高温对高强高性能混凝土抗压强度影响机理研究

周南南

（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

高强高性能混凝土是通过采用低水胶比、优质原材料、掺入适量的掺合料并搭配高效外加剂配制成的一种混凝土，具有结构致密、高工作性、高耐久性和高体积稳定性等特点，因此常被用于高层建筑和大跨度混凝土结构中。致密的微观结构决定了高强高性能混凝土具有良好的物理力学性能，然而在高温条件下却变成一种缺点引起高温爆裂的负面效应[1]。近年来，随着行业对建筑火灾重视程度的提高，高温条件下混凝土的力学性能劣化问题得到极大的关注[2-5]，但鉴于高温条件下混凝土性能劣化的复杂性，目前对其机理的研究尚不够明确。

本文研究了不同高温条件对高强高性能混凝土抗压强度的影响规律，并对经历高温后水泥浆体和骨料的物相变化和热稳定性等微观性能进行测试。基于试验结果，针对性分析了高温条件对高强高性能混凝土抗压强度影响的机理，为高强高性能混凝土的进一步推广应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5；矿粉：上海宝田新型建材有限公司，S95级；粉煤灰：娄城F 类Ⅱ级；硅灰：埃肯国际贸易（上海）有限公司生产；细骨料：河砂，细度模数2.3；粗骨料：5～20 mm 连续级配花岗岩碎石和5～16 mm 连续级配玄武岩碎石；减水剂：综合型高性能聚羧酸减水剂（偏缓凝型），减水率26%，含固量19.8%。胶凝材料和碎石的主要技术性能分别见表1～表5。

表1 水泥的主要技术性能

表2 矿粉的主要技术性能

表3 粉煤灰的主要技术性能

表4 硅灰的主要技术性能

表5 碎石的主要技术性能

1.2 试验方法

以常规C80 混凝土配合比为基准，分别采用花岗岩和玄武岩2种碎石成型混凝土试块，具体配合比见表6。标准养护至28 d，将试块取出并在105 ℃下烘干24 h，把烘干的试块放入高温炉以5 ℃/min 的升温速率加热至相应温度并持续一定时间，待试块自然冷却至室温后，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度测试。试验结束后，剔除混凝土中的粗骨料，将骨料和剩余的水泥浆体分别粉磨成粉末进行后续微观测试。

表6 C80 基准混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 不同高温条件对高强高性能混凝土抗压强度的影响

高强高性能混凝土分别在105 ℃下持续24 h、300 ℃高温下持续40 h、500 ℃高温下持续40 h 和800 ℃高温下持续15 min 后的抗压强度见表7。

表7 不同高温条件下高强高性能混凝土的抗压强度

由表7 可知，无论是花岗岩碎石还是玄武岩碎石混凝土，在300 ℃高温下持续40 h 后，其抗压强度与105 ℃烘干强度相比均明显提高，提高了31.6%～42.2%。表明该温度下水化产物并未发生严重的破坏，反而可能在高温条件下促进了水泥水化以及掺合料的火山灰反应，使结构更加密实，抗压强度得到提高。在500 ℃高温下持续40 h 后，混凝土强度与105 ℃烘干强度相比基本没有损失，反而使用花岗岩碎石的组别还有较明显的提高。在800 ℃高温下持续15 min 后，混凝土的抗压强度与105 ℃烘干强度相比明显降低，下降幅度达30.5%～35.9%，可能是因为该高温条件下浆体中水化产物大量分解造成的[6-8]。

2.2 高温条件对高强高性能混凝土抗压强度影响的机理研究

2.2.1 高温条件下水泥浆体劣化机理

不同高温条件下水泥浆体的XRD 图谱见图1。

图1 不同高温条件下水泥浆体的XRD 图谱

从图1 可以看出，105 ℃高温时，水泥浆体的主要物相除了未水化水泥颗粒中所含的C3S、C4AF 外，大部分为水化产物Ca（OH）2；300 ℃高温时，水泥浆体的特征峰峰位及峰强未出现显著的变化；500 ℃高温时，水泥浆体Ca（OH）2的特征峰峰强减弱且2θ 为33.2°处出现C3A 特征峰；800 ℃高温时，C3A和C3S 的特征峰强度与500 ℃时相比进一步提高。结果表明，300 ℃高温时水泥浆体水化产物的失水或分解并不严重；500℃高温时，Ca（OH）2开始分解且水化铝酸钙等水化产物开始陆续失水分解；当温度升高到800 ℃时，水泥浆体水化产物的分解加剧[9-10]。

