羅小寶， 劉 真

(1 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 淮南 232001； 2 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院， 西安 710061；3 安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室， 淮南 232001)

0 引言

建筑火災(zāi)發(fā)生時，混凝土作為最重要且用量最多的建筑材料，其中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2和3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(鈣礬石)分解溫度低、耐高溫性能較差，在高溫作用下，混凝土的變形性能和強度均會發(fā)生劣化，同時其內(nèi)部也會發(fā)生應(yīng)力重分布，極大地降低了結(jié)構(gòu)安全性，這對于混凝土建筑物來說無疑是致命的[1]。

硅粉已經(jīng)發(fā)展成為高強高性能混凝土的必要摻和料[2]，來源于硅金屬和硅鐵合金冶煉工業(yè)，主要成分為SiO2，顆粒極細(約為水泥的1/100)且活性遠高于水泥，將其作為摻和料加入混凝土中可以發(fā)生二次水化反應(yīng)，在促進混凝土強度發(fā)展、改善混凝土抗侵蝕、抗?jié)B等性能方面具有較好的效果[3]。然而，已有的成果多為常溫下硅粉對混凝土力學(xué)性能、耐久性能等方面的影響，有關(guān)于硅粉對高溫下和高溫后混凝土性能影響的研究甚少。

本文對不同硅粉摻量下的混凝土進行高溫處理，測定高溫后混凝土的質(zhì)量損失率，開展了立方體抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗、超聲波檢測和微觀試驗并對試驗結(jié)果進行分析，以期為工程實踐提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料與配合比

P·O 42.5級水泥；中砂，細度模數(shù)2.6；碎石，粒徑5～15mm；95級硅粉，其特征參數(shù)見表1?；炷粱鶞逝浜媳葹樗唷盟蒙啊檬?1∶0.44∶1.33∶2.55，取硅粉摻量為4%，8%和12%，摻入方式為內(nèi)摻等量替換水泥，混凝土試塊澆筑成型后經(jīng)28d標準養(yǎng)護再進行后續(xù)試驗。

硅粉特征參數(shù) 表1

1.2 高溫處理

升溫裝置為SX-5-12型箱式電阻爐，如圖1所示，爐膛尺寸為300mm×200mm×120mm，最高溫度可達1 200℃。本文所采用的溫度為200，400，600℃和800℃，恒溫2h后打開爐門讓其自然冷卻至室溫，圖2為不同溫度作用下混凝土外觀。

圖1 箱式電阻爐

圖2 不同溫度作用下混凝土的外觀

1.3 試驗方法

根據(jù)式(1)對高溫后混凝土的抗壓強度損失率進行計算；采用NM-4A型非金屬超聲檢測分析儀(圖3)對經(jīng)歷不同溫度作用的試件進行首波波幅的測試；按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行拉壓強度試驗；采用浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院的QUANTA 650 FEG型掃描電子顯微鏡(圖4)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)進行分析。

圖3 非金屬超聲檢測分析儀

圖4 掃描電子顯微鏡

(1)

式中：γ為混凝土經(jīng)歷高溫作用后的吸水率；m0和m1分別為混凝土經(jīng)歷高溫作用后在水中浸泡前和浸泡后的質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫后混凝土的質(zhì)量損失率

高溫后混凝土的質(zhì)量損失率可以反映出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏松程度以及溢出水分、CO2等物質(zhì)的量，質(zhì)量損失率越大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越疏松，氣滲性能越高，內(nèi)部蒸汽壓力越小[4]。圖5為高溫后素混凝土(0%硅粉摻量)和8%硅粉摻量下混凝土質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，混凝土質(zhì)量損失率隨著溫度的升高而增大，溫度為200℃時，硅粉混凝土的質(zhì)量損失率比素混凝土大，此時的質(zhì)量損失由混凝土表面毛細水的蒸發(fā)引起[5]，造成硅粉混凝土質(zhì)量損失率較大的原因可能是因為混凝土內(nèi)部本身存在許多孔洞，由于硅粉二次水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠或多或少地將其填補，導(dǎo)致孔洞體積變小且數(shù)量變多，使其比表面積增加，可吸附更多的自由水，從而經(jīng)歷過200℃高溫后質(zhì)量損失率較高。溫度為400，600℃和800℃時，硅粉混凝土的質(zhì)量損失率變得比素混凝土小，這是因為硅粉混凝土較素混凝土致密，內(nèi)部水分更難溢出；所以，在不考慮混凝土外部毛細水的情況下，高溫后硅粉混凝土較素混凝土有著更小的質(zhì)量損失率。另外，由于高溫下硅粉混凝土內(nèi)部水分更難溢出[6]，可以推斷出在高溫的狀態(tài)下，硅粉混凝土內(nèi)部的蒸汽壓更大，從而較素混凝土更易發(fā)生高溫爆裂，此推論與試驗結(jié)果相符(高溫后特別是經(jīng)歷800℃高溫后，發(fā)生爆裂的多為硅粉混凝土)。

圖5 質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系

2.2 高溫后混凝土的拉壓強度

圖6為高溫后不同硅粉摻量下混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度與溫度的關(guān)系曲線。

