高温状态下微粒混凝土力学性能研究

潘正宁，田美灵，施骞，张铭强，白体新

（1. 浙江海洋大学，浙江 舟山 316000；2. 浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3. 建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

0 引言

随着近年来建筑火灾发生频率的持续升高，混凝土的抗高温性能越来越受到人们的关注。微粒混凝土是目前众多研究者使用振动台设备进行结构缩尺试验时替代普通混凝土的一种材料。已有的研究结果[1-3]已经表明，具有一定骨料配比的微粒混凝土在常温下能很好地表征普通混凝土的各项力学性能。然而，关于微粒混凝土在高温作用下力学性能变化的研究较少。本文将针对微粒混凝土在高温下的力学性能开展相关研究，并与普通混凝土进行比较。

由于混凝土材料内部结构的复杂性以及试验材料和方法的差异，目前关于普通混凝土在高温作用下抗压强度和弹性模量的变化规律的研究并没有统一的结论。钮宏[4]对 800℃ 内不同温度和荷载共同作用下混凝土的强度进行了试验研究，得出抗压强度总体随温度升高而下降，但在 400℃ 左右有回升的结论；贾彬[5]使用微波炉加热混凝土，表明抗压强度在 300～400℃ 间随温度升高而加强；时旭东[6]重点研究低于 500℃ 的亚高温区段混凝土的力学性能，表明 100～250℃ 内抗压强度波动较大且在 100℃ 附近形成强度波谷；过镇海[7]对先升温后加载与先加载后升温两种途径下混凝土的力学特性进行了研究，并建立了任意温度—应力途径下混凝土本构关系的计算公式；南建林[8]在此基础上继续研究不同途径的升温加载方式对混凝土力学性能的影响，给出了普通混凝土抗压强度随温度变化的上下限计算公式；李宁波[9]分析了混凝土残余强度的衰减规律，认为混凝土在高温作用后会经历低温衰退、强度恢复、高温衰退等三个阶段。

对于微粒混凝土材料，现有的研究主要集中在常温下弹性模量和抗压强度等指标受应变率、尺寸效应和其他材料掺量的影响。杨政[1]研究了微粒混凝土受压时的应力应变全过程曲线，证明了其与普通混凝土具有相似性；沈德建[2]从加载应变率、静态初始荷载、尺寸效应三个方面研究微粒混凝土力学性能变化规律，并建立了考虑尺寸效应的抗压强度计算公式；沈朝勇[3]在微粒混凝土中掺入不同种类的材料，配制了相关的微粒混凝土。通过动力模型试验，可以发现加入陶粒、粉煤灰、浮石的微粒混凝土的弹性模量有所降低，其中浮石的效果最为明显。

本试验通过对 25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃ 等 8 种不同温度下的微粒混凝土试样进行测试，探讨了高温作用下微粒混凝土弹性模量和抗压强度的变化规律，并与普通混凝土进行对比，为微粒混凝土的研究提供一定的参考。

1 试验方案介绍

1.1 微粒混凝土的制作

微粒混凝土是由水泥、粗细骨料和水按照一定比例配制而成的混合物。它以 2.5～5mm 的碎石作为粗骨料，小于 2.5mm 的砂砾作为细骨料。由于骨料粒径发生了变化，混凝土的力学性能也会发生相应的变化。在进行微粒混凝土配合比设计时，应先考虑试样的受力方式和受力特点。本试验主要研究用来表征 C30 混凝土的微粒混凝土在高温条件下的弹性模量和抗压强度的变化规律，因此设计配合比时应主要考虑微粒混凝土的抗压强度和同强度等级原型混凝土相同。基于已有研究经验，设计四种不同配合比（如表 1）测试其在标准养护条件下养护 28 天的立方体抗压强度，并与 C30 混凝土进行比较，每组配合比制作三个尺寸为150mm×150mm×150mm 的立方体试样。

