高温下灌浆料抗压力学性能试验研究

邹宇驰，毛小勇

（苏州科技大学 江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州215011）

灌浆料是一种以高强度材料为骨料，以水泥基材料为结合剂，加入外加剂和矿物掺合料等而成的一种干混料。灌浆料具有自流性好，快硬、早强、高强、不泌水、自密性好，耐久性好等优点[1]，被广泛应用于预制装配式混凝土的节点灌浆连接。

从20世纪70年代开始，我国就开展了灌浆料的研究工作，并出台了多项相关标准[2-5]。国内外学者对灌浆料常温下的物理性能、水化机理等方面开展了较多的研究，比如：M.Sahmaran等[6]提出掺入某些矿物掺合料和高效减水剂可以配制出性能优异的灌浆料；徐长伟[7]研究了掺入磷渣粉对灌浆料力学性能的影响。

火灾高温作用下，材料性能发生劣化，导致结构出现损伤。对于预制装配式混凝土结构，节点区在高温下的损伤情况与灌浆料高温下的性能密切相关，目前的高温下材料性能研究主要集中于普通混凝土，如覃丽坤等[8-9]对C50和C65两种强度等级的混凝土进行高温下抗压力学性能试验研究；部分学者也开展了高温后灌浆料的性能研究，比如：袁广林等[10]研究了高性能水泥基灌浆材料高温后抗压强度的退化规律；然而，对灌浆料高温下的性能还知之甚少。

基于上述情况，本文开展了高温下灌浆料抗压性能试验研究，获得了抗压强度、峰值应变、应力-应变曲线等高温下灌浆料的力学性能参数。研究成果可为预制装配式结构节点抗火性能研究提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

采用了2种强度等级的灌浆料（标准型无收缩灌浆料C65型，超高强无收缩灌浆料C80型），设置为4个温度点，即室温（20℃）、200℃、400℃和600℃，每个温度测点制作了3个平行试件，共计24个试件。试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，试件详细参数见表1所列。

1.2 试件制作

试验采用的灌浆料由青岛卓能达建筑科技有限公司提供。首先，试件按一定的质量比，即水∶灌浆料=11.5∶100的比例进行混合，机械搅拌4 min，倒入100 mm×100 mm×300 mm的模具进行浇筑；24 h后拆模，然后放入标准养护室养护28 d。由于灌浆料制作的试件具有高密实性，在高温下极易出现爆裂情况，根据蒸汽压力理论，含水率是爆裂的主要影响因素之一[11]，故在抗压试验前对试件进行预烘干处理。为了防止烘干温度过高对灌浆料力学性能产生影响，在恒温60℃下进行烘干处理，烘干的方法依据《建筑材料及制品的湿热性能含湿率的测定烘干法》[12]进行，将试件的含水量从3.9%降至1.4%。制作完成的灌浆料试件如图1所示。

表1 力学试验参数及试件数量

1.3 试验设备和装置

图1 灌浆料抗压试件

烘干设备为上海科恒实业发展有限公司生产的101型电热鼓风干燥箱，如图2所示。升温设备用吉林省三度试验设备有限公司的高温试验炉，其内部外观如图3所示；炉箱与炉膛中间有特制的隔热层，可以降低试验时炉膛内热量的流失。并且试验炉的炉膛分上、中、下三段，每段分别设有热电偶，可以通过温控系统实时监控炉膛内的温度，如图4所示。预埋有热电偶的灌浆料试件中心的温度采用TST3828EN动态信号测试分析系统进行实时采集，温度控制系统如图5所示。

试验采用的加载设备为深圳凯强利公司生产的100 t液压试验机，如图6所示（加载示意见图7）。加载装置的上部压头和下部压头外都设置有冷却盘，通过水泵加压提供内部循环水。上下压头采用特制的耐高温合金制成，并在高温下不易变形。由于高温下难以精确测量炉膛内的灌浆料棱柱体试件的轴向变形，通过特制耐高温合金导杆架连接在上下压头，再通过电子引伸计将变形传递到计算机，电子引伸计如图8所示。

图2 电热鼓风干燥箱

图3 高温试验炉

图4 温度控制系统

图5 温度采集仪

图6 高温加载装置

图7 高温加载装置示意图

图8 电子引伸计

1.4 试验方案

试验采用恒温加载方案。考虑到过快的升温速率会导致试件内外产生较大的温度应力，易造成灌浆料试件的爆裂，故将本次试验的升温速率设定为8℃/min。

灌浆料是一种热惰性材料，在升温过程中，热量传递到灌浆料内部需要一定的时间。为了使试件内外温度均匀，在炉温达到设置温度之后，还需要恒温一段的时间。为了确定合理的恒温时长，预先制备了3个相同尺寸的试件，并在试件中心部位预埋热电偶，测定试件中心达到高温200℃、400℃、600℃所需要的时间。升温过程中炉温和试件中心测点的升温曲线如图9所示，可以看出，在升温到200℃、400℃、600℃三个温度点之后，还需分别恒温约140 min、105 min和100 min以上。

