超高性能混凝土高温后性能试验研究

2020-06-15杨婷刘中宪杨烨凯吴成清

土木与环境工程学报 2020年3期

杨婷，刘中宪，杨烨凯，吴成清

(1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072； 3.悉尼科技大学土木与环境工程学院，悉尼 NSW 2007)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)因高强度、高韧性、高耐久性等优异的力学性能而被逐步应用到实际工程中。UHPC致密的微观结构和较低的渗透性，在提升自身力学性能的同时，受热爆裂的风险也相应提高[1-2]。近年来，世界范围内火灾频繁发生，造成的损失不可估量，而UHPC往往用在重要结构或关键节点，其防火性能的优劣将直接影响建筑物的安全性。因此，有必要对UHPC高温性能进行系统研究，以解决其高温爆裂和力学性能退化问题。

21世纪初，学者们[3-5]对UHPC开展了高温损伤爆裂数值模拟，发现UHPC在火灾条件下易发生爆裂。Liu等[6]对大扩展度UHPC进行了一系列抗火试验，得出UHPC抗压强度随温度作用时间的延长而不断降低，500 ℃高温持续作用120 min后，抗压强度降为常温时的55%。李传习等[7]研究发现，钢纤维可以改善混凝土力学性能。Tai等[8]研究表明：UHPC中钢纤维掺量越大，其弹性模量越大，且弹性模量随温度的升高单调降低。杨少伟等[9]发现钢纤维UHPC与无钢纤维UHPC高温作用后动态应力-应变曲线类似。刘红彬等[10]发现增加钢纤维掺量不能抑制UHPC爆裂的发生。而杨娟等[11]通过对不同纤维类型UHPC的研究表明，钢纤维可以改善UHPC高温爆裂性能，端钩型普通工业钢纤维最有利于提高UHPC高温抗爆裂性能。学者们[12-17]发现聚合物纤维显著影响UHPC高温爆裂性能。Sun等[14]研究表明，在UHPC中掺入0.2%聚丙烯纤维可有效抑制高温爆裂现象发生。Poon等[16]研究表明，在温度超过600 ℃时，聚丙烯纤维UHPC抗压强度急剧下降，聚丙烯纤维失去其积极影响作用。Sanchayan等[17]研究发现，体积掺量为2%的混杂纤维(钢纤维、PVA纤维)对UHPC高温爆裂抑制作用最显著。学者们[18-19]还对不同纤维和骨料的UHPC高温后残余力学性能做了研究，发现在800 ℃高温作用后，试件残余抗压强度百分率最高为40%。

目前，已有学者对UHPC高温性能进行了一定研究，但高温后UHPC残余强度的维持能力表现不足。笔者从材料制备入手，通过改变骨料类型和纤维掺加方式制备一种性能优越且耐高温的UHPC，并对其进行高温试验，系统分析骨料类型和纤维掺加方式对UHPC在不同目标温度下表观特征、质量损失及力学性能的影响。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验制备UHPC的主要原材料有：42.5硅酸盐水泥、平均粒径0.1～0.3 μm的硅灰粉、粉煤灰、钢渣、石英砂、钢纤维、聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂(如图1(a)所示)。其中，钢纤维和聚丙烯纤维的基本物理特性如表1、表2所示，外貌形态如图1(b)、(c)所示；石英砂和钢渣的物理特征如表3、表4所示，主要材料的化学成分如表5所示。

表1 钢纤维的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of steel fiber

表2 聚丙烯纤维的基本物理特性Table 2 Basic physical properties of polypropylene fiber

表3 石英砂的物理特性Table 3 Physical properties of quartz sand

表4 钢渣的物理特性Table 4 Physical properties of steel slag

表5 主要材料的化学成分Table 5 Chemical composition of main materials %

图1 材料外貌形态Fig.1 Material appearance

1.2 试验方案

设计制备了6组材料UHPC，研究纤维和骨料对UHPC在不同目标温度作用后表观特征、质量损失及力学性能的影响：1)温度：设定目标温度分别为常温(25 ℃)、200、400、600、800、1 000 ℃；2)纤维：设置单掺2%钢纤维、单掺2%聚丙烯纤维、混掺2%聚丙烯纤维和1%钢纤维3种纤维掺法；3)骨料：研究石英砂和钢渣分别作为骨料对试验结果的影响。试验配合比如表6所示，在各目标温度下UHPC立方体抗压强度如表7、表8所示。

