养护方式对气凝胶砂浆复合自密实混凝土隧道火灾抗力的影响

徐东航，朱平华，陈春红，刘 惠，刘少峰

(常州大学环境与安全工程学院，常州 213164)

0 引 言

自密实混凝土(SCC)具有自密实、高强度、易施工等优点[1]，在隧道结构中得到了广泛的应用。然而，当隧道发生火灾时，SCC会因为内部孔隙水压力不能及时释放等原因而爆裂剥落[2-3]，钢筋直接裸露于火灾下，致使结构承载力急剧下降，甚至导致隧道混凝土结构的整体倒塌。交通事故或车辆自燃起火等原因引发的交通隧道火灾难以在短时间扑灭，通常会带来大量的人员伤亡和不可预估的经济损失[4]。世界各国早已针对隧道防火方面进行了研究探索，隧道防火涂料由于其成本低廉、施工方便等优势而备受青睐[5]。

气凝胶具有高孔隙率(94%～99%)、低热导率(0.003～0.02 W/(m·K))、低密度(3～100 kg/m3)的特性[6-8]。封金财等[7]发现气凝胶颗粒在胶凝材料水化过程中是稳定存在的。因此，气凝胶可以作为隧道防火砂浆的骨料，来提升其耐火性。Ng等[8]通过添加气凝胶来降低混凝土复合材料的导热系数，结果表明，当气凝胶体积占混凝土体积的50%时，复合材料的导热系数为0.26 W/(m·K)；当体积掺量达到60%时，导热系数下降了46%，为0.14 W/(m·K)。Zhu等[9]制备了SiO2气凝胶含量占骨料体积0%、33%、66.7%的气凝胶砂浆(ACP)，其导热系数分别为1.7 W/(m·K)、0.4 W/(m·K)和0.17 W/(m·K)，同时提出了不同气凝胶含量的砂浆导热系数与密度相近的泡沫混凝土相似的结论。吕航等[10]利用气凝胶水泥基作为防火涂料，研究表明，气凝胶水泥基的耐火极限时间随着气凝胶含量的增加呈现先增加后减少的趋势。

水泥水化是一种复杂的化学反应，主要取决于材料组分特征和环境条件。当养护方式变化时，水泥浆中的微观结构和水化速率会发生显著变化[11]。适当的水分条件对水泥水化至关重要，因为当毛细孔道内的相对湿度降到80%以下时，水泥的水化几乎停止[12]。梅智勇等[13]提出湿养时间对砂浆的强度的增长起到重要的作用，工地实际施工中，应至少对矿浆进行14 d浇水养护，才能保证其强度达到正常范围。Chen等[14]发现随着养护龄期的延长，砂浆的孔隙率会不断降低，孔隙渗流尺寸大幅度减小，中孔会成为主导孔隙。Guo等[15]发现湿含量和孔隙率会显著影响耐火混凝土的抗火性能，孔隙率增加有利于降低混凝土导热系数。

以上研究表明，合理的养护方式可以显著提高砂浆的性能。然而，目前对ACP的研究主要集中在气凝胶含量或涂层厚度上，关于养护方式对ACP性能影响的研究甚少。因此，本文研究湿养时间对ACP抗压强度、抗折强度和导热系数等性能的影响。同时，对SCC单面涂覆6 mm厚的ACP进行隧道火灾模拟实验(1 100 ℃，2.5 h)，通过火灾实验后SCC残余抗压强度来探究养护方式对ACP复合SCC隧道火灾抗力的影响规律。

1 实 验

1.1 原材料

原材料组成：江苏扬子水泥有限公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥(表观密度为3 100 kg/m3)；常州本地天然河砂(细度模数2.86)；矿物掺合料包括常州湖塘热电厂生产的特级硅灰(表观密度为2 200 kg/m3)和常州中天钢铁集团的生产的矿渣(表观密度为2 661 kg/m3)；广东埃力生高科技有限公司生产的疏水型商用硅气凝胶，其各项性能参数见表1；江苏苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂；上海臣启化工科技有限公司生产的聚丙基甲基纤维素；山东莱阳宏祥建筑外加剂厂生产的灰霸牌引气剂；上海凌峰化学试剂有限公司生产的高温抑制剂TiO2；上海臣启化工科技有限公司生产的可再分散乳胶粉作为分散剂；上海影佳实业发展有限公司生产的聚丙烯纤维。

表1 气凝胶的基本性能

1.2 配合比

参照Zhu等[9]的试验成果，同时依据GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》[16]中的体积法设计ACP配合比，其中骨料(气凝胶+砂)的体积占砂浆总体积的60%，气凝胶体积占骨料体积的80%，具体配合比见表2。自密实混凝土的目标强度为C40，依据JGJT 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》[17]，具体配合比见表3。

表2 气凝胶砂浆配合比

表3 C40自密实混凝土配合比

1.3 试块制备及养护

SCC采用两次搅拌工艺[18]，成型100 mm×100 mm×100 mm的试件，然后标准养护28 d。28 d养护完成后进行烘干，随后存放在75%湿含量养护箱中，直至质量不变，从而控制SCC湿含量为75%，该湿含量为混凝土在火灾下极易发生爆裂的湿含量界限[2]，以便充分探明养护方式对ACP隧道火灾抗力的影响。