达到恒温时间后，试件内外温度一致，然后开始加载；试验采用位移加载制度进行连续加载。在高温下，灌浆料会膨胀、易破坏，故试验加载速率不可过大；加载速率设置为1.1mm/min，加载直到试件破坏。

图9 炉温和试件中心升温曲线

2 试验现象

升温超过100℃之后，有少量的白色水蒸汽从炉中散发出来，这些水汽主要是试块表面的水分。随着温度的升高，水汽溢出依然不明显。在升温过程中，灌浆料会散发出少量的刺激性气味，这是由于灌浆料中添加的成分在高温下发生了分解。预先烘干处理后的试件，在升温过程中均未发生爆裂。

通过3个中心预埋热电偶试块在高温作用后的表观特征发现，随着灌浆料试件从20℃上升到600℃，其表面逐渐从深灰色向浅黄色变化。在200℃高温作用之后，灌浆料试件的表面并无明显裂纹，试件表面颜色向灰白色转变。在400℃高温作用之后，灌浆料试件的表面向浅黄色转变，并出现了极细小的裂纹。在600℃高温作用后，灌浆料试件表面颜色由浅黄色略有加深，并且裂纹逐渐变长、增多、变宽。

加载结束时并冷却到室温后，试块破坏特征如图10与图11所示。可以看到，试件大多为沿着斜对角线的主裂缝剪切破坏。在相同温度下，C65型和C80型两种灌浆料破坏模态相似。与普通混凝土相比，试验温度小于400℃时，灌浆料的破坏表现出明显的脆性。在室温20℃下受压破坏时试块瞬间崩裂，声响巨大；在200℃高温下受压破坏瞬间，和室温下破坏相似，声音很大极大，试块崩裂时伴随大量白色水汽散发出来。随着温度的进一步升高，破坏时的声音略有减小，试件更加完整。400℃不再整体崩裂。600℃破坏时，声音明显减小，试块完整，略有边角缺损，且表面疏松有裂纹，破坏时呈现明显的塑性。

图10 试块爆裂

图11 高温下试件轴压破坏模态

3 试验结果与分析

3.1 温度对灌浆料抗压强度的影响

C65型和C80型两种灌浆料棱柱体试件轴心抗压强度与温度的关系如图12所示，其纵坐标为三个平行试件轴心抗压强度的平均值。从图中可以发现，两种灌浆料试件的轴心抗压强度均随着温度升高而不断降低，T≤400℃时下降趋势近似线性，在400～600℃之间抗压强度显著下降。随着温度升高，C65型和C80型两种灌浆料的轴心抗压强度逐渐接近。高温下灌浆料的强度下降主要原因是试件中细骨料和胶凝材料的热膨胀率和变形不协调，并且随着温度升高，在试件内部出现裂缝。

为了更加直观地分析高温下灌浆料轴心抗压强度随温度变化的折减规律，图13给出了C65型和C80型两种灌浆料试件的轴心抗压强度相对值随温度变化的曲线，其中纵坐标相对轴心抗压强度fcT/fc表示在高温下灌浆料的试件的抗压强度与常温时抗压强度的比值。可以发现，两种强度的灌浆料试件的轴心抗压强度随温度升高的折减规律相似，并且C80型灌浆料比C65型折减略快，两种材料在温度T≤400℃时近似呈现为线性折减，温度高于400℃时折减明显，说明灌浆料性能在400～600℃之间呈现明显劣化。

3.2 温度对灌浆料弹性模量的影响

以试件应力-应变曲线中0.4倍峰值应力处的切线斜率作为试件的弹性模量，C65型和C80型两种灌浆料的弹性模量随温度的变化规律如图14所示，图中弹性模量为三个平行试件的平均值。可以发现，随着温度的升高，C65型和C80型两种灌浆料的弹性模量均不断降低，且C80型灌浆料的弹性模量始终大于C65型灌浆料的。在20℃＜T≤200℃和400℃＜T≤600℃区间，C65型和C80型灌浆料的弹性模量下降平缓。在200℃＜T≤400℃之间时，C65型灌浆料的弹性模量下降尤其显著，而C80型灌浆料的弹性模量下降较为显著。高温下试件中的细骨料和胶凝材料粘结作用减弱，当超过一定温度后试件的表面和内部均开始产生裂缝，并逐步发展，导致弹性模量随温度升高而不断降低。

