高温对C40高性能混凝土物理力学性能的影响

高 铀

（中核混凝土股份有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

混凝土作为土木工程领域应用最广泛的材料，其在极端工作环境下的物理力学性能受到建筑材料研究学者们的关注[1]。目前，随着我国城镇化的发展，高层建筑和超高层建筑得到大量修建，当出现火灾时，高温作用对混凝土的物理力学性质产生不可逆的变化，例如混凝土体积膨胀、微裂缝扩张、骨料热分解以及抗压强度降低等，导致混凝土的高温爆裂和力学性质劣化，形成建筑物的破损和坍塌[2]。与传统的混凝土相比，高性能混凝土由于其具有高工作性能、高强度、耐高温、耐盐碱和体积稳定性强等优点，在高层建筑、超高层建筑和大体积大空间建筑中得到应用，因此研究高性能混凝土在高温火灾等极端环境下的物理力学性能及微观结构的演变规律，对建筑物高性能混凝土材料配比设计以及建筑物灾后修复重建都具有十分重要的意义[3]。

1 C40高性能混凝土的基本物理力学性质

目前，应用较为广泛的高性能混凝土的强度等级主要集中在C20～C50。C40高性能混凝土作为修建高层建筑和超高层建筑主体结构的常用强度等级，研究其在高温作用下的物理力学性质具有代表意义[4]。为此，选取P.042.5普通硅酸盐水泥、河砂、自来水、石灰岩粗骨料、S95级矿渣和II级粉煤灰等材料制作C40高性能混凝土。

其中P.042.5普通硅酸盐水泥的SiO2含量占比20.7%，CaO含量占比64.0%，MgO含量占比1.82%、Fe2O3含量占比4.41%、NaO含量占比0.2%、K2O含量占比1.2%。比表面积为350 m2/kg，3d抗压强度为17.5 MPa，28d抗压强度为43.5 MPa，3d抗折强度为3.6 MPa，28d抗折强度为6.7 MPa。

河砂的集配良好，在室内试验中进行3次筛分，其筛分结果见表1。计算3次筛分的细度模数和细度模数平均值如公式（1）～公式（4）所示，得到第一次筛分的细度模数M1为2.76，第二次细度模数M2为2.86，第三次细度模数M3为2.76，平均细度模数M为2.79。

表1 C40高性能混凝土河砂材料筛分结果

经过计算和试配后，确定C40高性能混凝土的水胶比为0.35，含砂率为0.38，每立方米配合比为水泥300 kg，水100 kg，石子1110 kg，砂子680 kg，矿粉80 kg，粉煤灰60 kg，减水剂为18.57 kg。

制作C40高性能混凝土试块进行物理力学性能试验，试验块体共有5种，尺寸分别为100mm×100mm×400mm（试块A）、150mm×150mm×300mm（试块B）、200mm×200mm×30mm（试块C）、100mm×100mm×100mm（试块D）和150mm×150mm×150mm（试块E），每种试块共有3组，分别测试其表观密度取平均值，结果如图1所示。试验结果表明，C40高性能混凝土试块的平均表观密度为2422.6 kg/m3。

图1 C40高性能混凝土的表观密度

分别制作3组试块D和试块E来进行立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验以及混凝土弹性模量试验，立方体抗压强度试验和轴心抗压强度均采用SK-3000性压力机进行压力测试，压力加载速度控制在0.5 MPa/s～0.8 MPa/s，弹性模量采用TM弹性模量测定仪进行测量，结果如图2所示。试验表明，3组试件的立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验以及混凝土弹性模量的试验值均变化不大，表明试验制作的均一性较好，具有较好的物理力学性能保证率，试块E的立方体抗压强度平均值为62.3MPa，试块D的立方体抗压强度平均值为68.4MPa，轴心抗压强度平均值为50.5MPa，弹性模量平均值为38.4GPa。

图2 C40高性能混凝土的力学性质指标

2 高温作用下C40高性能混凝土的热物理力学性能变化规律

为了研究高温作用下C40高性能混凝土的热物理力学性能，选取C40的物理指标（导热系数、表观密度）和力学指标（立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量）进行考察[5-6]，具体步骤为将C40高性能混凝土试块在高温烘炉内加热，加热等级分别为20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃，每个等级维持恒定的时间长度，同时为了更好地研究温度恒定时间对C40高性能混凝土物理力学性质的影响，将恒定时间设定了3个等级，分别为恒定时长2h、恒定时长2.5h和恒定时长3.0h。

