毛振豪，馬乾坤，張繼承，杜國鋒

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，荊州 434023)

0 引 言

活性粉末混凝土(reactive powder concrete， RPC)是一種先進(jìn)的水泥基復(fù)合材料，由水泥、石英砂、硅灰、減水劑、纖維和水等組成[1]。它是基于最緊密堆積理論，通過降低水膠比和剔除粗骨料等手段來實現(xiàn)超高強度、高韌性和高耐久性[2-3]。由于其優(yōu)異的性能，RPC已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、核電站等工程實踐中[4-5]。然而，RPC的廣泛應(yīng)用也增加了其暴露在火災(zāi)和高溫環(huán)境的可能性?；馂?zāi)發(fā)生頻率較高，一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度會在短時間內(nèi)到達(dá)1 000 ℃，可能會引起建筑物的坍塌，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。因此，研究高溫后RPC的力學(xué)性能是非常必要的，對火災(zāi)后RPC結(jié)構(gòu)的損傷評估和修復(fù)具有重要意義。目前，國內(nèi)外對RPC的研究主要集中在配制技術(shù)和常溫力學(xué)性能方面，對其高溫后的力學(xué)性能尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。

目前，研究人員對普通混凝土(normal strength concrete, NSC)和高強混凝土(high strength concrete, HSC)的高溫性能進(jìn)行了大量的研究，研究[6-9]表明HSC由于致密的微觀結(jié)構(gòu)在高溫下極易發(fā)生爆裂，向其摻入適量的纖維如鋼纖維、聚丙烯(polypropylene, PP)纖維、聚乙烯醇纖維、鋼纖維-聚乙烯醇纖維-CaCO3晶須多尺度纖維等可有效改善混凝土的高溫性能，研究證實這同樣適用于RPC。李海艷等[10]研究了RPC的高溫爆裂規(guī)律和高溫后的力學(xué)性能，結(jié)果表明摻入2%(體積分?jǐn)?shù))的鋼纖維和0.3%(體積分?jǐn)?shù))的PP纖維有助于改善RPC的高溫爆裂情況，高溫后RPC的強度呈先增大后減小的趨勢；賀一軒等[11]的研究表明隨著受熱溫度的升高，RPC的抗壓強度、抗折強度均呈下降趨勢；李根[12]對高溫RPC進(jìn)行了抗壓試驗和抗拉試驗，建立了RPC高溫后抗壓強度及抗拉強度計算公式；Mao等[13]的研究表明同時摻入鋼纖維和PP纖維可以提高RPC高溫后的性能；鞠楊等[14]通過試驗測得了RPC的熱工參數(shù)，結(jié)果顯示RPC的導(dǎo)熱系數(shù)低于普通混凝土；Zheng等[15]和Abid等[16]研究了高溫后RPC的微觀變化，結(jié)果表明基體微觀結(jié)構(gòu)的劣化是宏觀性能退化的主要原因。

綜上可知，鋼纖維、PP纖維和聚乙烯醇纖維等均能改善RPC的高溫爆裂和性能退化，目前大多數(shù)研究主要集中在單摻纖維對RPC高溫性能的影響，而對于混雜纖維特別是鋼纖維和PP纖維混雜摻入RPC高溫后力學(xué)性能的研究依然有限，有待進(jìn)一步探討。為研究混雜RPC高溫后強度退化規(guī)律，對高溫后RPC試件進(jìn)行了立方體抗壓試驗、劈裂抗拉試驗和軸心抗壓試驗，研究了纖維摻量、溫度等因素對 RPC強度的影響，此外，結(jié)合掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)分析了RPC高溫性能劣化機理，并基于試驗結(jié)果建立了RPC強度損失率與溫度和纖維摻量間的計算公式。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；石英砂：0.106～0.212 mm和0.212～0.245 mm粒徑石英砂的質(zhì)量比為1 ∶1，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.85%；硅灰：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.16%，比表面積為475 m2/kg；礦渣：28 d活性指數(shù)為99%，比表面積為475 m2/kg；減水劑：聚羧酸高效減水劑；PP纖維：直徑為48 μm，密度為0.91 g/cm3，彈性模量為3.6 GPa，抗拉強度為400 MPa，熔點為165 ℃；鋼纖維：直徑為0.22 mm，密度為7.8 g/cm3，抗拉強度為2 850 MPa；水：標(biāo)準(zhǔn)自來水。