ACP制备方法是将原材料(水泥、砂、硅灰、矿渣、TiO2、甲基、分散剂、引气剂和纤维)放入JJ-5水泥胶砂搅拌仪中，干搅2 min，然后加水搅拌至均匀，再缓慢加入气凝胶和减水剂，混合搅拌3～4 min。待浆体搅拌均匀后一部分装模成试件，用以测试ACP的力学性能和导热性能，一部分涂覆在SCC表面(涂层厚度为6 mm，称为ACP复合SCC)，在自然环境下((20±5) ℃)静置1 d脱模，再分别进行养护。

本试验基于自然状态下养护，期间平均温度为15～25 ℃，昼夜温差为5～10 ℃，相对湿度为60%±15%。以现场施工养护方法为基准，对ACP采用了4种湿养和干养并存的养护方式，并采用标准养护作为对照组。湿养方式：在自然状态下每隔6 h在试件表面喷水，并用薄膜覆盖。干养方式：在自然状态下养护。标准养护：温度为(20±1) ℃，相对湿度95%以上。养护龄期均为28 d，具体养护方式见表4。

表4 养护方式

1.4 试验方法

ACP抗压和抗折强度按JGJT 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[19]进行测试。导热系数采用热线法[20]进行测试,为准确比较不同养护方式下ACP导热系数的变化，每种养护方式均测量三块试块，并取平均值。

隧道火灾试验装置采用RTD-45-13型台车式电阻炉，试验装置见图1(a)。隧道火灾升温曲线如图1(b)，按照HC曲线(碳氢曲线)[21]30 min内达到1 100 ℃的火灾状态，随后炉内维持1 100 ℃的高温120 min。升温结束后，温度将以10 ℃/min的速率降至室温。所有试块均为单面受火，非受火面用耐高温粘结剂和含锆纤维毯包裹密封。使用扫描电子显微镜(SUPRA55，Zeiss)观察ACP受火前后的形貌特征。

图1 (a)用于隧道火灾试验的电阻炉；(b)模拟隧道火灾的HC曲线和试验曲线

2 结果与讨论

2.1 ACP抗压强度和抗折强度

图2给出了ACP抗压强度和抗折强度与养护方式之间的关系。从图可知，在7W至28W养护时，随着湿养时间的延长，ACP的抗压强度和抗折强度均持续上升，相比抗压强度，抗折强度的上升更为缓慢；抗折强度最高值为0.84 MPa(28W)，比最低值0.74 MPa(7W)增加了17%；抗压强度增长最快的阶段是从7W养护到14W养护，增加了0.2 MPa，随后增长速率下降，在28W养护ACP抗压强度达到3.5 MPa。水泥强度由水泥的矿物组成决定的，水泥的水化产物主要是水化硅酸钙(CSH凝胶)、氢氧化钙(CH)和钙矾石[11]，湿养可以提升ACP内部水化反应速率，加速生成水化产物，更多的水合产物填充了开孔[12]，增加了ACP的力学性能。值得注意的是28SW养护的ACP的抗压和抗折强度均比28W高3%左右，这是由于28SW养护温度((20±1) ℃)相比28W(15～25 ℃)养护温度变化范围小，使得ACP的水化产物更加均匀，有利于提升ACP的力学性能。

图2 不同养护方式下ACP的抗压强度和抗折强度

图3 不同养护方式下ACP的导热系数

2.2 ACP导热系数

图3是ACP在不同养护方式下的导热系数。在7W至28W养护时，随着湿养时间的延长，ACP的导热系数呈现先下降后上升的趋势。14W养护的ACP导热系数最低，为0.179W/(m·K)，相比7W养护下降了1%，这是由于随着湿养时间的延长，ACP的孔径不断缩小,更小的孔径有利于降低导热系数[21]。28W养护时，导热系数上升至0.184W/(m·K)，相比14W养护上升3%。湿养加速ACP水化反应速率，水合产物增多，提高了ACP的密实性，降低了ACP的孔隙率。空气的导热系数为0.026W/(m·K)，远低于砂浆的水化产物的导热系数1.7～2.5W/(m·K)[8]，所以ACP的孔隙率越低，导热系数越高。28W养护的导热系数略低于28SW养护，与恒温养护相比，自然养护状态下的ACP由于昼夜温差会提高孔隙率[14]，进而降低其导热系数。

2.3 SCC隧道火灾爆裂试验

图4为SCC在隧道火灾试验后形貌图。如图4(a)所示，未涂覆ACP的SCC试块在隧道火灾试验中发生爆裂。在试验开始后的8 min(温度623 ℃)发生第一次爆裂，第17 min(温度847 ℃)结束爆裂，爆裂时长共9 min，爆裂次数为116次(通过爆裂声音次数来计数)。爆裂试验后的混凝土体积约为原体积的一半，失去了承压能力，残余抗压强度为0 MPa。

