高温后高强混凝土剪切强度与细观结构

李志卫，肖建庄，孙振平

（1.同济大学 建筑工程系，上海 200092；2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；3.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306）

随着社会发展，高强混凝土（HSC）在土木工程中的应用越来越广泛.与普通混凝土（NSC）相比，HSC 虽然抗压强度高、耐久性好，但抗火性能较差［1］.火灾对HSC剪切强度的影响直接关系到结构的安全.国内外专家已经对常温下HSC 和NSC 的剪切强度进行了研究，并取得了一定的成果［2－3］.混凝土剪切强度受到混凝土抗压强度和骨料类型等因素的影响［4－5］，骨料咬合作用是混凝土开裂后剪切强度的主要来源之一［6］.随着温度的升高，HSC 的水泥浆体和骨料会发生一系列变化，进而对HSC的骨料咬合作用产生影响.

混凝土作为一种典型的多尺度材料，可以分为宏观、细观和微观3个尺度等级.某一尺度等级的力学性能可以由下一尺度等级的结构特点作出解释［7］，HSC的剪切强度和骨料咬合分别属于宏观和细观尺度等级.本文通过push－off试验研究了高温后2种抗压强度等级HSC 的剪切强度，同时采用数码显微镜观察HSC 剪切面的骨料咬合作用，从细观尺度进一步分析了HSC 剪切强度随温度变化的机理.

1 试验

1.1 试件制作

设计2种抗压强度等级的HSC，L系列和H 系列（配合比如表1所示），其立方体抗压强度分别为64.7，94.0MPa.试验原材料为：42.5R（L 系列）和52.5R（H 系列）普通硅酸盐水泥；900 级硅粉；S95级矿渣微粉；5～20mm（H 系列）和5～25mm（L 系列）硅质碎石；细度模数为2.7的中砂；自来水；聚羧酸减水剂.

表1 HSC配合比Table 1 Mix proportion of HSC kg／m3

L 系列和H 系列各成型11个Z 型试件，试件尺寸如图1所示，试件配置4根直径8mm 的封闭箍筋，箍筋配筋率ρ＝1.12%，配筋方案参照文献［5］.在试件厚度（150mm）方向距表面5，33mm（纵筋处）和75mm（中心处）各预埋1个热电偶.

图1 试件尺寸Fig.1 Dimensions of specimen（size：mm）

所有试件在标准养护室内养护28d，再在自然环境下养护60d，然后进行高温试验.设计加热温度分别为200，400，800℃，每个温度下同系列各3个试件，常温下（20℃）同系列各2 个试件.为表述方便，对每个试件进行编号，如L－200－1表示L 系列HSC在经历设计温度为200℃后的第1个试件.

1.2 高温试验

将试件放入电炉内加热，升温速率为5℃／min，达到设计温度后保持恒温，直到试件中心与设计温度的温差小于10%时停止加热.加热过程中，H－800－1，H－800－2 和H－800－3试件发生了表面爆裂，但剪切面完好，经表面修补后不会对下一步的push－off试验产生影响.

1.3 Push－off试验

将试件垂直放到试验机上，试件上端和下端分别设置刀口和滚轴支撑.试件表面设置3个水平方向位移计来测量试件的裂缝宽度，另一面设置2个垂直方向位移计来测量试件的裂缝滑移.预设一个很小的试验机力（如1kN），试件缓慢升高直到顶部与刀口刚好接触，然后切换为位移加载方式，位移速率为0.05mm／min，计算机采集系统自动记录试验机力、裂缝宽度和裂缝滑移.当试验机力基本不变时停止试验，加载过程中试件沿剪切面开裂.

1.4 细观结构观察

Push－off试验后，人工剪断试件裂缝处的箍筋，使试件沿剪切面分开.采用VHX－5000系列数码显微镜对试件剪切面细观结构进行观察.

2 Push－off试验结果与分析

假设试件所受剪切应力沿剪切面均匀分布，则剪切极限荷载所对应的峰值剪切应力即试件的剪切强度.试件的剪切极限荷载Pu、剪切强度τu和骨料断裂率ρf 列于表2，其中τu取同一工况下所有试件剪切强度的平均值.

表2 HSC剪切强度与骨料断裂率Table 2 Shear strength and aggregate fracture rate of HSC

由表2可知，与常温时相比，200℃后H 系列的平均剪切强度提高了8.15%.这可能是由于HSC中水泥浆体的结合水逐渐脱出，导致凝胶体颗粒的表面张力增大［8］，骨料咬合作用增强.设计温度大于200℃之后，H 系列的剪切强度迅速降低，L 系列的剪切强度基本上呈直线下降；800℃后L 系列和H系列的平均剪切强度分别降低为常温时的47.03%和43.87%.由表2还可以看出，高温后，H 系列的剪切强度均大于L系列.

3 细观结构分析

3.1 低倍和高倍显微镜下的细观结构

采用数码显微镜的低倍（8×）和高倍（50×）放大功能观察各工况下第1个试件剪切面的细观结构，不同工况下的剪切面特征如图2，3所示，其中图2中实线框表示断裂骨料，虚线框表示未断裂骨料.

图2 低倍显微镜下HSC的细观结构图Fig.2 Meso－structure of HSC at low magnification microscope（8×）

由图2可见，常温时L 系列剪切面的骨料部分发生断裂，而H 系列剪切面的骨料则全部断裂.这是因为HSC中水泥浆体的抗压强度大于骨料，在骨料咬合作用下骨料与水泥浆体相互挤压，导致骨料断裂而水泥浆体完好［2］.由图3 可知，常温时HSC骨料与水泥浆体紧密地黏结在一起，界面区密实完整，水泥浆体中观察不到裂缝.200℃后2个系列剪切面细观结构与常温时基本相同（如图3（a）～（d）所示），在宏观力学性能上表现为HSC 剪切强度变化不大.

