高温后混凝土力学性能及微观特性研究

郭 强，吴守军，张 博(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

随着我国城市化进程的不断加快，混凝土用量不断增加，人口的集中居住也导致建筑火灾的频繁发生。虽然混凝土是一种热惰性材料，但当火灾发生时，混凝土内部的一系列物理及化学变化会削弱其力学性能，严重时可能导致构件丧失承载能力进而引起建筑物坍塌，危及人民群众的生命及财产安全。

目前已有许多学者对高温后混凝土的力学性能进行了相关研究[1-5]。其中，贾彬[1]、陈宗平[2]等研究了高温后的混凝土的力学特性及本构方程；翟越[3]的研究则揭示了温度及冷却方式对混凝土力学性能的影响；Chen Bing[4]等对比研究了高温后早龄期混凝土与普通龄期混凝土的性能；Li Zhiwu[5]从静态及动态两个方面研究了高温后的混凝土的力学性能。但这些研究未对引起混凝土性能劣化的内在微观变化作出研究。

高温对混凝土微观结构的影响，已有少量研究[6,7]，如尤作凯[6]的研究表明600 ℃以上混凝土可以观测到气孔、贯穿裂缝和结构变得疏松等现象。但试验中用于微观结构变化观测的样品取自高温、并经过超声检测后的大样块，取样时难以避免高温后混凝土产生的裂缝发生变化，而且由于不同温度对混凝土微结构的影响有差异，会导致取样时引起的裂缝变化程度不同；而且，该研究中主要关注了水泥浆体的微观变化，未关注水泥浆体与骨料界面变化。金祖权等[7]的研究指出骨料与净浆在高温作用下的变形差异导致了混凝土浆集界面区裂缝的产生与扩展。但该研究并未涉及含粗骨料混凝土的微观结构变化。从上述研究看，目前有关高温对混凝土影响的研究有待进一步改进微观分析，并进一步建立微观结构变化与力学性能变化的内在联系。

本文拟通过高温作用后混凝土抗压强度试验及微观结构分析，从微观层面揭示高温对混凝土力学性能的影响，试验结果可为实际工程建设提供一定参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验浇筑C30混凝土，使用的水泥为盾石牌32.5R普通硅酸盐水泥，粗骨料为卵石，最大粒径20 mm，细骨料为渭河冲砂，细度模数2.79，属中砂，拌和水采用杨凌地区自来水，表1为每立方米混凝土的配合比。

表1 混凝土的配合比Tab.1 Mix proportion of the concrete

试验使用高温电炉对混凝土进行加热，电炉炉膛尺寸300 mm×300 mm×350 mm，额定功率30 kW，最高温度可达1 600 ℃。

1.2 试验过程

为研究高温对混凝土力学性能影响，共制作4组立方体试块组及4组棱柱体试块组，每组3块，立方体试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，棱柱体试块尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。将其中一组作为常温下对照组，其余3组分别经400、600、800 ℃作用2 h后再进行研究。

为便于微观结构观察和消除大样块切割引起试块内部裂缝的变化，微观结构试验样品采用直径为30 mm，高度为10 mm的圆柱状浇筑C30混凝土。进行高温试验前，将在标准养护室内养护28 d后的柱试样的端面依次采用120、240、400和600号的磨光，然后依次采用粒度为5、2.5、1、0.5 μm金刚石抛光液抛光，以避免后期抛光对样品微观形貌产生影响。采用扫描电子显微镜(SEM)FEI Q45进行高温作用前后样品微观形貌变化观察。

将养护好的试样放入烘箱内烘干其内部自由水，烘干时间5 d，烘箱温度设定为80 ℃。高温试验时，将电炉升温至设计温度后放入试块(由于有热负荷此时炉内温度会下降)，待炉内温度再次升至设计温度时开始计时，加热至2 h后取出试块，在室温下自然冷却24 h以上再进行后续试验。

2 高温作用后试件颜色及表面状态

混凝土试件在经受高温后，试件颜色及表面会发生变化。试件的颜色及表面随受热温度的变化情况见表2。

表2 试件的颜色及表面随受热温度的变化情况Tab.2 The changing of color and surface with temperature

3 试验结果及分析

3.1 温度对力学性能的影响

混凝土立方体抗压强度与温度的关系见图1。

图1 立方体抗压强度与温度关系图Fig.1 The relationship between cube compressive strength and temperature

由图1可以看出混凝土立方体抗压强度随着温度升高持续降低，原始混凝土和在400、600、800 ℃作用2 h后的混凝土立方体抗压强度实测值分别为55.2、37.9、25.9、16.9 MPa。而且强度-位移曲线的峰值点逐渐向右向下移动，曲线形状趋于扁平。