1.2 試件尺寸及配合比

試驗共采用4種RPC配合比，對應(yīng)的鋼纖維體積摻量均為2%，PP纖維體積摻量分別為0%、0.10%、0.15%、0.20%，具體配合比見表1。每種配合比分別成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件54個用于立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗，100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件27個用于軸心抗壓試驗，每三個為一組，取其平均值，共計324個試件。

表1 不同纖維摻量 RPC配合比Table 1 Mix proportion of RPC with different fiber content

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

試件的具體制備流程如圖1所示。出料后，將混合物裝入試模，并在混凝土振動臺上振動成型后，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下放置24 h脫模，隨后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行高溫試驗。

圖1 試件制備過程Fig.1 Preparation process for specimens

1.4 試驗方案

高溫試驗在SX2-75-14A臺車式高溫箱式爐內(nèi)進(jìn)行，所有試件在高溫試驗前均在120 ℃的烘箱內(nèi)進(jìn)行了烘干處理，試驗設(shè)計的目標(biāo)溫度為20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃。為了防止溫度梯度應(yīng)力過高導(dǎo)致試件發(fā)生炸裂，試驗采用的升溫速率為3 ℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫2 h，使試件內(nèi)外溫度保持一致[17]。待試件溫度冷卻至室溫后，方可進(jìn)行力學(xué)試驗。

高溫試驗后，采用電液伺服壓力試驗機對試件進(jìn)行加載，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，抗壓試驗和劈裂抗拉試驗的加載速率分別為1.2～1.4 kN/s和0.08 MPa/s。

1.5 主要測試內(nèi)容

試驗主要內(nèi)容：(1)記錄RPC高溫后表觀現(xiàn)象和質(zhì)量損失；(2)測量高溫后RPC的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度，研究纖維摻量、溫度等對其強度的影響；(3)結(jié)合SEM觀察RPC高溫后的微觀結(jié)構(gòu)，了解RPC高溫性能劣化機理。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫試驗現(xiàn)象

高溫后不同纖維摻量RPC試件的外觀變化基本一致，圖2為高溫后SRPC0試件的表觀變化，由圖可知隨著溫度的升高，RPC試件的表觀顏色由深逐漸變淺，表面孔隙和裂紋不斷增多。300 ℃之前，試件外觀呈灰色，表面無可見裂縫和孔隙的發(fā)展；400 ℃之后，試件表觀顏色由淺灰色轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣?，試件表面出現(xiàn)微裂紋；溫度達(dá)到600 ℃后，試件變?yōu)榛野咨?，表面裂紋和孔隙增多，且出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象；800 ℃后，試件表觀顏色進(jìn)一步變淺為淺紅色，基體表面出現(xiàn)明顯的寬粗裂紋，試件變得疏松多孔。

圖2 高溫后SRPC0試件外觀變化Fig.2 Appearance change of SRPC0 specimen after elevated temperatures

圖3顯示了不同溫度后RPC的質(zhì)量損失率，由圖可知，隨著溫度的升高，試件的質(zhì)量損失率逐漸增大。200～400 ℃時，質(zhì)量損失速率最快，400 ℃后試件的質(zhì)量損失率為6.11%～6.57%，此階段損失主要源于結(jié)合水和凝膠水的蒸發(fā)。隨著溫度的升高，損失進(jìn)一步增大，主要表現(xiàn)為化學(xué)結(jié)合水的蒸發(fā)和Ca(OH)2的分解，600 ℃后試件的質(zhì)量損失率為7.63%～8.08%，800 ℃后，由于C-S-H凝膠和CaCO3的分解，試件的質(zhì)量損失率達(dá)到最大,為9.27%～9.74%。此外，經(jīng)歷相同的溫度后，PP纖維摻量高的試件質(zhì)量損失略大，這是由于PP纖維熔點較低，在165 ℃時蒸發(fā)并從試件內(nèi)逸出。

