混凝土在高溫或局部高溫環境下,往往因性能劣化或爆裂而遭到嚴重的破壞,力學性能大幅降低,因而對混凝土材料高溫后力學性能的研究十分必要.目前,國內外對于混凝土高溫后力學性能的試驗研究較多,根據影響混凝土高溫性能的因素,試驗中的變量主要有以下幾類:骨料、外摻纖維、膠凝材料、升溫與冷卻制度等[1].其中,膠凝材料的不同對于混凝土常溫或高溫力學性能的影響很大,因此,膠凝材料對混凝土高溫力學性能影響一直是研究的重點.
水泥基材料摻入礦物摻合料等活性粉末后,其強度將有較大幅度的提高,而針對此類外摻活性粉末的水泥基材料的高溫力學性能的研究也在國內外逐步開展,如 Nadeem 等[2]研究了外摻偏高嶺土的水泥砂漿的高溫后力學性能;李海艷等[3-4]對外摻硅灰和礦渣的活性粉末混凝土\\(RPC\\)的高溫后力學性能和微觀結構進行了一系列研究;Poon 等[5-6]和 Seleem 等[7]均系統研究了外摻粉煤灰、礦渣、硅粉和偏高嶺土的高強混凝土的高溫后力學性能.隨著納米材料的不斷發展,一些學者嘗試將納米活性粉末摻入混凝土以提高其強度,取得了良好的效果,但對納米改性水泥基材料高溫后力學性能的研究還較為缺乏,Ibrahim 等[8]、Morsy等[9]、Farzadnia 等[10]分別研究了外摻納米 SiO2、納米偏高嶺土、納米氧化鋁的水泥砂漿的高溫后力學性能;外摻納米 SiO2氣凝膠粉末和納米陶瓷粉的混凝土的高溫后力學性能的研究尚未見文獻報道.
高鋁水泥加熱后的物理和化學變化與硅酸鹽水泥不同,其體積穩定性較好,加熱脫水所引起的破壞應力較少,同時加熱后生成的活性較強的氧化鋁與耐火骨料反應,生成大量高熔點礦物,因此高鋁水泥是一種耐火性能較好的膠結劑[11].目前,國內外關于外摻合料對高鋁水泥混凝土的研究主要集中在后期強度的探究,如 Mostafa 等[12]的研究表明摻入硅灰和粉煤灰能改善高鋁水泥后期強度,而外摻活性粉末對高鋁水泥混凝土高溫后力學性能的影響尚不明確.
針對上述既往研究的不明確領域,本文測試了摻納米活性粉末和以高鋁水泥為膠凝材料的精細混凝土在不同目標溫度作用后的殘余強度.其中,精細混凝土的原始配比來源于文獻[13],該種自密實混凝土是為了應用于纖維編織網增強混凝土\\(Textile Reinforced Concrete\\)而專門配制,本文的工作亦是為了改善用于纖維編織網增強混凝土結構的基體材料的耐高溫性能所做的探索.
1 試驗概況
1.1 試驗原材料配比及試塊制作
試驗采用 8 種類型的精細混凝土試塊,試驗原材料包括硅酸鹽水泥\\(PⅡ52.5R\\)、鋁酸鹽水泥\\(CA-50\\),偏高嶺土,粉煤灰、硅灰、減水劑\\(Sika 三代\\)、砂,納米粉末等.配合比見表 1,其中普通硅酸鹽混凝土的配比參考文獻[13].外摻活性材料的形態如圖 1,其中納米 SiO2氣凝膠是一種新型輕質納米多孔材料,具有優異的保溫隔熱性能,由同濟大學波耳固體物理研究所提供.
精細混凝土的最大骨料粒徑為 1.2mm,因此在測量其力學性能時按照《水泥膠砂強度檢驗方法》[14]的要求,試塊尺寸為 40mm×40mm×160mm,每種配比成型 5 組,分別對應常溫、200℃、400℃、600℃、800℃共 5 種目標溫度,每組 3 個試塊,共計 120 個試塊,抗折強度取 3 個試塊的平均值;測試抗壓強度時按規范將棱柱體試塊折斷,抗壓強度取 6 個試塊的平均值.試件制作完成后標準養護\\(溫度 20℃±3℃。
1.2 試驗設備及試驗制度
試驗采用的高溫力學性能測試方法為無外荷載溫升殘余性能試驗\\(unstressed residual test,URT\\).與無外荷載溫升\\(UT\\)或恒載溫升\\(ST\\)試驗相比,URT 測試結果受到升、降溫的雙重影響,測試值一般比 UT 和ST 的結果更偏于不利,所得試驗結果更偏于保守.加熱前 24h 將試塊取出,置于常溫通風條件下自然風干后,在馬弗爐中加熱至目標溫度并恒溫 60min,升溫速率為 10℃/s.到達升溫規定時間后,立即取出試件靜置,待試件自然冷卻至室溫后再進行力學性能試驗.抗折強度試驗采用水泥自動抗折試驗機,加載方式為等力控制.抗壓強度試驗采用 NYL-60 型材料試驗機,加載速率為 2.5kN/s.