有学者[20]研究发现，UHPC试件的尺寸效应对其在高温下的变化规律影响较小，为避免高温试验过程中UHPC试件的爆裂对加热设备以及人员造成危害，试验前期采用50 mm×50 mm×50 mm立方体试件对UHPC高温性能进行研究，在确定最优耐高温UHPC配合比后，采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规范中150 mm×150 mm×150 mm立方体试件对最优耐高温UHPC材料进行力学性能研究。

表6 试验配合比Table 6 Test mix ratio kg/m3

表7 各温度条件下UHPC立方体抗压强度Table 7 Cubic compressive strength of UHPC after different temperatures MPa

续表7

表8 各温度条件下UHPC立方体抗压强度平均值及标准差
Table 8 Averagecubic compressive strength of UHPC and standard deviation after different temperatures MPa

系列25 ℃平均值标准差200 ℃平均值标准差400 ℃平均值标准差600 ℃平均值标准差800 ℃平均值标准差1 000 ℃平均值标准差UHPC1113.83.9169.51.2UHPC2184.04.9208.04.9UHPC3125.02.5171.01.3162.51.7111.50.7039.01.5380.4UHPC4165.00.2175.01.9230.01.6153.50.4040.00.8391.0UHPC5095.00.9203.01.1UHPC6169.51.6184.53.0225.53.2211.51.8150.51.8112.50.8UHPC6-150141.72.0158.74.7191.81.5175.90.3126.42.3093.21.3

注：UHPC6-150试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，其余试件尺寸均为50 mm×50 mm×50 mm。

考虑到高温爆裂的随机性，试验每种情况下设置4个试件。试验采用30 L单轴卧式强制式搅拌机拌和UHPC，在搅拌机中分批次加入各种配合比材料，依次搅拌。充分搅拌，浇筑以及振捣后用薄膜覆盖，静置24 h拆模，并按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行正常标准养护，养护完成后进行高温加热试验。

试验采用1 400 ℃快速升温箱式电炉进行升温。国际采用标准升温速率为ISO834[21]，用以反映火灾发生的真实情况。而文献表明[22]5 ℃/min的升温速率对纤维混凝土高温性能测试仍然具有良好的可靠性。由于UHPC高强低渗，有学者[23]发现平均升温速率为4 ℃/min更有利于研究UHPC高温性能。因此，选择平均升温速率为4 ℃/min，升温曲线如图2所示。混凝土类材料为温度惰性材料，为保证高温后试件内外温度一致，试件达到目标温度后恒温2 h，再从高温炉中取出，自然冷却至常温后进行UHPC立方体抗压强度试验。

图2 试验升温曲线Fig.2 Temperature-time curves in tests

试件经过高温加热后，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)的要求在YNS-Y1000型电液伺服压力试验机上进行立方体抗压强度试验，如图3(a)所示。试验加载速度为0.2 mm/min，加载过程中设备自动结束试验，记录并保存试验数据。利用位移传感器(LVDT)对试件变形进行测量，进而计算出应变。由于试验机承压板与试件之间有摩擦力，立方体试件是复杂受力，非单轴受力，LVDT所测非单轴变形。位移计布置如图3(b)所示。立方体抗压强度按式(1)计算。

(1)

图3 试验装置图Fig.3 Testing setup

式中：fcu为混凝土立方体试件抗压强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

由表8可知，所测试件离散性小，因此，试件的立方体抗压强度取4个试件测值的算术平均值。

2 试验现象与分析

2.1 UHPC高温后外观评价

表9为各试验系列UHPC典型表观特征随温度升高变化情况。由表9可知：温度越高，试件劣化越严重；纤维和骨料影响着试件的表观特征。经历200 ℃高温后，各系列试件外观完整，无掉皮、裂纹、缺角、炸裂等现象；掺入聚丙烯纤维的UHPC(UHPC3、UHPC4、UHPC6)表面有油渍产生，这是由于聚丙烯纤维在165 ℃时开始熔解，经200 ℃高温作用冷却至常温后，聚丙烯纤维重新固化形成依附在UHPC基体上的热塑性树脂。无纤维UHPC(UHPC1、UHPC5)和单掺钢纤维UHPC(UHPC2)在目标温度400 ℃的加热过程中发生了粉碎性爆裂破坏，而掺入聚丙烯纤维的UHPC外观完整，颜色灰白，由于聚丙烯纤维受热挥发[24]，试件表面油渍基本消失。各系列试件在600 ℃高温作用后呈乳白色；单掺聚丙烯纤维的石英砂UHPC(UHPC3)出现了明显掉皮、缺角及局部爆裂现象；而混杂纤维UHPC(UHPC4、UHPC6)外观相对完整。经历800 ℃高温后，石英砂UHPC(UHPC3、UHPC4)呈现灰茶色，而钢渣UHPC(UHPC6)颜色泛白；混杂纤维UHPC表面开始出现网状龟裂细纹且有黑丝出现，有明显疏松现象，但无明显破坏。经历1 000 ℃高温后，混杂纤维UHPC表面布满黑丝，这是因为钢纤维在高温下脱氧碳化变黑所致；单掺聚丙烯纤维UHPC在1 000 ℃高温作用下掉皮缺角及局部爆裂现象加重，而混杂纤维UHPC试件虽然疏松现象加重，但保持了较完整的形态。

