细骨料种类对高温后高性能混凝土力学性能的影响

金 鑫 杜红秀

（1.驻马店市建筑勘察设计院有限公司，河南 驻马店 463000；2.太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原

030024）

随着现代土木工程对混凝土的要求越来越苛刻，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性等特点的高性能混凝土脱颖而出［1］.但是，高性能混凝土密实度高、渗透性低，在高温下易爆裂，由于其耐火性能较差，造成火灾中结构的承载能力急剧下降，严重的会造成建筑物坍塌，给社会带来惨重的损失［2］.所以，不断地研究和总结高性能混凝土高温力学性能对现实社会有着非常重大的意义.

我国对混凝土耐火性能的探索相对较晚，20世纪60年代，冶金部建科院等多家单位做了高温下混凝土力学性能的试验研究［3］.如今，有很多学者对混凝土在高温后的强度进行了试验研究［4－8］，可是绝大多数是关于天然砂混凝土的，针对高温作用后机制砂混凝土力学性能的试验研究还很少.随着人们对环境保护的日益关注和天然砂资源的大量消耗，在国家的大力主张和普及下，机制砂混凝土才得以在土木工程中普遍使用［9］，故有必要对高温作用后机制砂混凝土的力学性能进行研究.通过对96块C40高性能混凝土的立方体试件和棱柱体试件进行了高温300℃、500℃和700℃烧透作用后的多种力学性能试验，以期建立相关力学性能与温度之间的关系，得到其随温度变化的规律，从而为高性能混凝土结构火灾后的损伤评估及其加固提供试验依据.

1 试验概况

1.1 试件原材料及配合比

本实验所采用的水泥：P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积350m2／kg；粗骨料：粒级为5～25mm的级配良好的石灰岩碎石；细骨料：细度模数为2.62的优质河砂、细度模数为2.65的优质机制砂；掺合料：S105型矿渣微粉、Ⅰ级粉煤灰；外加剂：萘系高效减水剂（HS－AF），减水率为15%～20%.C40高性能混凝土配合比见表1.

表1 混凝土配合比 （单位：kg·m－3）

1.2 试件成型及养护

根据混凝土配合比，制成16组150mm×150mm×150mm立方体试件和16组150mm×150 mm×300mm棱柱体试件，每组3块，共96块，其中河砂混凝土和机制砂混凝土各占一半，实测坍落度在160～200mm之间，拌合物的粘聚性和保水性良好.试件制作采用实验室60L卧式混凝土搅拌机，搅拌流程如图1所示.搅拌完毕后测定坍落度，振动成型，插入热电偶，并使热电偶的工作端固定于试件的中心部位.成型24h后脱模，标准养护室养护28d.

图1 高性能混凝土搅拌流程

2 试验研究

2.1 高温试验

试块在养护室内养护28d后取出，晾干1周后进行高温试验.高温试验采用SRJX型箱式电阻炉，额定电压220V，额定功率15kW，最高工作温度1 200℃，平均升温速率15℃／min，炉膛规格：600mm×400mm×400mm；且配有自动控制仪，可设置目标温度，达到目标温度后系统会自动控制保持恒温.热电偶的自由端与温度巡检仪相连，可以直接读出试件中心的温度.高温试验目标温度为300℃、500℃和700℃，试件升温机制如图2所示.试件冷却24h后进行轴心抗压强度试验和弹性模量试验.

图2 试件升温机制

2.2 力学试验

试验采用STYE－3000C型全自动压力试验机，测量范围力0～3 000kN，额定功率750W，额定电压380V.混凝土弹性模量测定仪：型号 MT－3型，标距150mm，千分表量程0～1mm，分度值0.001mm.依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081－2002）进行混凝土力学性能试验.

3 试验结果及分析

3.1 立方体抗压强度

各组试件的立方体抗压试验结果见表2.

表2 高温前后混凝土各项力学性能指标

图3给出了混凝土立方体抗压强度随试验温度的变化情况.由图3可知，河砂混凝土在300℃高温后的立方体抗压强度略高于常温时的立方体抗压强度，约为105.39%，在500℃和700℃高温后的立方体抗压强度较常温时的分别下降15.28%和56.76%；机制砂混凝土的立方体抗压强度随着经历温度的升高均有不同程度的降低，总体呈下降趋势，在300℃、500℃和700℃高温后的立方体抗压强度较常温时的分别下降7.76%、30.01%和74.96%.

图3 混凝土立方体抗压强度随试验温度的变化曲线

3.2 劈裂抗拉强度

各组试件的劈拉试验结果见表2.图4为高温作用后混凝土劈裂抗拉强度的下降趋势.由图4可知，河砂混凝土和机制砂混凝土的劈裂抗拉强度在300℃、500℃和700℃高温后的的变化趋势基本一致，大致呈线性下降.在700℃高温后，河砂混凝土和机制砂混凝土的劈裂抗拉强度仅为常温时劈裂抗拉强度的21.48%和17.77%.机制砂混凝土在高温后的劈裂抗拉强度均低于相同温度后河砂混凝土的劈裂抗拉强度.