图3 高倍显微镜下HSC的细观结构图Fig.3 Meso－structure of HSC at high magnification microscope（50×）

400℃后L 系列剪切面的骨料断裂现象减少，而H 系列剪切面上开始出现未断裂的骨料.这是因为随温度升高，水泥浆体出现微裂缝，抗压强度逐渐下降.在骨料咬合作用下骨料从水泥浆体中被推出，而不会发生骨料断裂.L 系列界面区和水泥浆体中都出现了裂缝，H 系列的界面区仍较为密实，但少数骨料内部产生裂缝，水泥浆体中出现少量的裂纹（如图3（e），（f）所示）.随温度的升高，骨料受热膨胀，在界面区引起内应力从而产生裂缝.同时由于毛细水和凝胶水产生脱附，水泥浆体收缩导致裂缝出现，抗压强度也随之降低.在宏观力学性能上表现为HSC剪切强度有一定的下降，其中H 系列表现出更高的剪切强度.

800℃后L 系列剪切面的骨料全都保存完好，骨料咬合作用与普通混凝土相同［6］.H 系列剪切面上未断裂的骨料增多，但仍有相当数量的断裂骨料.可见800 ℃后L 系列的水泥浆体抗压强度大幅下降，H 系列的水泥浆体则保持较高的残余抗压强度.L系列的水泥浆体结构变得松散，甚至出现了肉眼可见的裂缝.H 系列水泥浆体凹凸不平，在骨料与水泥浆体的界面区亦可观察到若干裂缝.2个系列的骨料与水泥浆体几乎彼此分离，界面区和水泥浆体的裂缝清晰可见（如图3（g），（h）所示）.随温度升高，C－S－H 开始分解，结合水产生脱附，连续的水泥浆体被破坏成分散状的小块，抗压强度大幅降低.在宏观力学性能上，800℃后HSC 的剪切强度大幅下降.

3.2 骨料断裂对剪切强度的影响

由3.1节分析可知，高温后HSC骨料的剪切断裂随温度和混凝土抗压强度的不同而发生变化.随温度的升高，HSC 剪切面上的骨料断裂现象减少.相同温度下，HSC 抗压强度越高，骨料断裂现象越严重.由于剪切强度亦受到温度和混凝土抗压强度的影响，可以推测骨料断裂与高温后HSC的剪切强度存在一定的关系.

定义图2中骨料断裂面积与整个图片面积的比值为骨料断裂率ρf，采用数字图像处理技术对图2进行二值化处理，得到各工况下HSC的骨料断裂率ρf，见表2.

由表2可知，常温时H 系列的骨料断裂率ρf 约为L系列的2倍；200℃后，2个系列的ρf 变化均不大；400℃后，2个系列的ρf 均迅速减小；800℃后，L系列已不存在骨料断裂现象，H 系列的ρf 也降为常温时的16.36%.除H－200 工况外，HSC 试件的剪切强度均随骨料断裂率的减小而降低.根据表2中的数据，拟合τu与ρf 的关系式如下：

L系列：

H 系列：

4 高温后HSC骨料咬合退化机理分析

NSC中骨料抗压强度大于水泥浆体抗压强度，Walraven［3］据此建立了NSC的骨料咬合模型.HSC中骨料抗压强度小于水泥浆体抗压强度，在骨料咬合作用下存在骨料断裂现象，Walraven等［2］在NSC骨料咬合模型的基础上引入骨料断裂缩减系数来计算HSC的应力.

随着裂缝宽度的增大，高温后试件剪切面上水泥浆体的摩擦力逐渐减小，剪应力主要由骨料咬合作用提供，因此Walraven等［2－3］提出的骨料咬合模型同样适用于高温后HSC.但是由试件剪切面的细观结构可知，骨料断裂情况随温度和HSC抗压强度的不同而发生变化，因此文献［2］中的正应力σ和切应力τ 表达式变为：

式中：c为高温后HSC 的骨料断裂缩减系数；σpu为水泥浆体产生塑性变形时的法向应力；为单位剪切面积上与裂缝滑移和裂缝宽度方向对应的接触面积；μ 为高温后HSC骨料和水泥浆体间的摩擦系数.

5 结语

（1）200℃后H 系列的剪切强度较常温下有所提高，其他工况下试件的剪切强度均随温度的升高而降低.800℃后L和H 系列的剪切强度分别降为常温下的47.03%和43.87%.无论经历多高的温度，HSC抗压强度越高，其剪切强度也越大.

（2）HSC经历的温度越高，试件剪切面上的骨料断裂现象越少.HSC 抗压强度越大，骨料断裂越严重.高温后HSC 的水泥浆体变得松散，甚至出现明显的裂缝.

（3）常温下和200℃后HSC的细观结构基本没有发生变化，400℃后HSC的界面区和水泥浆体中都产生了裂缝，800℃后HSC 的骨料与水泥浆体几乎分离.在各温度下，HSC抗压强度越高，细观结构越密实.

（4）常温下和200℃后HSC剪切面上的骨料断裂率基本不变，400 ℃后和800 ℃后骨料断裂率减小，HSC的剪切强度随之降低.

（5）根据HSC 剪切面的细观结构变化，初步建立了高温后HSC的骨料咬合模型.

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