UHPC产生高温爆裂现象是因为其高强、质密、低孔隙率，在高温下，试件中的水分很难逸出。随着温度升高，水气积聚，UHPC试件内部形成蒸汽压并逐渐积累。当蒸汽压力超过UHPC抗拉强度时，试件开始从外部薄弱处层层爆裂，水蒸汽随着爆裂的发生而逸出，爆裂威力越大，水蒸汽逸出越多，这也证实了蒸汽压机理[25-26]。然而，混杂纤维UHPC的表观在高温作用后基本保持完整形态，这是由于UHPC内部掺入的聚合物纤维在高温作用下熔化、气化，在混凝土内部留下微通道，提供了混凝土内部水分散失的有效通道，缓减了UHPC内部蒸汽压的堆积，避免蒸汽压力超过UHPC抗拉强度而爆裂[27]。同时，利用钢纤维与UHPC基体的粘结作用抑制混凝土在高温作用下发生体积膨胀，进而减弱裂缝的开展。

综上可知，聚丙烯纤维和钢纤维的共同作用极大改善了UHPC高温抗爆裂性能。

表9 各系列UHPC高温冷却后外观Table 9 Appearance of UHPC after high temperatures

2.2 UHPC高温后质量损失

混凝土在高温作用后，其质量会有损失，主要包括水分的蒸发、C—S—H凝胶的脱水分解、Ca(OH)2和CaCO3的分解、未水化水泥和掺合料的损失以及试件表面爆裂或剥落带来的质量损失[28-29]。因此，混凝土高温下的质量损失规律在一定程度上反映了混凝土内部结构的变化。对各系列UHPC在不同目标温度下进行了质量损失测量，图4为测得的各系列聚丙烯纤维UHPC质量损失率随温度变化关系图。

图4 各系列纤维UHPC质量损失率与温度关系Fig.4 The relationship between mass loss rate and temperature of UHPC with fibers

由图4可见，掺有混杂纤维UHPC高温后的质量损失可分为4个阶段：1)200 ℃高温以下，质量损失逐渐增大，其主要来源于试件内部自由水、毛细水的蒸发及聚丙烯纤维的熔解，未水化水泥和掺合料的损失。2)200～400 ℃期间，质量损失急剧增加，主要由于试件内部C—S—H凝胶中水分开始蒸发，聚丙烯纤维熔解挥发。3)400～800 ℃高温期间，质量损失继续缓慢增长，此阶段的质量损失来源于结晶水的散失；C—S—H凝胶持续分解，800 ℃时分解完成。4)800～1 000 ℃，质量损失率有所下降，这主要是因为Ca(OH)2和CaCO3大量分解产生CaO，试件在冷却时吸收空气中的水和CO2重新生成Ca(OH)2和CaCO3[28]。此外，由图4可知，在纤维含量相同的情况下，钢渣骨料UHPC高温作用后的质量损失较小。由表5可知，钢渣骨料与水泥的化学成分相近，且表面粗糙，与混凝土水泥基粘结程度较好，因而相对于石英砂骨料UHPC而言，钢渣骨料UHPC具有更紧密的分子结构，质量损失较小。

单掺聚丙烯纤维UHPC在400 ℃高温作用后质量损失持续增长，并没有出现下降段，除了上述原因外，还有UHPC在高温作用后试件产生局部爆裂、剥落带来的质量损失，且其效应大于试件在冷却时重新生成Ca(OH)2和CaCO3。

试验测得无聚丙烯纤维UHPC在目标温度200 ℃时质量损失仅有0.34%，在目标温度400 ℃时均发生粉碎性爆裂，无法测得更高温度后的质量损失。说明无聚丙烯纤维UHPC在高温作用下，由于其高强、低孔隙率，内部水气很难逸出，导致试件层层爆裂。再次证明聚丙烯纤维的掺入提高了UHPC高温抗爆裂性能。