2.2 RPC高溫后立方體抗壓強度損失

圖4為RPC高溫后立方體抗壓強度損失率(Δfcu)，從圖中可以看出：(1)隨著溫度的升高，不同纖維摻量RPC的立方體抗壓強度損失率先下降后上升，臨界溫度為300 ℃。(2)小于300 ℃時強度的增加來源于基體內(nèi)未水化水泥顆粒和活性摻合料在高溫作用下“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”發(fā)生二次水化反應(yīng)，300 ℃時試件立方體抗壓強度較常溫時提升了11.12%～23.61%。300 ℃后隨著溫度的升高，損傷逐漸加劇，立方體抗壓強度損失率逐漸增大。600 ℃時立方體抗壓強度損失率為28.75%～36.84%，800 ℃后水泥水化產(chǎn)物分解，基體開裂嚴(yán)重，試件立方體抗壓強度損失率超80%。(3)摻有PP纖維的試件高溫后立方體抗壓強度損失率相對較低，且PP纖維摻量為0.15%時效果最佳。這是由于PP纖維熔點較低，為165 ℃，其經(jīng)歷高溫后在基體內(nèi)熔化留下的孔洞，一方面可以降低高溫蒸氣遷移形成的孔壓力，另一方面也會增加內(nèi)部缺陷。(4)同一目標(biāo)溫度下，RPC的立方體抗壓強度損失率最小，NSC次之，HSC最大，這表明鋼纖維和PP纖維能夠有效緩解基體因微觀結(jié)構(gòu)致密造成的高溫?fù)p傷，改善RPC高溫后的力學(xué)性能。

圖3 不同溫度后RPC的質(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss rate of RPC after elevated temperatures

圖4 RPC高溫后立方體抗壓強度損失率(Δfcu)Fig.4 Loss rate of cubic compressive strength (Δfcu) of RPC after elevated temperatures

2.3 RPC高溫后軸心抗壓強度損失

圖5為高溫后不同PP纖維摻量RPC的軸心抗壓強度損失率(Δfc)，從圖中可知試件的軸心抗壓強度損失與立方體抗壓強度損失有著相似的變化趨勢，隨著溫度的升高先減小后增加，但臨界溫度不同，軸心抗壓強度的臨界溫度為200 ℃，200 ℃時軸心抗壓強度提升了12.13%～16.12%。臨界溫度前試件相當(dāng)于經(jīng)歷了高溫固化過程，使得水泥水化反應(yīng)更加充分，強度有所增加。臨界溫度后，高溫?fù)p傷加劇，主要表現(xiàn)為基體內(nèi)C-S-H凝膠松散、裂紋增多、孔結(jié)構(gòu)粗化，軸心抗壓強度損失率增大。600 ℃后試件的軸心抗壓強度損失率在61.23%～69.50%，隨著溫度繼續(xù)升高，損失率進(jìn)一步增大，800 ℃時由于試塊被燒結(jié)，強度有所回升，此時軸心抗壓強度損失率超85%。此外，在經(jīng)歷相同的溫度后，軸心抗壓損失率大小為SRPC0>HRPC1>HRPC2>HPRC1.5，這表明PP纖維能夠緩解基體的高溫?fù)p傷，且PP纖維的最佳摻量為0.15%。

