后試件殘余抗壓強度

不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關(guān)系見圖2。

圖2 不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關(guān)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(nèi)部大量的水分蒸發(fā)，而試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，部分水蒸汽會留在混凝土試件內(nèi)部，促進未水化的水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，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(nèi)部嚴重失水，使得試件內(nèi)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(nèi)部水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠和Ca（OH）2晶體基本分解，試件內(nèi)部損壞嚴重，導致其殘余抗壓強度迅速下降。

2.3 經(jīng)受高溫后試件殘余抗壓強度與溫度的擬合公式

根據(jù)文獻［3，6］對混凝土試件28 d 齡期高溫作用后試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和擬合結(jié)果，再結(jié)合本文試驗結(jié)果，對2 種混凝土試件的殘余抗壓強度與溫度的關(guān)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(shù)；20 ℃≤T≤700 ℃。

采用最小二乘法擬合出不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關(guān)系。

FC試件經(jīng)受高溫后各齡期擬合公式依次為

KC試件經(jīng)受高溫后各齡期擬合公式依次為

3 結(jié)論

1）2 種混凝土試件不同齡期的質(zhì)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(shù)據(jù)的分析，給出了2 種早齡期混凝土試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度關(guān)系式，可供實際工程中早齡期混凝土經(jīng)受高溫后性能分析評價提供參考。