高温后粉煤灰细骨料混凝土力学性能试验研究

王子杰， 石旅铭， 马 也， 包 超

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

粉煤灰作为一种工业固废，因其自身所具有的“三大效应”而被大量应用于混凝土之中.其在混凝土中通常是通过替代部分胶凝材料或在混凝土中外掺粉煤灰等做法来提高混凝土的工作性能和力学性能[1—2].但不同等级的粉煤灰的物化性质存在较大差异，尤其是低等级的粉煤灰几乎无法使用在混凝土之中.同时，天然河砂过量开采的问题也越来越严峻[3—4].针对这些情况，有相关学者提出了用粉煤灰作为细骨料来代替部分河砂的方法[5—9].这不仅可以提高高等级粉煤灰在混凝土中的使用率，而且可以使低等级粉煤灰在混凝土中的应用成为可能.此外，混凝土除了必须满足常温下的工作性能，还需要考虑高温作用下的性能变化.为了减小高温下混凝土材料的劣化所造成的影响，国内外学者对混凝土的高温破坏机理以及抗火性改善进行了大量的系统性研究.钱在兹等[10]用扫描电镜观测了混凝土高温作用后的微观亚微观的表面形貌变化，阐述了混凝土高温作用后的破坏机理.Amrutha等[11]通过对掺入粉煤灰的自密实混凝土高温后的强度试验发现，混凝土由于粉煤灰的掺入减弱了高温下混凝土强度的降低.

由于目前针对粉煤灰细骨料混凝土性能的研究较少，对其高温后性能的研究更少.因此，本文采用了Ⅲ级粉煤灰替代细骨料制备粉煤灰细骨料混凝土，并与普通混凝土以及粉煤灰混凝土进行对比，探讨了不同温度、不同粉煤灰替代率与混凝土残余力学性能的关系，分析了粉煤灰细骨料混凝土超声波速随加热温度、粉煤灰替代率的变化规律，为高温后混凝土材料强度评估及修复提供一定的试验数据.

1 试验

1.1 原材料与配合比

1.1.1原材料 水泥，宁夏赛马牌P·O42.5级水泥；细骨料，宁夏银川市河砂，级配良好，细度模数为2.75，密度为2 660 kg/m3；粗骨料，5～20 mm连续级配碎石；粉煤灰，银川市某电厂产Ⅲ级粉煤灰，其出厂检验的各项技术指标均合格；外加剂，宁夏宏联外加剂有限公司生产的HL-B1聚羧酸高效减水剂，减水效果为25%～30%；实验以C35强度等级混凝土为基准，水灰比统一为0.42，具体配合比见表 1.

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验方案

1.2.1力学性能试验 混凝土抗压、劈裂抗拉强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行，分别对高温后试件进行加荷速率为0.5 MPa/s的抗压强度试验及加荷速率为0.05 MPa/s的劈拉强度试验.测试仪器为电液伺服万能材料试验机和微机控制电子万能试验机，为了增加数据的可靠性，每组取3个边长为100 mm试件进行高温后强度测试，取其均值作为代表值.

1.2.2高温试验 试件成型1 d后拆模，并置于标准养护条件下养护28 d.为防止试件在高温试验时发生爆裂，提前在烘箱里进行105 ℃烘干24 h.高温试验温度选取20，150，300，450,600 ℃,采用箱式电阻炉(型号为SX2-15-12,炉膛尺寸为600 mm×400 mm×300 mm，允许最高温度为1 200 ℃)进行高温加热，温度控制精度为±1 ℃.升温时，将试件放至电阻炉内，初始温度为室温，以5 ℃/min的速率将试件升至设定温度，并恒温受热1 h，到达恒温时间后取出试件，自然冷却至室温.观察试样的表观特征，并进行拍照记录；称量高温前、后试样的质量，计算其质量损失率.

1.2.3无损检测试验 取立方体试件完整的两个侧对面，用记号笔画出该面的对角线，将两条对角线的四等分点定为测试点，在测试点处均匀涂抹一层医用凡士林.采用对测法，使用HC-U81型超声波检测仪进行超声波测试.每个测点重复测试3次，取平均值作为该点的测试结果，最终取两条对角线5个测点的平均波速为最终结果.