高温作用后棱柱体抗压强度与温度的关系如图2所示。

图2 棱柱体抗压强度与温度关系图Fig.2 The relationship between prism compressive strength and temperature

从图2可知：高温后棱柱体抗压强度曲线亦随温度升高逐渐趋于扁平，表明温度越高，混凝土性能劣化越厉害。而原始混凝土和在400、600、800 ℃作用2 h后的混凝土棱柱体抗压强度实测值分别为42.4、23.8、13.2、3.9 MPa。

对比立方体抗压试验结果，发现高温前后，棱柱体抗压强度下降更多，800 ℃时棱柱体抗压强度几乎消失殆尽,这有可能是棱柱体试块较立方体试块尺寸更大，内部初始缺陷更多造成的。

3.2 温度对混凝土微观形貌的影响

图3是试样经过不同温度高温作用2 h前后的微观形貌照片。可以看出，未经高温作用的原始素混凝土中，水泥浆体与骨料紧密结合，整个混凝土内部观察不到明显的裂缝。在400 ℃下作用2 h后，水泥浆体与骨料之间出现裂缝，浆体中局部可以观察到裂缝，同时浆体变得疏松，可以观察到小的孔洞；600 ℃下作用2 h后，水泥浆体与骨料之间裂缝宽度显著增大，浆体中普遍可以观察到裂缝，即出现整体网状裂缝，且浆体中的微小孔洞变大；同时浆体疏松程度增大，局部出现较大的粉状颗粒。800 ℃下作用2 h后，裂缝进一步变大，水泥浆体与骨料之间无明显黏合，浆体疏松明显。

图3 试样经过不同温度高温作用2 h前后的微观形貌照片Fig.3 Micro-morphologies of the samples before and after exposed to different temperatures for 2 h

混凝土的强度来源于水泥浆体，在组成特定情况下，水泥浆体中的孔隙愈多，强度愈低；水泥浆体与骨料黏结越好，混凝土的强度越高。在高温后，水泥浆体中的微小孔洞随温度升高而增大；骨料与水泥浆体黏合面出现裂缝，温度升高黏合面裂缝逐渐扩展为彼此连贯的整体网状裂缝；因此随着温度的升高，混凝土的力学性能持续降低。而在800 ℃下作用2 h后，裂缝进一步变大，水泥浆体与骨料之间无明显黏合，浆体疏松明显，因此力学性能出现非常显著地劣化。

4 结 论

(1)高温作用后混凝土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度随温度的变化规律一致，随温度的升高，抗压强度均下降；就强度-位移曲线而言，随着温度升高，曲线逐渐趋于扁平，其峰值点呈向下向右移动的趋势。

(2)高温作用下，随着温度的升高混凝土微观形貌的变化主要表现在：原始素混凝土水泥浆体密实、无明显孔洞，水泥浆体与骨料之间黏合紧密，观察不到裂缝；400 ℃水泥浆体与骨料之间出现裂缝，600 ℃水泥浆体与骨料之间裂缝宽度显著增大，浆体中普遍可以观察到裂缝，即出现整体网状裂缝，且浆体中的微小孔洞变大，水泥浆体局部出现较大的粉状颗粒；800 ℃水泥浆体与骨料之间完全脱落，浆体疏松明显。

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[1] 贾 彬, 杨 帆, 陶俊林，等. 混凝土高温力学特性及本构方程[J]. 混凝土, 2014,(4):25-32.

[2] 陈宗平, 王欢欢, 陈宇良. 高温后混凝土的力学性能试验研究[J]. 混凝土, 2015,(1):13-17.

[3] 翟 越, 艾晓芹, 邓子辰，等. 受火温度和冷却方式对混凝土抗压强度影响[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2014,41(11):75-80.

[4] Chen Bing, Li Chunling, Chen Longzhu. Experimental study of mechanical properties of normal-strength concrete exposed to high temperatures at an early age[J]. Fire Safety Journal, 2009,44:997-1 002.

[5] Li Zhiwu, Xu Jinyu, Bai Erlei. Static and dynamic mechanical properties of concrete after high temperature exposure[J]. Materials Science and Engineering A, 2012,544:27-32.

[6] 尤作凯. 高温后混凝土微观结构演化及RC梁性能研究[D]. 北京：北京建筑大学, 2013.

[7] 金祖权,孙 伟,侯保荣，等. 混凝土的高温变形与微结构演化[J].东南大学学报(自然科学版), 2010,40(3):619-623.