2.4 高溫后RPC軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比

高溫后不同纖維摻量RPC試件軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比(fc/fcu)如圖6所示，從圖中可知：(1)常溫下四種纖維RPC的fc/fcu為0.92，大于普通混凝土的0.76～0.80和高強混凝土的0.80～0.85。(2)隨著的溫度升高，不同纖維摻量RPC的fc/fcu呈先減小后增大的趨勢。300 ℃前fc/fcu與常溫時較為接近，立方體試件和棱柱體試件再水化程度相當(dāng)，溫度對fc/fcu的影響不顯著；300～700 ℃時fc/fcu比值大幅度下降，這是由于相比于立方體，蒸汽更難從棱柱體內(nèi)逸出，棱柱體試件的高溫?fù)p傷更為嚴(yán)重，故此階段軸心抗壓強度衰退速率高于立方體抗壓強度；700 ℃后試塊被燒結(jié)，fc/fcu比值有所回升。(3)不同纖維摻量RPC的fc/fcu比值隨溫度變化的關(guān)系見表2，圖7為擬合曲線與試驗值的對比，結(jié)合圖表可知擬合精度較高，試驗值與擬合值吻合良好。

圖5 RPC高溫后軸心抗壓強度損失率(Δfc)Fig.5 Loss rate of axial compressive strength (Δfc) of RPC after elevated temperatures

圖6 不同溫度后RPC軸心抗壓強度(fc)與 立方體抗壓強度(fcu)比Fig.6 Ratio of axial compressive strength (fc) to cubic compressive strength (fcu) of RPC after elevated temperatures

表2 不同纖維摻量 RPC的fc/fcu比值與溫度的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of fc/fcu ratio of RPC with different fiber content and temperature

2.5 RPC高溫后劈裂抗拉強度損失

圖8為不同纖維摻量和溫度后RPC的劈裂抗拉強度損失率(Δfts)，從圖中可以看出所有RPC試件的劈裂抗拉強度損失率均隨著溫度的升高呈先降低后升高的趨勢，臨界溫度為300 ℃。300 ℃前水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)相互促進(jìn)導(dǎo)致劈裂抗拉強度大幅度提升，300 ℃時劈裂抗拉強度提升了6.21%～16.52%。300 ℃后高溫蒸氣壓不斷增大，至400 ℃時高溫?fù)p傷占主導(dǎo)地位，試件的劈裂抗拉強度損失率不斷增大，600 ℃時強度損失率接近60%，800 ℃后基體損傷嚴(yán)重，劈裂抗拉強度損失率超90%。300 ℃后劈裂抗拉強度損失率的持續(xù)增大主要是由于高溫導(dǎo)致基體內(nèi)的漿體開裂和水泥水化產(chǎn)物的分解。值得注意的是，同一溫度下立方體劈裂強度損失率較立方體抗壓強度損失率更大，原因可能是相比于抗壓強度，劈裂抗拉強度對裂紋和孔隙更為敏感。此外，PP纖維緩解高溫?fù)p傷效果在400 ℃前較為顯著，400 ℃不同纖維摻量RPC的劈裂強度損失率較為接近。

圖7 擬合曲線與試驗值對比Fig.7 Comparison of fitted line and test value

2.6 強度損失與纖維摻量和溫度間的關(guān)系

考慮纖維摻量和溫度對強度損失的影響，圖9～圖11給出了強度損失率與PP纖維摻量和溫度間的三維擬合圖，擬合公式見表3。從圖中可知，相比于PP纖維摻量，強度損失率受溫度的影響更加顯著，所有擬合公式的相關(guān)系數(shù)均大于0.88，擬合精度較高，擬合結(jié)果可為RPC在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供參考。

圖8 RPC高溫后劈裂抗拉強度損失率(Δfts)Fig.8 Loss rate of split-tensile strength (Δfts) of RPC after elevated temperatures

圖9 RPC立方體抗壓強度損失率與 纖維摻量和溫度間的關(guān)系Fig.9 Relationship between loss rate of cubic compressive strength and fiber content as well as temperature

圖10 RPC軸心抗壓強度損失率與 纖維摻量和溫度間的關(guān)系Fig.10 Relationship between loss rate of axial compressive strength and fiber content as well as temperature