2 试验结果与分析

2.1 高温作用后试件表观特征变化

高温试验结束后通过观察发现，各组混凝土试件在20 ℃加热至600 ℃的过程中，表观状态均逐步发生变化，其中600 ℃下OPC，CFA-GV30，FAC-GV30的表观特征见图1.

图1 600 ℃作用后混凝土表观特征变化

观察不同温度下各组混凝土表观特征变化，温度在150 ℃之前时，混凝土试件表面颜色未发生明显变化，且均未出现裂纹，外形保持完整；300 ℃温度作用后，各组混凝土试件表面出现不同程度的“发白”，其中，OPC表面发白最为明显，FAC与CFA试件表面发白程度较低，这是由于两种混凝土均掺入部分粉煤灰造成的.同时，混凝土部分表面附有铁锈红色，这是因为混凝土表面水化铁酸钙(CaOFe2O3H2O)与Ca(OH)2发生了化学反应，生成了红褐色的Fe(OH)3沉淀物[12].但各试件表面尚未出现明显的裂纹，且外形保持完整.温度上升至450 ℃后，各组混凝土表面变为浅灰色，且由于部分Fe(OH)3分解使铁锈红色变浅，同时表面均出现了不同数量的细小裂纹，其中FAC试件出现的裂纹数量最多；当温度达到600 ℃后，3组混凝土试件表面由于Fe(OH)3完全分解，铁锈红色消失，且灰白颜色进一步加深，同时裂纹均得到了不同程度的发展.其中OPC与FAC试件表面布满了不同宽度的裂纹，与其形成对比的是CFA试件表面裂纹远少于以上两组.上述结果初步表明，CFA较其他两种类型混凝土的抗高温破坏能力得到明显提升.

2.2 质量损失率变化

混凝土高温后质量损失率与作用温度关系见图2.

图2 混凝土高温后质量损失率与温度关系

图2给出了各组混凝土的质量损失率随着温度的变化规律.在150 ℃以下时，各组混凝土的质量损失率均低于1%，因为加热试验前各组混凝土均进行了24 h，105 ℃干燥处理，此时混凝土内部剩余自由水含量相对较少；当温度在150～450 ℃时，混凝土中的毛细水、胶凝水开始不断蒸发，到了300 ℃之后，结晶水也开始逐渐失去，导致了质量损失率出现了急剧增大的现象.450～600 ℃混凝土质量仍然出现较大损失，这是由于当温度达到450 ℃以后，水泥中的水化硅酸钙、铝酸钙、氢氧化钙等水化物将会持续失水分解造成的[13].

分析CFA高温后质量损失率与粉煤灰替代率的变化规律.不同温度下，随着粉煤灰替代率的增加，质量损失率的变化较为复杂.但总体上依然呈现先减小后增大的趋势.当粉煤灰替代率在30%～40%时，其质量损失最低.这可能是因为CFA中的水泥与粉煤灰总量增加，在温度上升的过程中，混凝土内部水泥与粉煤灰的水化反应产生的凝胶逐渐增多，使混凝土裂缝没有得到较大的发展，水分蒸发较少.

2.3 高温后残余抗压强度变化

2.3.1高温后残余抗压强度分析 混凝土高温后残余抗压强度与温度关系见图3.

图3 混凝土高温后残余抗压强度与温度关系

从图3可以看出，各组混凝土残余抗压强度随着温度的上升总体呈现出先增大后减小的趋势.加热温度在300 ℃之前时，由于自由水蒸发形成大量水蒸气，促进未被水化的水泥颗粒和粉煤灰的水化反应在蒸压条件下继续进行，出现抗压强度上升的现象.当作用温度达到300 ℃后，混凝土内部破坏愈加严重，混凝土抗压强度逐渐降低.尤其在450～600 ℃时，水泥石中起骨架作用的水化硅酸钙、铝酸钙、氢氧化钙晶体受热分解，引起吸热反应发生，孔隙含量急剧增加，混凝土破坏加重，此时强度下降程度较大[14].不同温度下各替代率CFA的残余抗压强度均高于FAC与OPC.其中当替代率为30%～40%时CFA残余抗压强度最高.这可能是此时CFA中，粉煤灰的胶凝材料作用和微骨料效应最好,较大限度提高了混凝土性能.随着粉煤灰替代率进一步提高河砂数量进一步减少，可能发生混凝土骨料级配断层现象，影响混凝土力学自身性能.等质量替代率为30%的FAC在升温过程中抗压强度优于OPC，这是因为FAC在温度上升的过程中促进了粉煤灰的水化，使FAC强度得到一定的提升.同时由于温度区间有限，在温度从150 ℃上升到300 ℃的过程中，无法判断出各组混凝土是否会出现残余抗压强度先增大后减小的现象.因此，需要进一步通过试验验证.

