0 引言

隨著近年來(lái)建筑火災(zāi)發(fā)生頻率的持續(xù)升高，混凝土的抗高溫性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。微粒混凝土是目前眾多研究者使用振動(dòng)臺(tái)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)縮尺試驗(yàn)時(shí)替代普通混凝土的一種材料。已有的研究結(jié)果[1-3] 已經(jīng)表明，具有一定骨料配比的微粒混凝土在常溫下能很好地表征普通混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能。然而，關(guān)于微粒混凝土在高溫作用下力學(xué)性能變化的研究較少。本文將針對(duì)微粒混凝土在高溫下的力學(xué)性能開(kāi)展相關(guān)研究，并與普通混凝土進(jìn)行比較。

由于混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及試驗(yàn)材料和方法的差異，目前關(guān)于普通混凝土在高溫作用下抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律的研究并沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。鈕宏[4] 對(duì) 800℃ 內(nèi)不同溫度和荷載共同作用下混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出抗壓強(qiáng)度總體隨溫度升高而下降，但在 400℃ 左右有回升的結(jié)論；賈彬[5] 使用微波爐加熱混凝土，表明抗壓強(qiáng)度在 300～400℃ 間隨溫度升高而加強(qiáng)；時(shí)旭東[6] 重點(diǎn)研究低于 500℃ 的亞高溫區(qū)段混凝土的力學(xué)性能，表明 100～250℃ 內(nèi)抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大且在 100℃ 附近形成強(qiáng)度波谷；過(guò)鎮(zhèn)海[7]對(duì)先升溫后加載與先加載后升溫兩種途徑下混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并建立了任意溫度—應(yīng)力途徑下混凝土本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算公式；南建林[8] 在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究不同途徑的升溫加載方式對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，給出了普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的上下限計(jì)算公式；李寧波[9] 分析了混凝土殘余強(qiáng)度的衰減規(guī)律，認(rèn)為混凝土在高溫作用后會(huì)經(jīng)歷低溫衰退、強(qiáng)度恢復(fù)、高溫衰退等三個(gè)階段。

對(duì)于微粒混凝土材料，現(xiàn)有的研究主要集中在常溫下彈性模量和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)受應(yīng)變率、尺寸效應(yīng)和其他材料摻量的影響。楊政[1] 研究了微粒混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，證明了其與普通混凝土具有相似性；沈德建[2] 從加載應(yīng)變率、靜態(tài)初始荷載、尺寸效應(yīng)三個(gè)方面研究微粒混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律，并建立了考慮尺寸效應(yīng)的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式；沈朝勇[3] 在微粒混凝土中摻入不同種類的材料，配制了相關(guān)的微粒混凝土。通過(guò)動(dòng)力模型試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)加入陶粒、粉煤灰、浮石的微粒混凝土的彈性模量有所降低，其中浮石的效果最為明顯。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì) 25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃ 等 8 種不同溫度下的微粒混凝土試樣進(jìn)行測(cè)試，探討了高溫作用下微粒混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，并與普通混凝土進(jìn)行對(duì)比，為微粒混凝土的研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方案介紹

1.1  微粒混凝土的制作

微粒混凝土是由水泥、粗細(xì)骨料和水按照一定比例配制而成的混合物。它以 2.5～5mm 的碎石作為粗骨料，小于 2.5mm 的砂礫作為細(xì)骨料。由于骨料粒徑發(fā)生了變化，混凝土的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在進(jìn)行微粒混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先考慮試樣的受力方式和受力特點(diǎn)。本試驗(yàn)主要研究用來(lái)表征 C30 混凝土的微粒混凝土在高溫條件下的彈性模量和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，因此設(shè)計(jì)配合比時(shí)應(yīng)主要考慮微粒混凝土的抗壓強(qiáng)度和同強(qiáng)度等級(jí)原型混凝土相同。基于已有研究經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)四種不同配合比（如表 1）測(cè)試其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù) 28 天的立方體抗壓強(qiáng)度，并與 C30 混凝土進(jìn)行比較，每組配合比制作三個(gè)尺寸為 150mm×150mm×150mm 的立方體試樣。

水泥采用海螺牌 P·O32.5 R 普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用舟山碎石，細(xì)骨料采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，細(xì)度模數(shù)為 2.74，骨料級(jí)配見(jiàn)表 2。試樣攪拌均勻后放置在振動(dòng)鋼平臺(tái)上振搗。24 小時(shí)后脫模，放入溫度 20℃、濕度 98% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù) 28 天后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，四組配合比的微粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表 1。試驗(yàn)結(jié)果表明：第 1 組配合比制作而成的微粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和 C30 混凝土相似，符合本試驗(yàn)預(yù)期要求。因此選用第 1 組配合比作為本試驗(yàn)的微粒混凝土配合比。