圖6 拉壓強度與溫度的關(guān)系

由圖6可以看出，不同硅粉摻量下混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度隨溫度的變化趨勢總體一致，均為200℃高溫后有少許增加，經(jīng)歷400℃高溫后與常溫下混凝土的強度持平或者稍有降低，經(jīng)歷600℃高溫后下降幅度較大，經(jīng)歷800℃高溫后下降幅度最大，8%硅粉摻量下混凝土的抗壓強度普遍大于其他硅粉摻量混凝土的抗壓強度。另外，觀察到4%硅粉摻量混凝土和素混凝土在經(jīng)歷400℃高溫后劈裂抗拉強度有所上升，8%硅粉摻量混凝土在600℃高溫作用后亦是如此，這一方面可能是由于試驗人為誤差導(dǎo)致，如劈裂抗拉試驗的上下劈條未對齊、試塊表面不夠平整等原因，另一方面可能是由于混凝土的非勻質(zhì)性，其受到的溫度損傷也必定不是均勻分布的，因此在試驗時表現(xiàn)出變異性。經(jīng)歷200℃高溫后，素混凝土和8%硅粉摻量混凝土抗壓強度分別增加了3.5%和2.7%，400℃分別降低了5.7%和4.3%，600℃高溫后分別降低了33.2%和14.3%，800℃高溫后分別降低了57.8%和55.8%。另外，發(fā)現(xiàn)摻有硅粉的混凝土抗壓強度大部分較素混凝土大，而劈裂抗壓強度的規(guī)律則沒有那么明顯，這一方面可能是試驗過程中人為因素造成的，另一方面也與混凝土本身為脆性材料有關(guān)。

2.3 高溫后混凝土的拉壓比

混凝土拉壓比是反映其脆性的重要指標之一，拉壓比越大，脆性越強、韌性越小[7]，圖7為高溫后混凝土的拉壓比與硅粉摻量的關(guān)系曲線。

圖7 拉壓比與硅粉摻量的關(guān)系

由圖7可知，隨著硅粉摻量的增加，混凝土拉壓比呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，說明硅粉的摻入會導(dǎo)致混凝土脆性的增加。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是，硅粉對混凝土強度的影響體現(xiàn)在兩方面，一是火山灰效應(yīng)[8]，硅粉顆粒與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，使混凝土更加致密，增加了混凝土的抗壓強度和劈裂抗壓強度；另外一方面是硅粉的填充效應(yīng)[9]，未水化的硅粉顆粒填充于混凝土的孔隙中，可以增強混凝土的抗壓強度。在這兩方面因素的協(xié)同作用下，混凝土抗壓強度的增幅大于其劈裂抗壓強度的增幅，表現(xiàn)為混凝土拉壓比的降低，說明硅粉的摻入增加了混凝土的脆性。

為從微觀角度對其進行驗證，采用掃描電子顯微鏡對混凝土試樣進行觀察，圖8為養(yǎng)護齡期為28d時混凝土的SEM圖片。

由圖8(a)可以看出，混凝土內(nèi)部存在許多孔洞，多是由于混凝土在攪拌過程中混入空氣以及多余的水分蒸發(fā)造成的，這也成為硅粉發(fā)揮火山灰效應(yīng)的必要條件。由圖8(b)可以看出，部分未水化的硅粉顆粒較好地鑲嵌于混凝土凝膠中，與凝膠形成整體，并且，硅粉顆粒也有可能填充于混凝土的孔隙中，增加混凝土的密實度，改善混凝土的力學(xué)性能。

2.4 硅粉的增強效應(yīng)

前述的結(jié)論以及其他學(xué)者研究結(jié)果[10]均表明，硅粉對混凝土的增強作用主要來源于兩方面：火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)。故定義硅粉增強效應(yīng)G[11]，其含義為：每1%摻量的硅粉對混凝土抗壓強度的貢獻率，通過式(2)對其進行計算。

G=1-R0(1-q)/100qRq

(2)

式中：R0為素混凝土的抗壓強度；q為硅粉的摻量；Rq為硅粉摻量為q時混凝土的抗壓強度。

不同溫度和不同硅粉摻量下硅粉的G值見圖9?？梢钥闯觯珿值隨著硅粉摻量的增加而增大，硅粉摻量從4%增加到8%時，G值增幅較大；從8%增加到12%時，G值增幅較小?？紤]經(jīng)濟效益后，取8%為硅粉最佳摻量，這與拉壓強度試驗得到的結(jié)論一致，此時G值的平均值為0.91，也就是每1%摻量的硅粉對混凝土抗壓強度的貢獻率為0.91%。另外，觀察到無論硅粉摻量多少，600℃下的G值都是最大的，也就是600℃時硅粉對混凝土抗壓強度的增強作用最明顯。

圖9 不同溫度和硅粉摻量下的G值

2.5 基于超聲波檢測的抗壓強度預(yù)估

對經(jīng)歷高溫后的混凝土試塊進行超聲波檢測，對首波波幅進行記錄，相對波幅的計算方法見式(3)，試驗結(jié)果見表2。

(3)

超聲波檢測結(jié)果 表2

式中：Ar為相對波幅；A1為混凝土經(jīng)歷高溫作用后的波幅；A0為混凝土在常溫下的波幅。

以波幅為自變量，對混凝土抗壓強度進行擬合，以相對波幅為自變量，對混凝土抗壓強度損失率進行擬合，其擬合曲線分別見圖10(a)，(b)。

圖10 基于超聲波檢測的抗壓強度擬合曲線

由圖10可以看出，擬合曲線和試驗數(shù)據(jù)散點重合度較高，擬合優(yōu)度達到0.98，故建議采用超聲波檢測法，通過波幅和相對波幅對高溫后硅粉混凝土的抗壓強度和抗壓強度損失率進行預(yù)估。

3 結(jié)論

(1)硅粉會增加混凝土的抗壓強度、脆性以及爆裂幾率，減小高溫后混凝土的質(zhì)量損失率，其最佳摻量為8%，在600℃時對混凝土抗壓強度的增強效果最明顯。

(2)利用超聲波檢測法可以較準確地對高溫后硅粉混凝土的抗壓強度及其損失率進行預(yù)估。