2.3 UHPC高温后力学性能

2.3.1 UHPC高温后立方体抗压强度对不同温度下6组材料UHPC进行立方体抗压强度试验，各系列UHPC在不同目标温度下立方体抗压强度值如表7、表8所示，UHPC1、UHPC2、UHPC5在目标温度400 ℃时均发生了粉碎性爆裂，未能采集到其400 ℃及更高温度下立方体抗压强度试验数据。

为便于研究与分析，给出了立方体抗压强度相对值，即相同条件下，UHPC高温后立方体抗压强度与常温立方体抗压强度的百分比，用以对比不同类型UHPC在高温作用后强度的维持能力。各系列UHPC在不同目标温度下立方体抗压强度相对值如图5所示。

图5 UHPC不同温度作用后立方体抗压强度相对值Fig.5 Relative values of cubic compressive strength of UHPC after different temperatures

由图5和表8可知，在200 ℃高温后，各系列UHPC的立方体抗压强度都有不同程度提升。其中UHPC5立方体抗压强度提升程度最大，从常温的95 MPa增长到203 MPa，立方体抗压强度提高了113.7%。

UHPC经高温作用，试件内部自由水和毛细水蒸发，而UHPC密实度高、孔隙率低，导致水分散失通道不畅，水分无法逸出，在UHPC中营造出近似高温蒸汽养护的环境，使得水泥水化反应和火山灰反应互相促进，硅灰、粉煤灰中的活性二氧化硅与水泥水化产物Ca(OH)2生成了更多的C—S—H凝胶，C—S—H凝胶在高温高压环境下转变成硬硅钙石和托勃莫来石，使得内部结构更加密实，抗压强度得以提高(正效应)[30]；同时，自由水、毛细水的相继散失在试件内部形成毛细裂缝和空隙，试件内部不断积聚的蒸汽压对周围固体介质产生张力，促使裂缝扩展(负效应)[30-31]。

由试验结果可知，在200 ℃高温作用下，正效应占主导地位，导致UHPC宏观上表现为立方体抗压强度较常温时明显增强，其中，钢渣骨料素UHPC(UHPC5)增强效果最显著，高温增强了钢渣骨料素UHPC试件内部结构的密实性，进而提高UHPC立方体抗压强度。

UHPC3、UHPC4、UHPC6这3组试件在不同高温作用后，立方体抗压强度变化规律相似，整体上表现为高温后立方体抗压强度随温度的升高先增加后降低，具体表现有所差异。

掺入聚丙烯纤维UHPC在经过600 ℃高温作用后，仍保持着较高强度，而经过800 ℃高温作用后，UHPC3、UHPC4的立方体抗压强度下降到40 MPa左右，强度损失严重。这是由于在400 ℃之前形成的温度对UHPC强度正面效应继续存在但停止增长，各种劣化因素持续增强，混凝土内部结构密实性急剧下降。试件经过800 ℃高温作用后立方体抗压强度随温度的升高改变缓慢，立方体抗压强度相对值保持在30%左右，说明试件在经过800 ℃高温作用后，各种劣化因素增长缓慢。

UHPC6在1 000 ℃高温作用后，立方体抗压强度保持在112 MPa左右，仍具有常温强度的67%，表现出了优异的耐火性能。钢渣表面粗糙，能改善高温UHPC界面粘结性能，钢渣作为细骨料具有较高的热稳定性且与水泥的化学成分相近，能缓解骨料与水泥浆体的热不相容性，进而显著改善UHPC高温后力学性能[23]。可见钢渣作为耐火骨料很好地解决了UHPC在高温作用后强度急剧损失的问题，这为UHPC提高耐火性能提供了很好的思路。

2.3.2 UHPC高温后压缩破坏形态表10为各系列UHPC在不同目标温度作用后压缩试件的破坏形态，从中可以看出，UHPC1在常温下和200 ℃高温作用后的受压破坏形态相同，试件均发生了压缩脆性破坏；UHPC5在200 ℃高温作用后也发生了严重脆性破坏。而UHPC2在常温下和200 ℃高温作用后，均发生了裂纹累积塑性受压破坏，破坏形态为典型的X交叉型剪切破坏，受压破坏后无碎块崩出，仅表面出现膨胀、掉渣、裂纹现象，试件仍保持良好的整体性。说明钢纤维的粘结和桥接作用改善了UHPC的脆性。UHPC3在常温下受压破坏形态为延性破坏，说明常温下聚丙烯纤维对UHPC具有阻裂作用。

表10 各系列UHPC不同温度后压缩破坏形态Table 10 Compression failure of UHPC at different temperatures

单掺聚丙烯纤维UHPC在200～600 ℃高温作用后，由于聚丙烯纤维的熔解，UHPC内部无纤维约束，试件均发生压缩脆性破坏，且强度越高，脆性越大。在600 ℃以后，高温损伤致使试件抗压强度急剧下降, 因而受压破坏脆性有所改善。