不同高温条件下水泥浆体的热分析曲线见图2。

图2 不同高温条件下水泥浆体的热分析曲线

从图2 可以看出，水泥浆体在300 ℃时并未出现显著的吸热峰，450 ℃左右时出现了尖锐的Ca（OH）2分解吸热峰，800℃时水泥浆体出现较为微弱的吸热峰，可能是由于水泥将体中掺合料的掺入有效降低了Ca（OH）2的含量，相应减少了高温下Ca（OH）2分解[11-12]。热分析结果与XRD 分析结果基本一致。

2.2.2 高温条件下骨料劣化机理

不同高温条件下骨料的XRD 图谱见图3，热分析曲线见图4。

从图3 和图4 可知，当温度从105 ℃升高到800 ℃时，花岗岩碎石、玄武岩碎石和河砂中主要矿物的峰形和峰强均未发生显著变化，且它们的质量损失极小，可能是矿相中结晶水的损失和少量碳酸盐的分解。花岗岩碎石、玄武岩碎石和河砂的DSC 曲线在573 ℃时有1 个吸热峰，该吸热峰为SiO2的晶型转变，由β-SiO2转变为α-SiO2[13-14]，XRD 分析也证明上述骨料中有石英的存在。结果表明，几种骨料均未在800 ℃以下高温时发生明显的化学反应，具有较强的高温化学稳定性。

图3 不同高温条件下骨料的XRD 图谱

图4 不同高温条件下骨料的热分析曲线

2.2.3 高温条件对高强高性能混凝土抗压强度影响的机理分析

根据上述试验结果可知，高温条件下混凝土抗压强度的劣化主要取决于水泥浆体性能的劣化。与105 ℃烘干强度相比，300 ℃高温条件下高强高性能混凝土的抗压强度出现一定程度的提高。可能是由于混凝土水泥浆体毛细孔中残存的自由水和水化产物C-S-H 凝胶层间吸附水蒸发转化为水蒸气，在结构致密、毛细孔曲折度较大的高强高性能混凝土内部形成了蒸气压[15-17]，但蒸气压小于高强高性能混凝土的抗拉强度，使得水蒸气不能充分逃逸，从而使整个混凝土试件内部处于蒸养状态，促进了水泥颗粒的水化及掺合料的火山灰反应。与300℃高温条件下抗压强度相比，500 ℃高温条件下高强高性能混凝土抗压强度出现下降趋势。可能是因为混凝土水泥浆体中的水化产物Ca（OH）2分解，C-S-H 凝胶开始分解失去化学结合水，水泥浆体中大块的水化产物凝胶减少造成的。分解产生的自由水继续转变为水蒸气，内部蒸气压升高，水化产物分解过程中伴随的水泥浆体积收缩和骨料在高温条件下的受热膨胀一定程度上加速了裂缝的扩展，使混凝土表面出现了肉眼可见的宏观微裂缝。与105 ℃烘干强度相比，800 ℃高温条件下高强高性能混凝土力学性能明显劣化。可能是由于混凝土水泥浆体中的水化产物C-S-H 凝胶剧烈分解，几乎完全失去结合水，大量转变为无胶结能力的C2S，骨料中部分组分出现晶型转变导致体积膨胀（如β-SiO2转变为α-SiO2，体积膨胀0.82%）也加剧了混凝土的劣化，宏观表现为高强高性能混凝土中的水泥浆酥松多孔，裂纹纵横交错。

3 结论

（1）高温条件下高强高性能混凝土抗压强度的劣化主要取决于水泥浆体性能的劣化。

（2）300 ℃高温条件下，高强高性能混凝土内部主要发生脱水反应，形成高温蒸养环境，使得混凝土致密性提高，抗压强度较105 ℃烘干强度明显提高。

（3）500 ℃高温条件下，水泥浆体中的水化产物Ca（OH）2分解，C-S-H 凝胶也开始分解失去化学结合水，导致混凝土表面出现微裂缝，抗压强度与300 ℃高温条件下相比出现下降趋势。

（4）800 ℃高温条件下，混凝土中的水化产物C-S-H 凝胶剧烈分解，骨料中部分组分出现晶型转变导致体积膨胀，导致混凝土表面微裂缝进一步扩展，抗压强度较105 ℃烘干强度明显降低。