水泥采用海螺牌 P·O32.5 R 普通硅酸盐水泥，粗骨料采用舟山碎石，细骨料采用 ISO 标准砂，细度模数为 2.74，骨料级配见表 2。试样搅拌均匀后放置在振动钢平台上振捣。24 小时后脱模，放入温度 20℃、湿度98% 的标准养护室养护。养护 28 天后进行立方体抗压强度测试，四组配合比的微粒混凝土的立方体抗压强度值见表 1。试验结果表明：第 1 组配合比制作而成的微粒混凝土的立方体抗压强度和 C30 混凝土相似，符合本试验预期要求。因此选用第 1 组配合比作为本试验的微粒混凝土配合比。

表 1 四种不同微粒混凝土配合比及其立方体抗压强度值

表 2 骨料连续级配表

1.2 试验方案

微粒混凝土的抗压强度试验采用 YAW 微机控制液压压力试验机。试验开始前，先将尺寸为150mm×150mm×150mm 的微粒混凝土试样放置在温控箱中加热，温控箱采用德国 Willi-Memmert GmbH 设备，最高加热温度可达 700℃。当加热到指定温度后，维持该温度 6 个小时，确保微粒混凝土试块温度场均匀，模拟完全烧透状态。取出加热后的试块，将其放置于压力试验机上，将试块与空气接触部分用石棉完全包裹，减少加载过程中试块表面温度的耗散（如图 1）。通过适当调整，保证试样对中放置。缓慢加载，直至试样压裂破坏，由试验机直接读出试样破坏时的极限压应力，计算得到微粒混凝土的立方体抗压强度。

2 试验现象及分析

2.1 试验宏观现象

在 25～200℃ 范围内进行加热试验，微粒混凝土加热且恒温 6 小时后，试块表面颜色同常温，没有出现明显的裂缝、掉角、表皮脱落等现象。温度高于 150℃后，试块取出后能明显看到表面冒出水蒸气并伴有爆裂声。

试块的破坏形式也随温度升高有所不同。图 2 为不同温度作用后加载至破坏的试块的对比图。从图中可以看到：加热温度为 100℃ 以下的试块受压破坏现象多为贯穿试块的斜裂缝，边角虽然较为完整，但表皮脱落现象严重；当温度范围在100～200℃ 之间时，能明显看到试块中部出现竖向裂缝，且伴有众多微小裂缝，但试块边角较为完整。这与时旭东等人[6]得到的普通混凝土在 200℃ 以内的高温破坏形式相类似。

图 1 YAW 微机控制液压压力试验机加载试验过程

图 2 不同温度下试块加载破坏情况

2.2 高温失重率分析

不同温度下微粒混凝土的高温失重率（△m/m0）见表 3。其中△m 为加热后微粒混凝土试块损失的重量，m0为常温下试块的重量。从图 3 可以看出在 200℃ 范围内，作用温度对微粒混凝土的高温失重率影响较为明显，随温度升高混凝土的失重率将明显上升。时旭东[6]给出了普通混凝土在升温至 500℃ 的过程中失重率的变化情况（如图 4）。对比其在 100～200℃ 范围内失重率的数据可以发现，该数据为一条近似直线，而本试验的曲线斜率越来越大。反映出微粒混凝土的高温失重率随温度升高增加得越来越快。当升高至同一温度时，对比普通混凝土，微粒混凝土因高温而导致的水分损耗更多。本试验中的微粒混凝土的高温失重率是文献 [6] 普通混凝土失重率的 3 倍，说明了混凝土的骨料粒径对于高温失重率有着较为明显的影响：骨料粒径越小，混凝土升温后的失重率越大，损耗的水分越多。

表 3 不同温度微粒混凝土高温失重率平均值

2.3 试验微观现象

本试验采用了 SEM 扫描电镜对不同温度作用后的微粒混凝土进行了微观分析。分别从 8 组不同温度作用后的微粒混凝土试块中切取鳞片状混凝土片进行 SEM试验，图 5、图 6 分别为放大×2000 倍 25℃ 与 200℃下的微观扫面结果。