2 試驗結果及分析
2.1 高溫后試塊表面特征
所有試件經高溫處理后均未發生爆裂現象.隨著目標溫度的升高,試件表面的裂紋逐漸增多,試件內部的水泥漿體、礦物摻合料以及骨料等將發生物理和化學反應.表 2 為目標溫度 TR=800℃高溫后各類試件的表觀顏色和表面損傷狀況.由表 2 可知,高溫后除試件 N15 和 N30 外,其余試件完整性保持較好.
2.2 外摻納米材料的試塊高溫后的力學性能
圖 2\\(a\\)和圖 2\\(b\\)分別為高溫后以硅酸鹽水泥為膠凝材料的 4 組試件的抗壓和抗折強度.隨著目標溫度的升高,各類試件的力學性能逐步劣化.對于普通精細混凝土試件,抗壓與抗折強度隨目標溫度的升高逐步下降,特別是在目標溫度在 400℃與 600℃之間,其強度值大幅度下降,這主要是由于當溫度高于 350℃時,氫氧化鈣開始分解脫水,到達 400℃后,脫水速度加快,500℃時達到最快,600℃時脫水和分解反應基本結束.另外石英砂在 500℃時會發生相變,產生體積膨脹,使基體強度值下降速率加快[15].
當納米 SiO2氣凝膠體積摻量為 1.5%和 3.0%時,兩組試件高溫后力學性能下降規律基本類似.由圖 2\\(a\\)可知,較普通精細混凝土試件而言,摻入納米硅凝膠粉末基體常溫及高溫后的抗壓強度有不利影響,且隨著體積摻量由 1.5%上升至 3.0%,基體力學性能的強度略微下降,但當 TR=800℃時,三種試件的力學性能差別不大.其原因主要有以下幾方面:\\(1\\)納米 SiO2氣凝膠的摻入引起基體混凝土孔隙率變大,且試驗所用的納米 SiO2氣凝膠粉末是由固體碾碎而成,顆粒大小不均勻,摻入基體混凝土中易引入缺陷;\\(2\\)由于納米 SiO2氣凝膠粉末具有疏水性[16],粉末在基體混凝土中不能很好地分散,易造成納米硅凝膠和水泥砂漿的分層現象,對其強度產生不利影響;\\(3\\)當 TR=800℃時,無論是 P 還是 N15、N30 試件,內部砂漿熱劣化均十分嚴重,故宏觀力學性能較為一致.
較普通精細混凝土而言,外摻 5.0%的納米陶瓷粉時,試件常溫下的抗壓強度略有下降,抗折強度有所提高.當 TR≥600℃時,其抗壓和抗折強度略有提高,特別是在 TR=800℃時其抗壓和抗折強度相對于普通精細混凝土提高了 84.2%和 120.9%,最終強度較高.同時從表 2 中可知,T50 試件經 800℃高溫處理后完整性保持較好,試件表觀裂紋較少,表明外摻納米陶瓷粉能較好地改善基體混凝土高溫后的力學性能.這可能是由于納米陶瓷粉在高溫下燒結,填補了高溫后砂漿內部的各種裂紋和孔隙,冷卻后又較有效地結合了開裂損傷后的砂漿,使試件的強度有所提高[17].
圖 2\\(c\\)和圖 2\\(d\\)為不同目標溫度高溫處理后以硅酸鹽水泥作為膠凝材料的 4 組試件的相對強度.由圖中可知,當 TR≥600℃時,4 組試件中 P 組試件的相對抗壓和抗折強度最低,T50 組試件的相對抗壓和抗折強度較高,特別是 TR從 600℃升高至 800℃,T50 組試件的相對抗壓和抗折強度變化很小,分別只下降了4.9%和 0.85%.圖 2\\(c\\)中還給出了美國混凝土協會推薦規范 ACI 216R[18]中硅質骨料混凝土相對殘余抗壓強度隨目標溫度變化曲線,可見與 4 組試件的試驗值相比,ACI 216R 的推薦曲線偏于保守,尤其是 TR=800℃時,ACI 216R 認為試件已無承載力,而試件尚有 30%-50%的相對強度,具有足夠的安全儲備.
