張冰清，付立強(qiáng)，郝 楨

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

高性能混凝土（High Performance Concrete, HPC）憑借超高的抗壓強(qiáng)度，出色的耐久性和低廉的成本，廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁工程[1-3]，然而致密的結(jié)構(gòu)和低孔隙率導(dǎo)致其在高溫環(huán)境下性能下降很快。聚焦原材料對(duì)混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)和骨料的體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土的性能有重要影響[4-6]。在高溫條件下，由于骨料的分解和內(nèi)部物理、化學(xué)變化而不穩(wěn)定，導(dǎo)致混凝土的降解和損壞[2,6-7]。研究發(fā)現(xiàn)，水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度升高發(fā)生變化[8-11]，鈣礬石在100 ℃時(shí)消失，CH 和CSH 在400 ～600 ℃時(shí)分解以及CSH 轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷猁}。因此，從原材料的角度來(lái)看，優(yōu)化膠凝材料組成對(duì)提升高性能混凝土耐熱性能有重要意義。

粉煤灰作為一種常用的輔助膠結(jié)材料，其對(duì)高溫下混凝土性能的影響被廣泛關(guān)注[12-13]。WANG 等[13]研究了粉煤灰對(duì)高性能混凝土的力學(xué)性能和熱導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)在550 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度降低了約26%，而相對(duì)濕度為100%時(shí)熱導(dǎo)率增加了22%。AYDIN等[14]發(fā)現(xiàn)，粉煤灰混凝土的高耐熱性能可能歸因于900 ℃下的骨料-水泥漿界面過(guò)渡區(qū)。關(guān)于無(wú)機(jī)摻合料改善混凝土性能研究眾多，但對(duì)于粉煤灰和偏高嶺土的組合使用對(duì)高溫下高性能混凝土的力學(xué)和物理性能的探索還很有限。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥（P·O 52.5），符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）要求，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。粉煤灰和偏高嶺土、輔助膠凝材料主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。粗骨料采用連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石，壓碎指數(shù)為5.1%，比重為2.5 g/cm3，吸收率為0.23%，最大粒徑為10 mm。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.58 的天然河砂，吸水率為1.22%，比重為2.62 g/cm3。外加劑是固含量為35%，減水率為28%的聚羧酸高效減水劑（SP），摻加量為水泥質(zhì)量1%。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

表2 輔助膠凝材料主要化學(xué)成分

1.2 試樣制備

為研究輔助膠凝材料組合使用對(duì)高性能混凝土耐熱性能的影響，制備5 個(gè)不同的混合比例，除了輔助膠凝材料的組成和比例不同外，所有混合設(shè)計(jì)參數(shù)均保持恒定?；鶞?zhǔn)混凝土和高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3、表4。

表3 基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

表4 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

（1）參考標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）規(guī)定，采用坍落度值表征新鮮混合物的工作性能。（2）參考標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002），采用抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度表征室溫環(huán)境下混凝土力學(xué)性能，試樣尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm 和100 mm×100 mm×400 mm。試樣成型24 h 后脫模并保存在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（20±1 ℃，RH ≥95%）至測(cè)試齡期。（3）采用殘余抗壓強(qiáng)度表征高溫下混凝土力學(xué)性能，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試樣在養(yǎng)護(hù)28 d 后取出干燥至恒重，并在電控爐中將混凝土加熱至設(shè)定溫度（400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃），加熱速率為3 ℃/min，然后在設(shè)定溫度保持3 h，最后將試樣取出冷卻至室溫。（4）參考《致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗(yàn)方法》（YB/T 5200—1993）中規(guī)定，測(cè)試高溫下混凝土的吸水率、質(zhì)量損失和孔隙率。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

新拌混凝土坍落度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 新拌混凝土坍落度測(cè)試結(jié)果

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，添加SCM 導(dǎo)致混凝土坍落度值增加，尤其是對(duì)于摻加了粉煤灰的試樣（S1-HPC）而言，坍落度大幅增加，因?yàn)榉勖夯业那蛐晤w粒形狀可以發(fā)揮潤(rùn)滑劑作用并改善混合物坍落度。（2）用粉煤灰改性的高性能混凝土（S1-HPC）比超細(xì)粉煤灰改性的混凝土（S2-HPC）具有更好的工作性能。類似地，含有10%粉煤灰的S1-S2-S3-HPC 的坍落度值略高于S2-S3-HPC 試樣。結(jié)果表明，粉煤灰在提高混凝土工作性能比UFFA和MK 更有效，因?yàn)镕A 顆粒的球形形狀減少了拌合物的阻塞。

2.2 室溫環(huán)境下的力學(xué)性能

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2（a），混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2（b）。

