材料科學(xué)綜合

超高性能混凝土的火災(zāi)高溫性能研究綜述

朋改非，牛旭婧，成鎧，等

摘要：超高性能混凝土（ultra-high-performance concrete，UHPC），以其突出的優(yōu)點(diǎn)如超高強(qiáng)度與超高耐久性等，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是混凝土科技發(fā)展的主要方向之一，也是國際混凝土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與前沿。近年來火災(zāi)一直是建筑結(jié)構(gòu)面臨的嚴(yán)重災(zāi)害威脅之一，對(duì)于采用UHPC建成的建筑結(jié)構(gòu)亦不例外。因此，UHPC的火災(zāi)高溫性能吸引了越來越多的研究關(guān)注，主要體現(xiàn)在兩方面，即高溫爆裂和高溫引發(fā)的殘余力學(xué)強(qiáng)度變化。針對(duì)UHPC的高溫爆裂問題，本文作者于2013年研究了鋼纖維UHPC與混雜纖維（鋼纖維、PP纖維）UHPC，強(qiáng)度介于80～105 MPa，試件內(nèi)部濕含量分別為0、25%、50%、63%、75%、88%、100%。結(jié)果表明水膠比為0.16～0.20的UHPC在高溫下極易發(fā)生爆裂，其中不含纖維的素 UHPC在各個(gè)濕含量條件下均發(fā)生了嚴(yán)重的高溫爆裂，體積摻量0.1%的PP纖維有一定的抑制爆裂作用。同時(shí)，內(nèi)部濕含量越高，則爆裂越嚴(yán)重。這表明濕含量與纖維是影響高溫爆裂的兩大因素，摻加 PP纖維是一種有效抑制UHPC高溫爆裂的途徑。進(jìn)一步的研究揭示了鋼纖維對(duì)UHPC高溫爆裂的作用。2016年本文作者研究證實(shí)，鋼纖維可以顯著減輕混凝土的高溫爆裂，但并不能避免爆裂的發(fā)生。摻入端鉤型普通工業(yè)鋼纖維（長(zhǎng)度為35 mm，直徑為0.55 mm）的UHPC呈現(xiàn)出了最優(yōu)的抗高溫爆裂性能，其次是摻入再生鋼纖維的UHPC。而且，鋼纖維的幾何形狀特征顯著影響了鋼纖維增韌超高性能混凝土的高溫爆裂。相同摻量情況下，單位體積內(nèi)分布密度較大的鋼纖維（即鋼纖維直徑更小、長(zhǎng)度更短，單位體積內(nèi)鋼纖維分布根數(shù)更多），或者分布密度較小但可以顯著增加混凝土斷裂韌性（斷裂能）的鋼纖維，抑制高溫爆裂的效果更好，但還不能杜絕高溫爆裂的發(fā)生。2017年本文作者還研究了含粗骨料對(duì)UHPC高溫爆裂行為的影響。發(fā)現(xiàn)含粗骨料的UHPC抗高溫爆裂性能優(yōu)于活性粉末混凝土，即粗骨料有助于減輕UHPC的高溫爆裂。通過試件斷面觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有粗骨料存在時(shí)，常溫下UHPC試件在劈裂測(cè)試過程中主要發(fā)生了貫穿粗骨料的開裂。然而，UHPC試件在高溫爆裂破壞過程中，大量粗骨料從砂漿基體剝離并保持完整，混凝土沿著界面區(qū)破壞，這與其劈裂破壞形式顯著不同，這說明高溫下存在于UHPC試件內(nèi)部的應(yīng)力是不均勻的。通常，引起混凝土發(fā)生爆裂的內(nèi)部應(yīng)力較大，主要由蒸汽壓力和熱應(yīng)力組成。蒸汽壓力僅局部存在于混凝土內(nèi)部的砂漿中及界面區(qū)，而熱傳導(dǎo)引起的熱應(yīng)力卻相對(duì)均勻地分布于混凝土內(nèi)各組分中。此外，未發(fā)生任何高溫爆裂的濕含量為0%的UHPC試件內(nèi)部的蒸汽壓力極為微小，但仍然存在相對(duì)均勻的熱應(yīng)力。該研究結(jié)果還顯示，隨著濕含量的增大，高溫爆裂越嚴(yán)重。因此，蒸汽壓力是引發(fā)UHPC高溫爆裂的主導(dǎo)因素。更為重要的是，2016年本文作者研究提出了一種新穎養(yǎng)護(hù)方法，即“組合養(yǎng)護(hù)”，可顯著改善UHPC的抗高溫爆裂性，同時(shí)還可顯著提高常溫力學(xué)性能。這種組合養(yǎng)護(hù)，由常溫保濕養(yǎng)護(hù)、90℃熱水養(yǎng)護(hù)和200～250℃的干熱養(yǎng)護(hù)構(gòu)成，所制得的UHPC具有優(yōu)異的抗高溫爆裂性，同時(shí)可使抗壓強(qiáng)度從對(duì)比組試件的150 MPa提高到200 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫泡水養(yǎng)護(hù)的試件，高溫爆裂嚴(yán)重，爆裂成為一堆細(xì)小的碎塊；干熱養(yǎng)護(hù)的試件，爆裂程度有所減輕，但仍有發(fā)生；組合養(yǎng)護(hù)的試件，在高溫下完全不發(fā)生爆裂。