高温对早龄期混凝土力学性能的影响

黄国栋，张戎令，2，张瑞稳，李 华，郭海贞

（1.兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070；2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州 730070）

近年来，建筑火灾事故频繁发生，火灾已成为建筑工程的重大安全隐患之一。建筑物一旦发生火灾，其内部温度在短时间内迅速升高，造成混凝土力学性能退化，将直接影响结构的承载能力。国内外学者对普通混凝土和高强混凝土高温力学性能研究得出：混凝土经高温作用后力学性能的衰退与高温作用时间、温度、冷却方式、养护方式、受热后静置时间等因素有关［1-2］；钢纤维和聚丙烯纤维不仅可以抑制混凝土的高温爆裂，而且可以提高混凝土在高温后的残余抗压强度［3-4］；喷水冷却试件内有新水化物生成，对混凝土抗压强度相对有利［5］；高温后大掺量粉煤灰混凝土抗压强度退化率低于普通混凝土［6］。

以往研究成果多基于28 d 龄期以上的高温混凝土，现实生活中可能在混凝土早龄期发生火灾导致其经受高温损伤。目前，对早龄期混凝土高温作用后力学性能的试验研究较少。因此，本文研究单掺10%粉煤灰和单掺10%矿粉的早龄期混凝土经历不同高温后其残余抗压强度和质量烧失率随龄期和温度的变化规律。

1 高温试验和抗压强度试验

1.1 试验原材料

水泥采用哈密天山水泥有限责任公司生产的天山牌P·Ⅱ52.5 型硅酸盐水泥，其技术指标见表1；粗骨料为碎石，采用5～10 mm 和10～20 mm 2 种粒径范围的石子以3∶7的质量比搭配，压碎指标属于Ⅰ类；细骨料采用河沙，细度模数为2.8，属于中砂，含泥量为1.4%，表观密度为2 642 kg/m3，空隙率为37.1%；矿物掺和料采用Ⅰ级粉煤灰和S95 级矿粉，其技术指标分别见表2、表3；减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，用量为胶凝材料质量的1.3%；拌和用水采用自来水。

表1 P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥技术指标

表2 粉煤灰技术指标 %

表3 矿粉技术指标

1.2 混凝土配合比及试件制作

制备了2 种类型的C50 混凝土试件，水胶比均为0.34，分别掺10%粉煤灰的混凝土（FC）和掺10%矿粉的混凝土（KC），配合比见表4。试件成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，混凝土入模并振捣密实后抹平表面，静置在常温室内，24 h后拆模并放置于养护室内进行标准养护。

表4 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 试验方法

1.3.1 高温试验

首先，将混凝土试件标准养护至规定龄期取出，擦拭表面水分，称取高温前的质量。然后将试件放入SX2-12-10 型箱式电阻炉内进行高温试验。炉膛尺寸为500 mm×300 mm×200 mm，功率为12 kW，最高温度可达1 200 ℃，控制精度±1 ℃。本型号电阻炉配有温度控制仪，炉膛内温度可自动调控，达到目标温度后恒温6 h（以保证试件内部均匀受热），然后停止加热，取出试件放置在室内自然冷却至室温。

本试验加热温度按GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法》［7］中标准时间-温度曲线设定。该曲线公式为：T=T0+345lg（8t+1）。其中：T为火灾温度；T0为常温，取20℃；t为火灾时间。计算得出加热到目标温度300，500，700 ℃时分别需要1，3，12 min。

1.3.2 抗压强度试验

按GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》［8］中要求进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 经受高温后试件质量烧失率

不同龄期试件经受高温后质量烧失率与温度的关系见图1。可知：2种试件不同龄期质量烧失率均随着温度的升高总体呈线性增长，并且相同龄期质量烧失率随温度升高增长趋势相近。这是因为混凝土试件孔隙内含有大量的自由水，随着温度的升高自由水逐渐蒸发，从而导致质量烧失率增长。当温度升至一定值时水分严重损失，水泥水化产物Ca（OH）2等分解脱水，使得质量烧失率进一步增长。温度继续升高，骨料中白云石、碳酸钙等开始分解，骨料不再稳定。2种试件温度达到700 ℃时质量烧失率均达到7%左右。试件28 d 的质量烧失率增长出现异常，总体不呈线性增长，但试件质量烧失率仍随着温度的升高而增大。

图1 不同龄期试件经受高温后质量烧失率与温度的关系

2.2 经受高温后试件残余抗压强度

不同龄期试件经受高温后残余抗压强度与温度的关系见图2。

图2 不同龄期试件经受高温后残余抗压强度与温度的关系

由图2 可知：①相同龄期时2 种试件残余抗压强度随温度升高变化趋势基本一致。②7 d 龄期时2 种试件的残余抗压强度均随着温度升高呈先增大后减少的趋势，其临界温度为300 ℃。FC 和KC 试件临界温度下的抗压强度分别为47.6，50.1 MPa，比常温时抗压强度（39.9，41.4 MPa）分别提高了19%和21%。这是因为7 d 龄期时水泥水化程度相对较低，300 ℃高温使得混凝土试件内部大量的水分蒸发，而试件内部结构密实，部分水蒸汽会留在混凝土试件内部，促进未水化的水泥颗粒发生水化反应，从而提高混凝土试件的残余抗压强度。③14，21，28 d龄期时试件残余抗压强度均随着温度的升高呈先平缓下降，后快速下降的趋势。500 ℃高温时，14，21，28 d 龄期 FC 试件残余抗压强度分别降至常温时的92%，83%，63%，KC 试件分别降至常温时的89%，78%，62%；700 ℃高温时2 种试件残余抗压强度均降至常温时的30%～40%，基本丧失承载力。这是因为500 ℃高温时混凝土试件内部严重失水，使得试件内部出现更多孔隙及裂纹，其残余抗压强度降低。700 ℃高温时混凝土试件内部水化产物C-S-H 凝胶和Ca（OH）2晶体基本分解，试件内部损坏严重，导致其残余抗压强度迅速下降。

2.3 经受高温后试件残余抗压强度与温度的拟合公式

根据文献［3，6］对混凝土试件28 d 龄期高温作用后试验数据的统计分析和拟合结果，再结合本文试验结果，对2 种混凝土试件的残余抗压强度与温度的关系进行拟合。残余抗压强度ƒcu，T可表示为

式中：a，b，c均为回归系数；20 ℃≤T≤700 ℃。

采用最小二乘法拟合出不同龄期试件经受高温后残余抗压强度与温度的关系。

FC试件经受高温后各龄期拟合公式依次为

KC试件经受高温后各龄期拟合公式依次为

3 结论

1）2 种混凝土试件不同龄期的质量烧失率均随着温度的升高总体呈增大趋势，并且相同龄期增长趋势相近。

2）相同龄期时2种混凝土试件的残余抗压强度随温度升高变化趋势基本一致。700 ℃高温时2 种混凝土试件各龄期残余抗压强度均降至常温时的30%～40%，基本丧失承载力。

3）通过对试验数据的分析，给出了2 种早龄期混凝土试件经受高温后残余抗压强度与温度关系式，可供实际工程中早龄期混凝土经受高温后性能分析评价提供参考。