2.3 高鋁水泥混凝土試塊的高溫后力學性能
圖 3\\(a\\)和圖 3\\(b\\)分別為高溫后以高鋁水泥作為膠凝材料的 5 組試件的抗壓和抗折強度.雖然 TR≤600℃時高鋁水泥混凝土試件的強度與普通精細混凝土相比無明顯優勢,但當 TR=800℃時,采用高鋁水泥作為主要膠凝材料的各組試件力學性能均比 P 組試件有較大程度的提高,其中抗壓強度提高了 25.4%-78.9%,抗折強度提高了 66.3%-137.2%.原因如下:\\(1\\)高鋁水泥的水化產物與硅酸鹽水泥不同,不生成氫氧化鈣,因此在 400~600℃氫氧化鈣分解溫度段里,高鋁水泥的體積穩定性較好,加熱脫水所引起的破壞應力也較小;\\(2\\)在水膠比相近的情況下,因高鋁水泥完全水化所需的水分比硅酸鹽水泥多,所以溫度升高后可蒸發水量相對硅酸鹽水泥混凝土少,因自由水揮發產生的空隙也較少.
圖 3\\(c\\)和圖 3\\(d\\)為不同高溫處理條件下以高鋁水泥為主要膠凝材料的 4 組試件的相對力學性能.由圖中可知,當 TR≥600℃時,P 組試件的相對力學明顯低于其余 4 組試件,表明以高鋁水泥為主要膠凝材料的試件具有更好的耐高溫性能.與 CA 組試件相比,各組摻入活性粉末的高鋁水泥混凝土試件在 TR≤600℃時相對強度變化并無明顯規律,但 TR=800℃時,相對抗壓和抗折強度均比 CA 組試件有所提高,可能的原因如下:硅灰、粉煤灰和偏高嶺土都具有火山灰活性,能與高鋁水泥的亞穩相水化產物 CAH10和 C2AH8反應生成新的水化產物 C2ASH8,從而在一定程度上抑制穩相 C3AH6的生成,而 C2ASH8高溫后脫水反應的產物強度高于 C3AH6高溫脫水后的產物,因此有利于改善材料高溫后的強度[12,19].圖 3\\(c\\)中同樣給出了 ACI216R[18]中硅質骨料混凝土相對殘余抗壓強度隨目標溫度變化曲線,可以發現 TR≤400℃時試件相對可以強度比規范推薦曲線偏低,而 TR≥600℃時 ACI 216R 的推薦曲線偏于保守,說明該推薦曲線的規律并不能很好地體現精細高鋁水泥混凝土高溫后抗壓強度隨目標溫度的變化特征.
3 結論
本文采用無外荷載溫升殘余性能試驗\\(URT\\)方法,分別對外摻納米材料和以高鋁水泥為主要膠凝材料的混凝土試塊進行了不同目標溫度的高溫處理,并對高溫處理后的試件進行抗壓和抗折試驗,得到以下結論:
\\(1\\) 隨著目標溫度的升高,普通精細混凝土試件的抗壓與抗折強度逐步下降,特別是在目標溫度在400℃到 600℃之間,其強度下降速率最快,符合硅酸鹽混凝土材料高溫后力學性能的變化趨勢.
\\(2\\) 當納米硅凝膠體積摻量為 1.5%和 3.0%時,兩組試件高溫后強度變化規律基本相似.摻入納米硅凝膠粉末不利于基體常溫及高溫后的力學性能,且隨著體積摻量由 1.5%上升至 3.0%,基體強度略微下降,但當 TR=800℃時,兩種試件與普通精細混凝土試件強度差別不大.
\\(3\\) 外摻納米陶瓷粉的試件在 TR≥600℃時,其抗壓和抗折強度比普通精細混凝土略有提高,特別是在TR=800℃時其抗壓和抗折強度相對普通精細混凝土提高了 84.2%和 120.9%,外摻納米陶瓷粉能有效改善試件高溫后的力學性能.
\\(4\\) TR=800℃時,采用高鋁水泥作為主要膠凝材料的試件力學性能均比普通精細混凝土試件大幅提高.與普通高鋁水泥混凝土試件相比,各組摻入活性粉末的高鋁水泥混凝土試件在 TR≤600℃時相對強度變化并無明顯規律,但 TR=800℃時,相對抗壓和抗折強度均比普通高鋁水泥混凝土試件有所提高.
\\(5\\) 與以硅酸鹽水泥為主要膠凝材料的試件的相對抗壓強度試驗結果相比,目標溫度越高,ACI 216R推薦的混凝土相對殘余抗壓強度隨目標溫度變化曲線越偏于保守;但該推薦曲線并不完全適用于以高鋁水泥為主要膠凝材料的精細混凝土.
綜上所述,為獲得較高的高溫后承載力,應著重考慮采用以高鋁水泥作為纖維編織網增強混凝土基體的主要膠凝材料.
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