1.2  試驗(yàn)方案

微粒混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用 YAW 微機(jī)控制液壓壓力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)開(kāi)始前，先將尺寸為 150mm×150mm×150mm 的微粒混凝土試樣放置在溫控箱中加熱，溫控箱采用德國(guó) Willi-Memmert GmbH 設(shè)備，最高加熱溫度可達(dá) 700℃。當(dāng)加熱到指定溫度后，維持該溫度 6 個(gè)小時(shí)，確保微粒混凝土試塊溫度場(chǎng)均勻，模擬完全燒透狀態(tài)。取出加熱后的試塊，將其放置于壓力試驗(yàn)機(jī)上，將試塊與空氣接觸部分用石棉完全包裹，減少加載過(guò)程中試塊表面溫度的耗散（如圖 1）。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整，保證試樣對(duì)中放置。緩慢加載，直至試樣壓裂破壞，由試驗(yàn)機(jī)直接讀出試樣破壞時(shí)的極限壓應(yīng)力，計(jì)算得到微粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。

2  試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1  試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象

在 25～200℃ 范圍內(nèi)進(jìn)行加熱試驗(yàn)，微粒混凝土加熱且恒溫 6 小時(shí)后，試塊表面顏色同常溫，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂縫、掉角、表皮脫落等現(xiàn)象。溫度高于 150℃ 后，試塊取出后能明顯看到表面冒出水蒸氣并伴有爆裂聲。

試塊的破壞形式也隨溫度升高有所不同。圖 2 為不同溫度作用后加載至破壞的試塊的對(duì)比圖。從圖中可以看到：加熱溫度為 100℃ 以下的試塊受壓破壞現(xiàn)象多為貫穿試塊的斜裂縫，邊角雖然較為完整，但表皮脫落現(xiàn)象嚴(yán)重；當(dāng)溫度范圍在100～200℃ 之間時(shí)，能明顯看到試塊中部出現(xiàn)豎向裂縫，且伴有眾多微小裂縫，但試塊邊角較為完整。這與時(shí)旭東等人[6] 得到的普通混凝土在 200℃ 以內(nèi)的高溫破壞形式相類似。

2.2  高溫失重率分析

不同溫度下微粒混凝土的高溫失重率（△m/m0）見(jiàn)表 3。其中△m 為加熱后微粒混凝土試塊損失的重量，m0 為常溫下試塊的重量。從圖 3 可以看出在 200℃ 范圍內(nèi)，作用溫度對(duì)微粒混凝土的高溫失重率影響較為明顯，隨溫度升高混凝土的失重率將明顯上升。時(shí)旭東[6] 給出了普通混凝土在升溫至 500℃ 的過(guò)程中失重率的變化情況（如圖 4）。對(duì)比其在 100～200℃ 范圍內(nèi)失重率的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)為一條近似直線，而本試驗(yàn)的曲線斜率越來(lái)越大。反映出微粒混凝土的高溫失重率隨溫度升高增加得越來(lái)越快。當(dāng)升高至同一溫度時(shí)，對(duì)比普通混凝土，微粒混凝土因高溫而導(dǎo)致的水分損耗更多。本試驗(yàn)中的微粒混凝土的高溫失重率是文獻(xiàn) [6] 普通混凝土失重率的 3 倍，說(shuō)明了混凝土的骨料粒徑對(duì)于高溫失重率有著較為明顯的影響：骨料粒徑越小，混凝土升溫后的失重率越大，損耗的水分越多。

2.3  試驗(yàn)微觀現(xiàn)象

本試驗(yàn)采用了 SEM 掃描電鏡對(duì)不同溫度作用后的微粒混凝土進(jìn)行了微觀分析。分別從 8 組不同溫度作用后的微粒混凝土試塊中切取鱗片狀混凝土片進(jìn)行 SEM 試驗(yàn)，圖 5、圖 6 分別為放大×2000 倍 25℃ 與 200℃ 下的微觀掃面結(jié)果。

對(duì)比不同溫度下的電鏡掃描圖可以看到：常溫下微粒混凝土試塊中的孔洞較少，這些孔洞是前期制作時(shí)振搗的不均勻以及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土中的游離態(tài)水分蒸發(fā)而導(dǎo)致的。對(duì)比常溫下的微粒混凝土，200℃ 作用后的 SEM 結(jié)果中孔洞數(shù)量越來(lái)越多，且分布得更加密集。其可能原因是混凝土內(nèi)部的游離態(tài)的水以及部分結(jié)晶水隨著溫度升高開(kāi)始耗散，由于水蒸汽的溢出導(dǎo)致了許多新的孔洞的形成，進(jìn)一步降低了微粒混凝土的高溫性能。