圖2 室溫環(huán)境下混凝土力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

結(jié)果顯示，用SCM 改性的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于基準(zhǔn)混凝土。（1）與基準(zhǔn)混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度相比，摻加SCM 的高性能混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加0.3%（S1-HPC），0.9%（S2-HPC），3.8%（S2-S3-HPC）和4.3%（S1-S2-S3-HPC），而28 d 抗壓強(qiáng)度分別提高了12.6%（S1-HPC），14.2%（S2-HPC），19.0 %（S2-S3-HPC） 和22.2 %（S1-S2-S3-HPC）。結(jié)果表明，SCM 對(duì)早期抗壓強(qiáng)度的影響是有限的，而對(duì)混凝土后期抗壓強(qiáng)度有明顯的提升影響，可能是SCM 在早期水化過(guò)程中的反應(yīng)活性較低，而在后期會(huì)形成大量水化產(chǎn)物的原因。（2）與基準(zhǔn)混凝土相比，S1-HPC 和S2-HPC 的28 d 抗壓強(qiáng)度均增加約15%，而SCM 組合使用改性的高性能混凝土（S2-S3-HPC 和S1-S2-S3-HPC）抗壓強(qiáng)度增加了約20%。表明SCM 組合使用進(jìn)一步提升了試件抗壓強(qiáng)度，可歸因于SCM 火山灰特性和微填充能力。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

SCM 對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響類似于對(duì)抗壓強(qiáng)度。SCM 改性的高性能混凝土表現(xiàn)出比基準(zhǔn)混凝土更高的抗折強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)3 d 后試件抗折強(qiáng)度分別提高了0.9%（S1-HPC），1.8%（S2-HPC），3.6%（S2-S3-HPC）和5.9%（S1-S2-S3-HPC）， 而養(yǎng)護(hù)28 d 后，試件抗折強(qiáng)度分別增加9.0%（S1-HPC），11.3%（S2-HPC），12.3%（S2-S3-HPC）和19.2%（S1-S2-S3-HPC）。

2.3 殘余強(qiáng)度

試樣在高溫環(huán)境下的殘余強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，試樣在高溫下的殘余抗壓強(qiáng)度演變分為兩個(gè)階段，隨著溫度升高，混凝土殘余抗壓強(qiáng)度先增加，然后呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖3 高溫環(huán)境下力學(xué)性能

（1）第一階段（RT 到400 ℃）：特征是殘余抗壓強(qiáng)度略有提高。與室溫環(huán)境下試樣抗壓強(qiáng)度相比，加熱到400 ℃后，試樣強(qiáng)度分別增加0.3%（Control mix），4.5%（S1-HSC），5.2%（S2-HPC），5.9%（S2-S3-HPC）和10.4%（S1-S2-S3-HPC）。因?yàn)?00℃導(dǎo)致水合產(chǎn)物分解，使未水化水泥重新水化，增加了C-S-H 凝膠數(shù)量，并提高了400 ℃時(shí)混凝土強(qiáng)度。（2）第二階段（400 ～1 000 ℃）：特征是混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度逐漸降低。在800 ℃時(shí)，高性能混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度比約為35 ～70%，而在溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，基準(zhǔn)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度比為9.9%，S1-HPC 為11.5%，S2-HPC 為18%，S2-S3-HPC 為18.7%，S1-S2-S3-HPC 為23.3%。另外，加熱至1 000 ℃后，含有20%UFFA-10%MK 和10%FA-10%UFFA-10%MK 的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度分別保持18.7 MPa 和23.9 MPa。結(jié)果表明，SCM 的組合使用對(duì)1 000 ℃下混凝土殘余強(qiáng)度具有積極影響。

2.4 質(zhì)量損失

混凝土試件質(zhì)量損失測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，可知混凝土質(zhì)量損失隨溫度變化分為三個(gè)不同階段。第一階段（RT 到400 ℃）的特征是混凝土質(zhì)量損失急劇增加。該階段混凝土在400 ℃時(shí)的質(zhì)量損失大約比RT 處增加了將近10 倍，主要是由于水分損失，以及C-S-H 凝膠和鋁酸鹽水化產(chǎn)物的分解[10]。第二階段（400～600 ℃）的特征是質(zhì)量損耗隨溫度保持穩(wěn)定。第三階段（＞600 ℃）的特征是質(zhì)量損失明顯增加。因?yàn)榛炷羶?nèi)部C-S-H 的破壞，CH 的分解和孔結(jié)構(gòu)的干燥，導(dǎo)致混凝土在600 ℃發(fā)生破壞和開(kāi)裂[13]。