为了更加直观地分析在高温下灌浆料的弹性模量随温度变化的折减规律，图15给出了C65型和C80型两种灌浆料相对弹性模量随温度的变化曲线，在图15中，纵坐标相对弹性模量EcT/Ec表示高温下灌浆料弹性模量与其常温时的比值。可以发现，灌浆料的弹性模量的折减规律为随温度升高近似呈线性降低。当20℃＜T≤200℃时，C65型和C80型两种灌浆料的折减速率均较慢，且C65型下降速率比C80型更慢。当200℃＜T≤400℃时，两种型号灌浆料折减速率较20～200℃均有所增加，且C65型下降速率比C80型更快。当400℃＜T≤600℃时，两种型号灌浆料折减速率均再次降低，且C65型下降速率比C80型更快。弹性模量折减速率减慢是由于此时灌浆料试件在轴向压力的作用下，内部结构紧压密实，故其变形无法以200～400℃时的速率持续增大。

图12 轴心抗压强度-温度

图13 轴心抗压强度相对值-温度

图14 弹性模量-温度

图15 弹性模量相对值-温度

3.3 温度对灌浆料峰值应变的影响

灌浆料棱柱体的峰值应变取三个平行试件在各自应力-应变曲线的峰值点应变的平均值。图16给出了C65型和C80型两种灌浆料试件峰值应变随温度变化曲线。可以看出，在20℃＜T≤200℃时，随着温度的升高，C65和C80两种灌浆料峰值应变大小和变化规律均略有增大，但增大不明显。在200℃＜T≤400℃之间时，峰值应变均显著增大，并且C65型灌浆料比C80型灌浆料的增大速率更快。在400℃＜T≤600℃时，两种材料的峰值应变继续增大，但变化速率有所减小。峰值应变增大的原因是由于高温降低了灌浆料试件中的细骨料与胶凝材料之间的粘结作用，并在高温下无法同步细骨料和胶凝材料变形。

为了更直观地分析高温下峰值应变相对于常温时的折减规律，图17给出C65型和C80型两种灌浆料试件相对峰值应变随温度的变化曲线，图中灌浆料相对峰值应变εcT/εc即为高温下的峰值应变与其常温时的比值。可以看出，随着温度的升高，两种灌浆料相对峰值应变在20℃＜T≤200℃时大小和变化规律均相似，均略有增大，但不明显。在200℃＜T≤400℃之间时，相对峰值应变均显著增大，并且C65型灌浆料比C80型灌浆料的增大速率更快。在400℃＜T≤600℃时，两种材料的相对峰值应变变化规律均相似，均继续增大，但增大速率减小，并且C65型灌浆料相对应变值比C80型灌浆料大。灌浆料的峰值应变增长的原因是随着温度的升高，灌浆料在其内部及表面同时产生裂缝并逐渐发展。

图16 峰值应变与温度的关系

3.4 灌浆料应力-应变全曲线

图17 峰值应变相对值-温度

C65型和C80型两种试件在4个温度点下的应力-应变曲线如图18所示。可以看出，随着温度的升高，C65型和C80型两种灌浆料的变化规律相似，其峰值应力均逐渐减小，峰值应变均逐渐增大，弹性模量均不断减小。当试验温度不超过400℃时，试件受压达到峰值应力后试件立刻崩坏，试件不再完整，表现出明显的脆性，故曲线的下降段较短。然而高温600℃时的曲线表现出明显的塑形，其破坏时为延性破坏，即超过400℃后灌浆料出现明显“软化”现象，故曲线的下降段较长。并且随着温度的逐渐升高，曲线向扁平化发展，且曲线的上升逐渐平缓。

图19给出了C65型和C80型两种灌浆料试件4个温度点的归一化应力-应变曲线，图中的纵坐标σ/fcT表示该温度点下应力与峰值应力的比值，横坐标ε/εcT表示该温度点下应变与峰值应变的比值。可以看出，在曲线的上升段，当T≤400℃时，归一化的应力-应变曲线均近似为线性，而在600℃时，C65型和C80型两种灌浆料的应力-应变全曲线呈抛物线现状，且下降段更长。

图18 受压应力-应变全曲线

图19 归一化受压应力-应变全曲线

4 结论

（1）高温下灌浆料会发生爆裂现象，采用烘干处理降低含水率可以避免爆裂；灌浆料随着温度的升高由脆性破坏向延性破坏转变，高温下的破坏模态主要为剪切破坏。

（2）灌浆料轴心抗压强度随着温度的升高而减小，在400℃之前缓慢下降，超过400℃后迅速下降。高温下C65型灌浆料的相对轴心抗压强度较高；灌浆料弹性模量随着温度的升高而降低，在200～400℃之间下降明显，在200℃之前，C65型灌浆料的下降较慢，200℃之后C80型灌浆料的下降较慢；灌浆料峰值应变随着温度的升高而增大，在200～400℃之间增大明显，且C65型灌浆料的增大速率更快。

（3）随着温度的升高，灌浆料应力-应变全曲线向扁平化发展。