涂覆14W养护方式制备的ACP复合SCC试块在隧道火灾试验后仍然保持完整性(如图4(b)所示)。ACP在火灾试验后也未脱落，仍具有较好的粘结强度。同时，可以观察到SCC的侧面产生了裂纹，这标志着混凝土内部已有一定损坏。其他养护方式下的ACP复合SCC试块与之相似，火灾试验后均未发生爆裂剥落。但是对比图4(a)和图4(b)可知，ACP对SCC起着显著的抗火灾爆裂保护作用。

图4 SCC在隧道火灾试验后形貌图

图5 不同养护方式下ACP复合SCC火灾后的残余抗压强度

2.4 ACP复合SCC隧道火灾后强度退化

图5给出了不同养护方式的ACP复合SCC试件在隧道火灾试验后的残余抗压强度。由图5可见，14W养护的SCC残余抗压强度比7W养护的高15%，为13.5 MPa，14W养护的ACP由于更长的湿养时间，更多的CH与硅灰反应生成CSH凝胶(CSH凝胶的热稳定性高于CH[22])，有利于ACP对SCC起到更好的隔热保护作用。14W养护后，SCC残余抗压强度随着ACP湿养时间的延长呈现下降趋势，28W养护时SCC残余抗压强度达到最低点，为11.3 MPa，比14W养护低2.2 MPa。结合图3可知，在14W养护至28W养护时，ACP的导热系数越低，SCC的残余抗压强度相对就越高，即ACP复合SCC隧道火灾抗力性能就越好，所以导热系数可以作为衡量ACP耐火隔热性能的重要指标。28W养护的ACP导热系数低于28SW养护的导热系数，但28SW养护的SCC残余抗压强度却高于28W养护，原因在于28W养护存在昼夜温差，导致ACP微观结构不均匀，疏松的微观结构降低了ACP的隧道火灾抗力。SCC火灾前抗压强度为42.3 MPa，高温后SCC抗压强度下降了68%～73%，说明即使在6 mm ACP涂层保护下，SCC也会损失大部分承载力。因此，应适当提升ACP涂层厚度从而提高SCC火灾后残余抗压强度。

2.5 气凝胶砂浆火灾前后微观形貌分析

图6是隧道火灾试验前ACP的微观形貌图。从图中可以看出，气凝胶与水泥浆的界面处有几微米的空隙，这是由于水泥浆体在水化过程中收缩所致。从图6(f)～(j)可以发现，随着湿养时间延长，砂浆的孔径逐渐缩小，即ACP孔隙结构不断细化，使浆料更加紧密。同时，湿养促进了火山灰(矿渣和硅灰)反应[22]，CH在养护过程中不断被消耗，与火山灰反应生成更多的CSH凝胶填充微孔，使微观结构更加均匀紧致。

图7是隧道火灾试验后ACP的微观形貌图。从图7(a)～(e)可知，ACP遭受火灾后，气凝胶体积大幅收缩，导致水泥浆体与气凝胶界面处存在巨大的间隙，此时ACP已经失去了对SCC的隔热保护功能。沿水泥浆体可以观察到微裂纹，这是水化产物在高温下的脱水导致水泥浆体收缩而引起的。同时，水泥浆体中的孔隙会构成微裂纹发展的起点，并可以集中传播局部应力[23]。相比21W养护，7W养护的ACP在隧道火灾下产生的微裂纹更长更宽。7W养护的ACP由于水养时间不充分增加了粗孔，加速了ACP在高温下微裂纹的产生。结合图3和图5可以发现，相比7W养护，21W导热系数更高，但7W养护下的ACP复合SCC的残余抗压强度却比21W养护低0.6 MPa。这说明微裂纹会加速水泥浆体的损伤，进而降低ACP复合SCC的隧道火灾抗力[24]。因此，虽然7W养护的ACP的导热系数低于21W养护，但21W养护的ACP具有更好的耐火、隔热性能。14W养护的ACP火灾试验后的微裂纹相对较短和较少，均匀的水化产物和较低的导热系数均减少了高温下微裂纹的产生，降低了隧道火灾下水泥浆体的损伤速率，从而提高了ACP复合SCC的隧道火灾抗力。

图6 不同养护方式下ACP隧道火灾试验前SEM照片

图7 不同养护方式下ACP隧道火灾试验后扫SEM照片

3 结 论

(1)未涂覆ACP的C40 SCC遭受火灾时会发生爆裂，试块爆裂次数为116次，残余抗压强度为0 MPa；而ACP复合SCC的试件遭受火灾时均未发生爆裂，14 d湿养下SCC残余抗压强度最高，为13.5 MPa。

(2)湿养时间越长，ACP就会产生更多的水化产物，细化孔隙结构，使浆料更加紧密。紧密的微观结构提升了ACP的力学性能，但也增加了ACP的导热系数，进而降低其隔热性能。水养时间不充分会增加粗孔，使高温下ACP产生的微裂纹更长更宽，这会加速水泥浆体的损伤。综合考虑ACP的力学性能、导热系数和微观结构，14 d湿养为最优养护。