进一步分析各组混凝土抗压强度在高温作用下的衰减变化程度.在各粉煤灰替代率下，CFA抗压强度残余率均高于OPC以及FAC.在替代率为40%，600 ℃下，最大残余抗压强度比达到55%左右.

2.3.2残余抗压强度与温度、粉煤灰替代率耦合模型建立 对不同温度作用下，各粉煤灰替代率下，CFA残余抗压强度试验数据进行分析处理，得出混凝土残余抗压强度与温度、粉煤灰替代率的拟合计算公式，拟合相关系数达到0.977 9.其公式如下：

fcu(T，w)=-100.03+

式中：T为作用温度(℃)；w为替代率(%).

根据试验数据，绘出高温下CFA残余抗压强度与温度和粉煤灰替代率的耦合关系曲面图(图4).

2.4 高温后残余劈裂抗拉强度变化

2.4.1高温后残余劈裂抗拉强度分析 各组混凝土残余劈裂抗拉强度与温度关系见图5.

图5分析了各组混凝土残余劈裂抗拉强度随温度上升的变化趋势.温度在300 ℃之前，劈裂抗拉强度下降程度较小；但当温度达到300 ℃后，劈裂抗拉强度的下降幅度增大.在各组混凝土劈裂抗拉强度下降的过程中，CFA残余劈裂抗拉强度高于FAC与OPC.在替代率40%时，高温后残余劈裂抗拉强度数值最高.进一步对比各类型混凝土劈裂抗拉强度衰减程度，在600 ℃下，普通混凝土残余劈裂抗拉强度能保持在常温的56%左右.当替代率为20%时，高温前后CFA残余劈裂抗拉强度比最高，却也只能达到55%左右.说明CFA虽具有较高的残余劈裂抗拉强度，却无法改善高温后劈裂抗拉强度的衰减程度.

图4 CFA残余抗压强度与温度、粉煤灰替代率耦合曲面关系

图5 混凝土高温后残余劈裂抗拉强度与温度关系

2.4.2残余劈裂抗拉强度与温度、粉煤灰替代率耦合模型建立 对不同温度下各替代率CFA残余劈裂抗拉强度试验数据进行分析处理，获得混凝土残余劈裂抗拉强度与温度、粉煤灰替代率的拟合回归公式，拟合相关系数为0.952 0.公式如下：

fts(T,w)=-0.621 7+

式中：T为作用温度(℃)；w为替代率(%).

根据试验数据，绘出高温下CFA残余劈裂抗拉强度与温度和粉煤灰替代率的耦合关系曲面图(图6).

2.5 微观结构检测

2.5.1X射线衍射分析 0%,20%,40%粉煤灰替代率CFA物相变化与温度的关系见图7～图9.

图6 CFA残余劈裂抗拉强度与温度、粉煤灰替代率耦合曲面关系

图7 0%粉煤灰替代率CFA样品在20,300,600 ℃作用下XRD图谱

图8 20%粉煤灰替代率CFA样品在20,300,600 ℃作用下XRD图谱

图9 40%粉煤灰替代率CFA样品在20,300,600 ℃作用下XRD图谱

由图7分析粉煤灰替代率为0%的CFA在不同温度下内部物相变化.其中Ca(OH)2,C-S-H,CaCO3·MgCO3,CaCO3的量随着温度的上升而降低.混凝土内部的Ca(OH)2随着温度的不断上升会受热分解成CaO，使得图中CaO的衍射峰强度增大.同时，当温度达到300 ℃后，水泥浆体中C-S-H也会逐渐脱水，混凝土内部由水化反应生成的C-S-H凝胶网状结构在此时出现孔洞,网状结构产生轻微破坏.此时混凝土结构依然存在着一定的承载力，但较作用温度在300 ℃以下的情况，其承载能力会有所下降.随着温度进一步上升至600 ℃后，C-S-H含量几乎为0.同时，部分CaCO3·MgCO3，CaCO3等物质也会受热分解成CO2，CaO，MgO等物质.CaO的衍射峰强度也因此会增大.

