材料科学综合

超高性能混凝土的火灾高温性能研究综述

朋改非，牛旭婧，成铠，等

摘要：超高性能混凝土（ultra-high-performance concrete，UHPC），以其突出的优点如超高强度与超高耐久性等，符合可持续发展战略，是混凝土科技发展的主要方向之一，也是国际混凝土领域的研究热点与前沿。近年来火灾一直是建筑结构面临的严重灾害威胁之一，对于采用UHPC建成的建筑结构亦不例外。因此，UHPC的火灾高温性能吸引了越来越多的研究关注，主要体现在两方面，即高温爆裂和高温引发的残余力学强度变化。针对UHPC的高温爆裂问题，本文作者于2013年研究了钢纤维UHPC与混杂纤维（钢纤维、PP纤维）UHPC，强度介于80～105 MPa，试件内部湿含量分别为0、25%、50%、63%、75%、88%、100%。结果表明水胶比为0.16～0.20的UHPC在高温下极易发生爆裂，其中不含纤维的素 UHPC在各个湿含量条件下均发生了严重的高温爆裂，体积掺量0.1%的PP纤维有一定的抑制爆裂作用。同时，内部湿含量越高，则爆裂越严重。这表明湿含量与纤维是影响高温爆裂的两大因素，掺加 PP纤维是一种有效抑制UHPC高温爆裂的途径。进一步的研究揭示了钢纤维对UHPC高温爆裂的作用。2016年本文作者研究证实，钢纤维可以显著减轻混凝土的高温爆裂，但并不能避免爆裂的发生。掺入端钩型普通工业钢纤维（长度为35 mm，直径为0.55 mm）的UHPC呈现出了最优的抗高温爆裂性能，其次是掺入再生钢纤维的UHPC。而且，钢纤维的几何形状特征显著影响了钢纤维增韧超高性能混凝土的高温爆裂。相同掺量情况下，单位体积内分布密度较大的钢纤维（即钢纤维直径更小、长度更短，单位体积内钢纤维分布根数更多），或者分布密度较小但可以显著增加混凝土断裂韧性（断裂能）的钢纤维，抑制高温爆裂的效果更好，但还不能杜绝高温爆裂的发生。2017年本文作者还研究了含粗骨料对UHPC高温爆裂行为的影响。发现含粗骨料的UHPC抗高温爆裂性能优于活性粉末混凝土，即粗骨料有助于减轻UHPC的高温爆裂。通过试件断面观测发现，当有粗骨料存在时，常温下UHPC试件在劈裂测试过程中主要发生了贯穿粗骨料的开裂。然而，UHPC试件在高温爆裂破坏过程中，大量粗骨料从砂浆基体剥离并保持完整，混凝土沿着界面区破坏，这与其劈裂破坏形式显著不同，这说明高温下存在于UHPC试件内部的应力是不均匀的。通常，引起混凝土发生爆裂的内部应力较大，主要由蒸汽压力和热应力组成。蒸汽压力仅局部存在于混凝土内部的砂浆中及界面区，而热传导引起的热应力却相对均匀地分布于混凝土内各组分中。此外，未发生任何高温爆裂的湿含量为0%的UHPC试件内部的蒸汽压力极为微小，但仍然存在相对均匀的热应力。该研究结果还显示，随着湿含量的增大，高温爆裂越严重。因此，蒸汽压力是引发UHPC高温爆裂的主导因素。更为重要的是，2016年本文作者研究提出了一种新颖养护方法，即“组合养护”，可显著改善UHPC的抗高温爆裂性，同时还可显著提高常温力学性能。这种组合养护，由常温保湿养护、90℃热水养护和200～250℃的干热养护构成，所制得的UHPC具有优异的抗高温爆裂性，同时可使抗压强度从对比组试件的150 MPa提高到200 MPa。试验结果表明，常温泡水养护的试件，高温爆裂严重，爆裂成为一堆细小的碎块；干热养护的试件，爆裂程度有所减轻，但仍有发生；组合养护的试件，在高温下完全不发生爆裂。这种新方法于2017年11月获中国发明专利授权。本文的微观结构研究揭示了组合养护改善UHPC火灾高温性能的机理是组合养护促进UHPC内部的一系列化学变化，如残余未水化水泥颗粒继续水化、矿物掺合料发生火山灰反应、部分前期水化形成的CSH凝胶转化为水化硅酸钙晶体。这些化学变化使微观结构得到了强化，更为重要的是水化与火山灰反应消耗了可观数量的内部游离水，致使UHPC内部游离水数量大为降低。这样，当遭受火灾高温作用时，UHPC内部不再出现较高的蒸汽压，高温爆裂也就不再发生。关于高温对UHPC力学性能的影响，2017年本文作者试验研究表明，UHPC在高温作用后的残余抗压强度均随着温度的升高呈现先增长再下降的趋势，即在常温～400℃或300℃范围内残余抗压强度呈现增长，在高于400℃或300℃的范围内呈现逐渐下降。关于上述强度变化的原因，本文作者对遭受高温后磨细的硬化水泥浆（水胶比为0.38）的微观分析结果显示，未水化的硅酸钙含量随着目标温度的升高呈现先减小再增大的趋势，先减小是因为继续水化的消耗，再增大是因为水化硅酸钙的分解。这说明遭受高温后的硬化水泥浆的内部依然存在一定数量的水分与未水化的水泥颗粒继续水化。而UHPC（水胶比为 0.18）内部结构的致密性显著高于水胶比为0.38的硬化水泥浆，水分极难逸出，其内部存在可继续水化的水分。不过，当温度继续升高，超出一定的温度范围后，高温损伤亦逐渐加大，从而导致混凝土的残余抗压强度呈现逐渐降低的趋势。此外，含粗骨料的UHPC残余抗压强度均高于不含粗骨料的UHPC，表明粗骨料对超高性能混凝土的残余抗压强度具有一定的提高作用。因此，粗骨料在UHPC中并不一定是薄弱界面的来源。如果混凝土制备得当，含粗骨料的UHPC也可以具备良好的高温力学性能，并不弱于不含粗骨料的UHPC，即活性粉末混凝土。综上，本文关于UHPC火灾高温性能研究的重要发现是提出了一种抑制UHPC高温爆裂的新方法，即组合养护，可以有效抑制UHPC在高温下的爆裂发生，这是一条明显不同于国内外很多研究通常采用掺加聚合物纤维的新途径。组合养护还可显著提高UHPC的力学性能。本研究从微观结构研究中给出了令人信服的证据，揭示了组合养护对UHPC性能的作用机理。

来源出版物：材料导报, 2017, 31(23)： 17-23

入选年份：2017