图3为C40高性能混凝土的表观密度随着时间的变化曲线关系。从图3中可以看出，所有表观密度曲线均表现出整体波动性，当温度小于300℃时，C40高性能混凝土的表观密度随着温度的升高呈现先降低后增加的趋势，当温度大于300℃时，C40高性能混凝土的表观密度整体表现为非线性减少的趋势。恒定温度时长对C40高性能混凝土的表观密度具有明显的影响，每级烘烤温度恒定时长越大，C40高性能混凝土的表观密度越低。

图3 C40高性能混凝土的表观密度随温度的变化

图4为C40高性能混凝土的导热系数随着时间的变化曲线关系[7]。从图4中可以看出，同表观密度与温度的相互关系类似，所有导热系数曲线均表现出整体波动性，当温度小于300℃时，C40高性能混凝土的导热系数随着温度的升高呈现先降低后增加的趋势，而在温度大于300℃后，C40高性能混凝土的导热系数整体表现为非线性减少的趋势。恒定温度时长对C40高性能混凝土的导热系数当温度小于300℃时影响不明显，而在温度大于300℃后，恒定温度对C40高性能混凝土的导热系数具有明显的影响，每级烘烤温度恒定时长越大，C40高性能混凝土的导热系数越低。

图4 C40高性能混凝土的导热系数随温度的变化

图5为C40高性能混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量随着时间的变化曲线关系。从图5中可以看出，随着温度的增加，C40高性能混凝土的立方体抗压强度呈近线形降低，从66.06 MPa（20℃）下降为32.90 MPa（700℃），下降幅度达到50.2%；轴心抗压强度虽然呈下降趋势，但却有两段明显不同的下降速率，当温度小于500℃时，C40高性能混凝土的轴心抗压强度的下降速率较小，而温度大于500℃后，C40高性能混凝土的轴心抗压强度快速下降，从49.94 MPa（20℃）降至26.05 MPa（700℃），下降幅度达到42.0%；C40高性能混凝土的弹性模量随温度的变化呈现先近线性下降，后逐渐放缓的趋势，从图5中可以看出，当温度小于400℃时，弹性模量从39.6GPa（20℃）降至21.2GPa（400℃），下降幅度达到46.5%，而温度大于400℃后，弹性模量从21.2GPa（400℃）降至19.3GPa（700℃），下降幅度达到8.9%。

图5 C40高性能混凝土的强度指标随温度的变化

3 高温作用下C40高性能混凝土的微观结构演化特征

为了研究高温作用下C40高性能混凝土的微观结构演化特征，选取孔径分布参数作为研究对象，通过CT扫描仪扫描高温气氛炉对试件的加热过程，分析不同温度作用下C40高性能混凝土试块内部的微观孔径分布演变过程[8]，结果如图6所示。从图中可以看出，当温度为200℃时，C40高性能混凝土的孔径分布出现一个峰值，主导孔径（概率出现最大孔径）大小约为50 nm，当温度升高到400℃时，孔径分布仍然有一个明显峰值，而大孔隙孔径概率有所萌发，当温度升至600℃时，混凝土内部的孔径分布明显出现多峰值，且峰值大小进一步提高，表明在温度作用下混凝土内部的受热，微裂缝逐步扩展，当温度升至800℃时，孔径分布峰值最大且出现多峰值，内部大于50 nm的有害孔径明显增多，表明混凝土的围观结构出现了不可逆的改变。

图6 C40高性能混凝土孔径随温度的变化

4 结论

该文基于室内试验方法制作了C40高性能混凝土试块，在研究常温状态下基本物理力学性质的基础上，分析试块在不同温度等级条件下的物理力学变化过程以及微观结构的演变规律，得到以下4个结论：1）在常温状态下，C40高性能混凝土试块的平均表观密度为2422.6 kg/m3，150 mm试块的立方体抗压强度平均值为62.3 MPa，100 mm试块的立方体抗压强度平均值为68.4 MPa，轴心抗压强度平均值为50.5 MPa，弹性模量平均值为38.4GPa。2）在温度小于300℃时，C40高性能混凝土的表观密度随着温度的升高呈现先降低后增加的趋势，而在温度大于300℃后，C40高性能混凝土的表观密度整体表现为非线性减少的趋势。恒定温度时长对C40高性能混凝土的表观密度具有明显的影响，每级烘烤温度恒定时长越大，C40高性能混凝土的表观密度越低。C40高性能混凝土的导热系数表现出了类似的变化规律。3）C40高性能混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度均随温度的增加而不断降低，C40高性能混凝土的弹性模量随温度的变化呈现先近线性下降然后逐渐放缓的趋势。4）随着温度的升高，混凝土受热导致内部的微观孔径不断扩张且孔径分布出现多峰值，当温度大于800℃时，内部大于50 nm的有害孔径明显增多，表明混凝土的微观结构出现了不可逆的改变。