3  試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1  高溫下抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

表 4 給出在 25～200℃ 范圍內(nèi) 8 個(gè)不同溫度下微粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的平均值。從圖 7 中可以看到，抗壓強(qiáng)度在 25～100℃ 之間呈線性下降趨勢(shì)，在 100～150℃ 之間強(qiáng)度有明顯的回升現(xiàn)象。超過(guò) 150℃ 后強(qiáng)度又開(kāi)始明顯下降。微粒混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著溫度變化的規(guī)律與普通混凝土[6] 在該溫度范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)較為相似，都在 125～150℃ 范圍內(nèi)有所回升，因?yàn)樵谠摐囟确秶鷥?nèi)，之前未水化的水泥顆粒的水化反應(yīng)達(dá)到峰值，促使試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得致密，有助于強(qiáng)度的提高。當(dāng)溫度達(dá)到 150℃ 附近時(shí)，水泥膠凝材料中的結(jié)合水脫出，加強(qiáng)了骨料和水泥膠凝材料間的咬合作用，也有利于強(qiáng)度的提高。

3.2  高溫下彈性模量變化規(guī)律

本試驗(yàn)基于 Buckingham π定理，采用量綱分析法進(jìn)行微粒混凝土相似關(guān)系設(shè)計(jì)。質(zhì)量系統(tǒng)作為基本量綱：骨料尺寸相似常數(shù) CL=1/4、質(zhì)量密度相似常數(shù) Cρ=1、彈性模量相似常數(shù) CE=1/4。表 5 為 8 組不同溫度條件下微粒混凝土彈模平均值。由表 5 可得：微粒混凝土的彈性模量符合相似關(guān)系要求。圖 8 為彈性模量與溫度的變化曲線圖，其中實(shí)線為實(shí)測(cè)值，虛線為擬合曲線。由圖可得，溫度范圍在 200℃ 內(nèi)，微粒混凝土與普通混凝土類似，彈性模量隨著溫度升高，總體來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中，彈性模量在 25～50℃ 以及 150～200℃ 下降較為明顯，降幅分別達(dá)到了 9.4% 和 10.3%。對(duì)照表格數(shù)據(jù)可以看到，溫度在 125℃ 附近時(shí)，彈性模量重新呈上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到 150℃ 附近，彈性模量的值達(dá)到了峰值點(diǎn)。

參考文獻(xiàn) [7] 中對(duì)普通混凝土彈模隨著溫度變化的擬合曲線的計(jì)算方法。現(xiàn)將本試驗(yàn)中彈模隨溫度變化的關(guān)系擬合為式 (1)：

    ET/E = 0.975 - 0.00109T     25℃≤T≤℃            (1)

式中：ET——不同溫度條件下微粒混凝土的彈性模量；

E——常溫時(shí)（25℃）微粒混凝土的彈性模量。

將本試驗(yàn)的彈性模量變化擬合曲線與文獻(xiàn) [4]、[7] 中的擬合曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖 9 所示，由圖可見(jiàn)該曲線與文獻(xiàn) [7] 中普通混凝土 40% 峰值應(yīng)力處的割線模量隨溫度變化的擬合曲線斜率相近，說(shuō)明了微粒混凝土的彈性模量隨溫度變化的規(guī)律與普通混凝土相似。

4  結(jié)論

本試驗(yàn)的主要結(jié)論如下：

（1）高溫作用后，微粒混凝土的加載破壞形式隨著溫度升高有所不同：100℃ 以下破壞形式為貫穿試塊的斜裂縫，超過(guò) 100℃ 時(shí)試塊中部出現(xiàn)較大裂縫，該破壞形式與普通混凝土相似。

（2）骨料粒徑越小，混凝土升溫后的失重率越大，損耗的水分越多。25～200℃ 范圍內(nèi)微粒混凝土的高溫失重率是普通混凝土的 3 倍。

（3）微粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度升高總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但在 100～150℃ 之間強(qiáng)度有明顯的回升現(xiàn)象，與普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律較為類似。

（4）溫度范圍在 200℃ 以內(nèi)，微粒混凝土的彈性模量隨溫度的變化規(guī)律與普通混凝土相似，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且當(dāng)溫度達(dá)到 125℃ 附近，彈模有回升趨勢(shì)。

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