图 3 本试验微粒混凝土高温失重率

图 4 文献 [6] 给出的高温失重率

图 5 25℃ 作用后 SEM 结果

图 6 200℃ 作用后 SEM 结果

对比不同温度下的电镜扫描图可以看到：常温下微粒混凝土试块中的孔洞较少，这些孔洞是前期制作时振捣的不均匀以及养护过程中混凝土中的游离态水分蒸发而导致的。对比常温下的微粒混凝土，200℃ 作用后的SEM 结果中孔洞数量越来越多，且分布得更加密集。其可能原因是混凝土内部的游离态的水以及部分结晶水随着温度升高开始耗散，由于水蒸汽的溢出导致了许多新的孔洞的形成，进一步降低了微粒混凝土的高温性能。

3 试验结果及分析

3.1 高温下抗压强度变化规律

表 4 给出在 25～200℃ 范围内 8 个不同温度下微粒混凝土的立方体抗压强度的平均值。从图 7 中可以看到，抗压强度在 25～100℃ 之间呈线性下降趋势，在100～150℃ 之间强度有明显的回升现象。超过 150℃后强度又开始明显下降。微粒混凝土的抗压强度随着温度变化的规律与普通混凝土[6]在该温度范围内的变化趋势较为相似，都在 125～150℃ 范围内有所回升，因为在该温度范围内，之前未水化的水泥颗粒的水化反应达到峰值，促使试件内部结构变得致密，有助于强度的提高。当温度达到 150℃ 附近时，水泥胶凝材料中的结合水脱出，加强了骨料和水泥胶凝材料间的咬合作用，也有利于强度的提高。

表 4 不同温度微粒混凝土的抗压强度平均值

图 7 微粒混凝土抗压强度随温度变化曲线

3.2 高温下弹性模量变化规律

本试验基于 Buckingham π 定理，采用量纲分析法进行微粒混凝土相似关系设计。质量系统作为基本量纲：骨料尺寸相似常数 CL=1/4、质量密度相似常数Cρ=1、弹性模量相似常数 CE=1/4。表 5 为 8 组不同温度条件下微粒混凝土弹模平均值。由表 5 可得：微粒混凝土的弹性模量符合相似关系要求。图 8 为弹性模量与温度的变化曲线图，其中实线为实测值，虚线为拟合曲线。由图可得，温度范围在 200℃ 内，微粒混凝土与普通混凝土类似，弹性模量随着温度升高，总体来说呈现下降的趋势。其中，弹性模量在 25～50℃ 以及 150～200℃ 下降较为明显，降幅分别达到了 9.4%和 10.3%。对照表格数据可以看到，温度在 125℃ 附近时，弹性模量重新呈上升趋势，当温度达到 150℃ 附近，弹性模量的值达到了峰值点。

参考文献 [7] 中对普通混凝土弹模随着温度变化的拟合曲线的计算方法。现将本试验中弹模随温度变化的关系拟合为式 (1)：

式中：ET——不同温度条件下微粒混凝土的弹性模量；

E——常温时（25℃）微粒混凝土的弹性模量。

将本试验的弹性模量变化拟合曲线与文献 [4]、[7]中的拟合曲线进行对比，如图 9 所示，由图可见该曲线与文献 [7] 中普通混凝土 40% 峰值应力处的割线模量随温度变化的拟合曲线斜率相近，说明了微粒混凝土的弹性模量随温度变化的规律与普通混凝土相似。

表 5 不同温度微粒混凝土的弹性模量平均值

图 8 不同温度微粒混凝土的弹性模量

图 9 弹性模量随温度变化拟合曲线对比图

4 结论

本试验的主要结论如下：

（1）高温作用后，微粒混凝土的加载破坏形式随着温度升高有所不同：100℃ 以下破坏形式为贯穿试块的斜裂缝，超过 100℃ 时试块中部出现较大裂缝，该破坏形式与普通混凝土相似。

（2）骨料粒径越小，混凝土升温后的失重率越大，损耗的水分越多。25～200℃ 范围内微粒混凝土的高温失重率是普通混凝土的 3 倍。

（3）微粒混凝土的立方体抗压强度随温度升高总体呈现下降趋势，但在 100～150℃ 之间强度有明显的回升现象，与普通混凝土抗压强度随温度变化的规律较为类似。

（4）温度范围在 200℃ 以内，微粒混凝土的弹性模量随温度的变化规律与普通混凝土相似，总体呈现下降趋势，且当温度达到 125℃ 附近，弹模有回升趋势。