表5 混凝土試件質(zhì)量損失測(cè)試結(jié)果

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，400 ℃的高性能混凝土質(zhì)量損失分別增加了0.3%（S1-HPC），1.3%（S2-HPC），1.7%（S2-S3-HPC）和1.9%（S1-S2-S3-HPC）。因?yàn)樵?00 ℃下，部分水化產(chǎn)物分解而產(chǎn)生的水，從而使未水化水泥顆粒重新水化[1]。此外，在S1-S2-S3-HPC 上觀察到最高損失質(zhì)量，此時(shí)混凝土中含有最多的C-S-H 凝膠。（2）在1 000 ℃下，混凝土試樣的質(zhì)量損失分別降低了3.7%（S1-HPC），8.4%（S2-HPC），17.0%（S2-S3-HPC）和25.3%（S1-S2-S3-HPC）。結(jié)果表明，引入輔助膠凝材料對(duì)降低混凝土質(zhì)量損失有明顯的積極作用，尤其是粉煤灰和偏高嶺土的聯(lián)合使用，有效抑制了混凝土的質(zhì)量損失。

2.5 吸水率

混凝土試件吸水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 混凝土試件吸水率測(cè)試結(jié)果

（1）混凝土在高溫環(huán)境下的吸水率演變可分為兩個(gè)階段：在RT 和600 ℃之間，混凝土試件吸水率略有增加；在600 ℃以上，混凝土吸水率有明顯地增加，可能因?yàn)榛炷猎?00 ℃時(shí)，表面出現(xiàn)開(kāi)裂以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。此外，混凝土的損壞導(dǎo)致吸水率的增加與試樣殘余強(qiáng)度的降低有關(guān)。（2）輔助膠凝材料改性的高性能混凝土吸水率明顯低于基準(zhǔn)混凝土的吸水率。與基準(zhǔn)混凝土吸水率相比，高性能混凝土吸水率在1 000 ℃分別降低了7.3%（S1-HPC），16.1%（S2-HPC），18.8%（S2-S3-HPC）和23.2%（S1-S2-S3-HPC），主要是因?yàn)檩o助佳凝材料的微填充效應(yīng)和火山灰反應(yīng)。

2.6 孔隙率

混凝土試件孔隙率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7，孔隙率隨溫度的升高而增加。

表7 混凝土試件孔隙率測(cè)試結(jié)果

（1）研究表明，暴露于高溫環(huán)境下的混凝土?xí)霈F(xiàn)孔粗大化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度急劇損失，滲透性大幅增大。在400 ℃時(shí)，基準(zhǔn)混凝土的孔隙率急劇上升，而用輔助膠凝材料改性的高性能混凝土的孔隙率相對(duì)較低；當(dāng)溫度升至600 ℃時(shí)，高性能混凝土的孔隙率達(dá)到試樣在1 000 ℃時(shí)的60%左右，主要是因?yàn)楣橇虾退酀{之間的差異性膨脹，水化產(chǎn)物的分解導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生額外的孔隙度。（2）在相同溫度下，使用輔助膠凝材料改性的高性能混凝土孔隙率低于基準(zhǔn)混凝土，因?yàn)樘砑覵CM 可以在一定程度上抑制水合物的破壞。比較高溫下高性能混凝土的孔隙率，S1-HPC 的孔隙率最高，其次是S2-HPC，S2-S3-HPC 和S1-S2-S3-HPC。結(jié)果表明，SCM 的組合使用對(duì)降低混凝土的孔隙率具有積極作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，添加SCM 可以提高新拌混凝土的坍落度。在增加混凝土坍落度方面，F(xiàn)A 的添加比UFFA 或SCM 的組合使用更有效。（2）輔助膠凝材料對(duì)混凝土的早期抗壓強(qiáng)度提升是有限的，而對(duì)其長(zhǎng)期強(qiáng)度卻有明顯的提升效果，而且SCM 的組合使用進(jìn)一步提升混凝土力學(xué)強(qiáng)度。（3）混凝土試樣在高溫環(huán)境下，殘余強(qiáng)度的演化可分為兩個(gè)階段：400 ℃時(shí)殘余抗壓強(qiáng)度略有增加，400 ℃以上殘余強(qiáng)度急劇下降。SCM 的組合使用對(duì)高性能混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度有積極作用，對(duì)于1 000 ℃下UFFA-MK 和FA-UFFA-MK 試樣，殘余強(qiáng)度分別保持18.5 MPa 和23.3 MPa。（4）400 ℃下混凝土的質(zhì)量損失比室溫環(huán)境下?lián)p失質(zhì)量約增加了10 倍；當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，含有FA-UFFA-MK 的試樣表現(xiàn)出最佳的物理性能。高溫環(huán)境下高性能混凝土的殘余強(qiáng)度與物理性能之間有密切相關(guān)的關(guān)系。