這種新方法于2017年11月獲中國發(fā)明專利授權(quán)。本文的微觀結(jié)構(gòu)研究揭示了組合養(yǎng)護(hù)改善UHPC火災(zāi)高溫性能的機(jī)理是組合養(yǎng)護(hù)促進(jìn)UHPC內(nèi)部的一系列化學(xué)變化，如殘余未水化水泥顆粒繼續(xù)水化、礦物摻合料發(fā)生火山灰反應(yīng)、部分前期水化形成的CSH凝膠轉(zhuǎn)化為水化硅酸鈣晶體。這些化學(xué)變化使微觀結(jié)構(gòu)得到了強(qiáng)化，更為重要的是水化與火山灰反應(yīng)消耗了可觀數(shù)量的內(nèi)部游離水，致使UHPC內(nèi)部游離水?dāng)?shù)量大為降低。這樣，當(dāng)遭受火災(zāi)高溫作用時(shí)，UHPC內(nèi)部不再出現(xiàn)較高的蒸汽壓，高溫爆裂也就不再發(fā)生。關(guān)于高溫對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，2017年本文作者試驗(yàn)研究表明，UHPC在高溫作用后的殘余抗壓強(qiáng)度均隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增長(zhǎng)再下降的趨勢(shì)，即在常溫～400℃或300℃范圍內(nèi)殘余抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)，在高于400℃或300℃的范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸下降。關(guān)于上述強(qiáng)度變化的原因，本文作者對(duì)遭受高溫后磨細(xì)的硬化水泥漿（水膠比為0.38）的微觀分析結(jié)果顯示，未水化的硅酸鈣含量隨著目標(biāo)溫度的升高呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，先減小是因?yàn)槔^續(xù)水化的消耗，再增大是因?yàn)樗杷徕}的分解。這說明遭受高溫后的硬化水泥漿的內(nèi)部依然存在一定數(shù)量的水分與未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化。而UHPC（水膠比為 0.18）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性顯著高于水膠比為0.38的硬化水泥漿，水分極難逸出，其內(nèi)部存在可繼續(xù)水化的水分。不過，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，超出一定的溫度范圍后，高溫?fù)p傷亦逐漸加大，從而導(dǎo)致混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。此外，含粗骨料的UHPC殘余抗壓強(qiáng)度均高于不含粗骨料的UHPC，表明粗骨料對(duì)超高性能混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度具有一定的提高作用。因此，粗骨料在UHPC中并不一定是薄弱界面的來源。如果混凝土制備得當(dāng)，含粗骨料的UHPC也可以具備良好的高溫力學(xué)性能，并不弱于不含粗骨料的UHPC，即活性粉末混凝土。綜上，本文關(guān)于UHPC火災(zāi)高溫性能研究的重要發(fā)現(xiàn)是提出了一種抑制UHPC高溫爆裂的新方法，即組合養(yǎng)護(hù)，可以有效抑制UHPC在高溫下的爆裂發(fā)生，這是一條明顯不同于國內(nèi)外很多研究通常采用摻加聚合物纖維的新途徑。組合養(yǎng)護(hù)還可顯著提高UHPC的力學(xué)性能。本研究從微觀結(jié)構(gòu)研究中給出了令人信服的證據(jù)，揭示了組合養(yǎng)護(hù)對(duì)UHPC性能的作用機(jī)理。

來源出版物：材料導(dǎo)報(bào), 2017, 31(23)： 17-23

入選年份：2017