图8和图9可知，粉煤灰替代率分别为20%，40%的CFA在随作用温度上升的过程中的物相变化与OPC相似，而其主要区别为各种物质在不同温度作用下的余量不同.其中Ca(OH)2，C-S-H，CaCO3，CaO等物质衍射峰强度随温度变化趋势一致.在20 ℃时，XRD图谱2θ为30°附近存在一个宽度较大的弥散峰，说明此时混凝土水化产物主要为C-S-H.在20，300，600 ℃作用下，替代率为20%，40%的CFA的C-S-H，CaCO3衍射峰强度均比OPC大，说明此时CFA混凝土中的C-S-H的数量较OPC多.这为CFA强度高于OPC提供一定的理论支持.

2.6 无损检测

2.6.1超声波检测结果 对不同温度下自然冷却后的各组混凝土进行超声波测试.各混凝土超声波速变化曲线见图10.

图10 混凝土高温后波速与作用温度关系图

图10给出了各组混凝土高温后超声波速与作用温度的变化关系.作用温度在300 ℃以下时，超声波速降低的幅度较小.随着温度上升，超声波速下降的幅度增大.这与不同温度作用下混凝土强度变化趋势相一致.分析可知，虽然粉煤灰替代率发生改变，但不同温度下的CFA波速值大小差距不大，并随着温度升高，差距进一步缩小，但总体上粉煤灰替代率对高温下CFA波速仍具有一定的影响.由于超声波速变化与CFA的受热温度、粉煤灰替代率存在一定的相关性,对高温后CFA进行超声波检测,并由混凝土波速的变化规律，完全可以检测出混凝土在高温作用后的损伤情况.通过分析不同替代率的CFA的受热温度大小，从而鉴定混凝土结构的损伤程度.

2.6.2拟合回归方程适用性分析 利用Origin软件对不同温度下CFA抗压强度与声速值进行4种类型(一次函数、二次函数、指数函数以及Guass函数)函数拟合回归分析并进行对比.

图11 CFA超声波速与抗压强度拟合函数相关系数

由图11对不同温度下各替代率CFA抗压强度与超声波速的4种拟合函数的契合程度进行分析可知：各个替代率的CFA高温后抗压强度与Guass函数拟合性较好，相关性最佳，相关系数均能达到0.95以上.另外3种拟合方程的契合程度均不及Guass函数，尤其是一次函数与指数函数，相关系数为0.79和0.81，相关性较低.二次函数的拟合效果良好，虽不及Guass函数，但相关系数也能达到0.91以上.由此可知，Guass函数能最佳表征出CFA在不同作用下的强度变化规律，这也进一步验证了利用超声波来检测CFA高温后的强度是可行的.

3 结论

1)随着温度的上升，在各组混凝土质量损失率不断增大的过程中，各替代率CFA与FAC质量损失率均低于OPC.其中，粉煤灰替代率在30%时，CFA质量损失最低.

2)高温作用下，在OPC，FAC，CFA抗压、劈裂抗拉强度退化进程中，CFA残余抗压、劈裂抗拉强度总体高于OPC与FAC，替代率为30%～40%时，抗压、劈裂抗拉强度减损最小；在常温下，FAC相较于OPC的抗压、劈裂抗拉强度要低，但在温度上升的过程中，等质量替代的FAC的抗压强度与劈裂抗拉强度高于OPC.

3)CFA的力学性能劣化和微观结构变化之间存在联系.其力学性能劣化原因是经高温作用后，内部凝胶结构破坏、水化产物等受热分解，使其表面和内部产生微裂纹和孔隙导致的.

4)不同温度作用下，各替代率CFA抗压强度衰减程度均低于OPC；CFA无法通过改变替代率来改善混凝土的劈裂抗拉强度衰减程度，甚至还会促进混凝土的衰减进程.高温试验中，超声波速与粉煤灰替代率的变化关系不明显，但与温度呈现出明显的相关性，随着温度的升高，声速值不断下降.

5)高温条件下，在各替代率CFA的4种函数拟合回归方程中，Guass函数回归方程的适用性最佳，相关系数能达到0.95以上.