图4 混凝土劈裂抗拉强度随试验温度的变化曲线

3.3 轴心抗压强度

各组试件的轴心抗压试验结果见表2.图5给出了混凝土轴心抗压强度随试验温度的变化情况.由图5可知，河砂混凝土和机制砂混凝土的轴心抗压强度在300℃、500℃和700℃高温后的的变化趋势基本一致，在300℃以前，下降缓慢，在300℃后下降迅猛.在700℃高温后，河砂混凝土和机制砂混凝土轴心抗压强度仅为常温时轴心抗压强度的24.17%和10.54%.

图5 混凝土轴心抗压强度随试验温度的变化曲线

3.4 静力受压弹性模量

各组试件的静力受压弹性模量（本文简称弹性模量）试验结果见表2.图6给出了混凝土弹性模量随试验温度的变化情况.由图6可知，河砂混凝土和机制砂混凝土的弹性模量在300℃、500℃和700℃高温后的的变化趋势基本一致，300℃高温后的弹性模量较常温时下降较大，分别为常温时弹性模量的42.11%和37.00%；300～700℃高温后下降减缓，700℃高温后的弹性模量仅为常温时弹性模量的14.13%和6.23%.

图6 混凝土弹性模量随试验温度的变化曲线

3.5 烧失量

各组试件的烧失量试验结果见表2.图7给出了混凝土烧失量随试验温度的变化情况.

图7 混凝土烧失量随试验温度的变化曲线

由图7可知，河砂混凝土和机制砂混凝土的烧失量在300℃、500℃和700℃高温后的的变化趋势基本一致，随着经历温度的升高烧失量不断增加；在300℃高温后，河砂混凝土和机制砂混凝土的烧失量非常接近，分别为5.57%和5.41%；在500℃和700℃高温后河砂混凝土的烧失量高于机制砂混凝土的烧失量，700℃高温后河砂混凝土和机制砂混凝土的烧失量分别为9.69%和7.32%.

3.6 高性能混凝土高温劣化机理分析

混凝土是一种多相、多组分的非均质材料，其内部结构由各种集料、水泥石和在混凝土成型期间产生的微缺陷（微孔洞、微裂缝）等组成，混凝土内部不同尺寸、不同层次的微损伤的形成、增长和连接，都将降低混凝土的宏观力学性能，其中骨料与水泥浆本体之间的界面过渡区是混凝土最薄弱的部分［10］.当高温作用时，骨料的受热膨胀和水泥浆体的脱水收缩造成过渡区的微缺陷扩展.当高温作用后，水泥浆体脱水无法恢复，骨料变形逐渐恢复，变形不协调加剧，导致骨料与水泥石的粘结面积减少，界面过渡区水泥浆的粘结力被严重削弱，这是混凝土经历高温作用后力学性能劣化的主要原因.

在300℃高温后，混凝土内的自由水缓慢蒸发，由于高度密实的结构使生成的水蒸汽没有足够的逃逸时间和空间，整个试件处于蒸养状态，促进未水化水泥颗粒进一步水化.该过程新生成的CH晶体和C－S－H凝胶填充了混凝土内部的微缺陷，故在300℃高温烧透后混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度变化不大.

300～500℃时，凝胶体中的吸附水和结合水开始缓慢散失，失水和未失水的凝胶之间温度膨胀系数有所差别，其接触部位出现应力集中而产生裂缝.400℃以后，C－S－H 凝胶开始脱水分解［11］，使原来具有很高强度的空间网状结构开始破坏，强度显著下降，裂缝增多；水泥浆体中的CH晶体也逐渐开始分解生成CaO，而骨料膨胀，骨料和浆体之间的粘着被削弱，因此，强度逐渐降低.

500～700℃时，水泥浆体严重分解脱水，变得疏松.600℃以后，粗骨料中的CaCO3逐渐分解，烧失量骤增，混凝土骨架逐渐破坏.在700℃高温烧透后，河砂混凝土和机制砂混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均不足其常温时的30%.

4 基本结论

1）对遭受火灾后的高性能混凝土力学性能影响最大的原因是经历的最高温度，在相同的烧透条件下，C40高性能混凝土的力学性能随着经历温度的升高总体呈下降趋势.

2）河砂混凝土和机制砂混凝土的力学性能在300℃、500℃和700℃高温后的的变化趋势基本一致，且在相同条件下机制砂混凝土的力学性能不如河砂混凝土的力学性能.

3）在对火灾后的混凝土建筑物进行损伤评估时，混凝土烧失量试验可以为鉴定混凝土结构受火温度提供可靠的依据.

4）在700℃高温烧透后，河砂混凝土和机制砂混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均低于其常温下的30%，可判定混凝土失效.在对火灾后的混凝土建筑物进行加固处理时，可将达到700℃的混凝土区域全部凿掉，进行修补加固.

5）在满足混凝土性能要求的前提下，选用优质机制砂作为混凝土的细骨料，不仅可提升资源利用率，节约建造成本，又可保证工程质量.因此，开发机制砂代替河砂具有非常广阔的应用前景.

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