圖11 RPC劈裂抗拉強度損失率與 纖維摻量和溫度間的關(guān)系Fig.11 Relationship between loss rate of split-tensile strength and fiber content as well as temperature

表3 強度損失率與PP纖維摻量和溫度間的擬合結(jié)果Table 3 Fitting results between strength loss rate and PP fiber content as well as temperature

2.7 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖12為HRPC1.5高溫后的微觀形貌。由圖可知：常溫下基體微觀結(jié)構(gòu)致密、完整、連續(xù)，存在大量的C-S-H凝膠和部分未水化顆粒；200 ℃后相當(dāng)于經(jīng)歷了“自蒸”過程，二次水化反應(yīng)生成了更多的C-S-H凝膠，導(dǎo)致基體變得更加緊密，宏觀表現(xiàn)為強度較常溫時有所提升；400 ℃后基體內(nèi)觀察到少量的微裂紋，水泥漿體開始變得松散，但整體依然致密，宏觀體現(xiàn)為強度損失率增大；600 ℃后水泥水化產(chǎn)物分解，漿體松散，基體內(nèi)部觀察到寬粗裂紋，強度大幅度下降；800 ℃后漿體開裂嚴(yán)重，觀察到大量的裂紋和孔隙，強度損失率超80%。

圖12 高溫后HRPC1.5試件的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM images of HRPC1.5 after high temperatures

圖13顯示了纖維-基體的微觀形貌。從圖中可以看出，常溫下鋼纖維-基體連接緊密，界面區(qū)完整致密，隨著溫度的升高，界面區(qū)逐漸變得疏松多孔，鋼纖維逐漸氧化脫碳，其失效模式由最初的拔出轉(zhuǎn)變?yōu)檎蹟?。而PP纖維在高于165 ℃熔化留下的通道緩解了高溫蒸氣壓對基體的損傷，但也增加了基體的內(nèi)部缺陷。

圖13 高溫后纖維-基體界面的SEM照片F(xiàn)ig.13 SEM images of fiber-matrix interface after elevated temperatures

3 結(jié) 論

(1)隨著溫度的升高，RPC試件的表觀顏色逐漸由深變淺，質(zhì)量損失率逐漸增大。20～300 ℃，試件外觀呈灰色；400～600 ℃，表觀顏色由棕色往灰白色轉(zhuǎn)變，試件表面出現(xiàn)裂紋和孔洞；800 ℃后，試件變?yōu)闇\紅色，表面出現(xiàn)大量裂紋和孔洞，質(zhì)量損失率高達(dá)10%。試件的質(zhì)量損失率損失主要源于自由水、結(jié)合水和凝膠水的蒸發(fā)以及水化產(chǎn)物的分解。

(2)隨著溫度的升高，RPC的強度損失率均呈先減小后增大的趨勢，但臨界溫度不同，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的臨界溫度為300 ℃，而軸心抗壓強度的臨界溫度為200 ℃。臨界溫度前強度的上升是由于再水化反應(yīng)的充分進(jìn)行；臨界溫度后水化產(chǎn)物分解、漿體開裂，導(dǎo)致試件強度損失率逐漸增大。

(3)高溫后RPC試件的劈裂抗拉強度損失率高于立方體強度損失率。300 ℃前軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的變化幅度基本一致，300 ℃后軸心抗壓強度衰退速率快于立方體抗壓強度，800 ℃后強度損失率均超80%。通過回歸分析，給出了軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值隨溫度變化的計算公式。

(4)高溫后PP纖維熔化留下的通道能有效緩解基體內(nèi)的高溫蒸氣壓，宏觀表現(xiàn)為摻有PP纖維的RPC試件高溫后強度損失率相對較小，試驗結(jié)果表明當(dāng)鋼纖維摻量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，PP纖維的最佳摻量為0.15%(體積分?jǐn)?shù)),宏觀強度退化的根本原因是基體微觀形貌的劣化。

(5)基于試驗結(jié)果，建立了RPC強度損失率與溫度和PP纖維摻量間的計算公式。