混杂纤维UHPC在常温(25 ℃)～1 000 ℃高温作用后，试件破坏均表现为裂纹累积塑性破坏，与UHPC3在不同温度后的受压破坏形态相比发生了很大变化。这主要是因为纤维复掺改变了UHPC高温作用后试件受压破坏形态。聚丙烯纤维在165 ℃熔解，在200 ℃高温作用后聚丙烯纤维增强阻裂的积极作用已基本消失。在200～600 ℃高温作用下，钢纤维发挥桥接和阻裂作用，致使试件在受压时仍能保持一个较为完整的形态，没有发生压缩脆性破坏。在800 ℃后，钢纤维开始脱氧碳化，在1 000 ℃高温作用后，钢纤维对UHPC高温积极作用基本丧失，试件破坏后形成上下相接的两个椎体。

由表10对比发现，由于钢渣骨料UHPC在高温下具有更密实的分子结构，相对于石英砂骨料UHPC来说，高温作用后的破坏程度更小；钢渣骨料混杂纤维UHPC在高温作用后力学性能最佳，这与2.3.1节得出的结论一致。

3 钢渣骨料混杂纤维UHPC高温后力学性能

钢渣骨料混杂纤维(UHPC6)高温力学性能以及对强度的维持能力较好，因此，分析了UHPC6在标准试验立方体尺寸(150 mm×150 mm×150 mm)下不同温度作用后的应力-应变曲线，并研究了最优耐高温UHPC尺寸效应对其残余力学性能的影响。

3）在下入直径 426mm管柱前，用 PTB—480校正钻井并以两套刚性依序增加的钻具组台修整[4]：

图6为标准立方体试验尺寸下材料UHPC6在不同温度作用后的应力-应变曲线(应力、应变均取4个试件的平均值)。由于混杂纤维的加入改变了UHPC的脆性破坏，试验均采集到了UHPC6-150不同温度作用后受压应力-应变曲线下降段，试件在压缩过程中均发生了延性破坏，与UHPC6材料破坏形态一致。由图6可知，随着温度的升高，UHPC6-150的立方体抗压强度表现出先增加后降低的趋势，临界温度为400 ℃。室温～400 ℃高温作用后，曲线峰值点随温度升高而升高，曲线下降段随温度升高而变陡，表明在经过高温后UHPC依然表现出强度越高脆性越大的特点。在600 ℃高温后，峰值点开始下移，弹性模量开始下降，然而曲线下降段开始变缓，说明温度超过600 ℃，钢渣骨料混杂纤维UHPC经过高温作用后延性得到一定程度的发展；钢纤维可以很好地缓解高温后UHPC受压脆性破坏。

图6 UHPC6-150不同温度后受压应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of UHPC6-150 after different temperatures

由表11可知，该最优耐高温材料-钢渣骨料混杂纤维UHPC具有尺寸效应，不同尺寸的试件在不同温度作用下立方体抗压强度明显不同，然而，在不同温度作用后，不同尺寸试件之间的强度转化因子(即不同尺寸试件在相同温度下的强度之比)基本一致，说明高温对UHPC的强度转换因子影响不大，对UHPC在高温作用后的变化规律影响不大，这也证实了Yang等[20]的观点。

表11 UHPC6不同尺寸试件的平均抗压强度及转化因子Table 11 Average compressive strength and transformation factor of specimens with different sizes MPa

注：UHPC6试件尺寸为50 mm×50 mm×50 mm；UHPC6-150试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；转化因子=UHPC6-150的强度/UHPC6的强度。

图7为其他学者[19,32-33]研究UHPC在不同高温作用后相对抗压强度值。为了避免试件尺寸及用料配合比对结论的影响，对其他学者研究UHPC高温作用后抗压强度的结果进行归一化处理，即相同条件下，UHPC高温后抗压强度与常温抗压强度的百分比。

图7 UHPC相对抗压强度与温度的关系Fig.7 Relation between relative compressive strength and temperature of UHPC

由图7可以看出，UHPC抗压强度随温度的升高先上升后降低，这与本文中研究的规律相符。同时，该钢渣骨料混杂纤维UHPC在1 000 ℃高温作用后，残余强度相对值达到67%；800 ℃高温作用后，残余强度相对值高达89%，比其他学者研究的UHPC在800℃高温作用后残余强度相对值高56%。由此可见，该钢渣骨料混杂纤维UHPC性能优越且在高温作用后性能稳定，具有较好的耐高温性能。