高溫后粉煤灰細骨料混凝土力學性能試驗研究

王子杰， 石旅銘， 馬 也， 包 超

(寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

粉煤灰作為一種工業(yè)固廢，因其自身所具有的“三大效應”而被大量應用于混凝土之中.其在混凝土中通常是通過替代部分膠凝材料或在混凝土中外摻粉煤灰等做法來提高混凝土的工作性能和力學性能[1—2].但不同等級的粉煤灰的物化性質存在較大差異，尤其是低等級的粉煤灰?guī)缀鯚o法使用在混凝土之中.同時，天然河砂過量開采的問題也越來越嚴峻[3—4].針對這些情況，有相關學者提出了用粉煤灰作為細骨料來代替部分河砂的方法[5—9].這不僅可以提高高等級粉煤灰在混凝土中的使用率，而且可以使低等級粉煤灰在混凝土中的應用成為可能.此外，混凝土除了必須滿足常溫下的工作性能，還需要考慮高溫作用下的性能變化.為了減小高溫下混凝土材料的劣化所造成的影響，國內外學者對混凝土的高溫破壞機理以及抗火性改善進行了大量的系統(tǒng)性研究.錢在茲等[10]用掃描電鏡觀測了混凝土高溫作用后的微觀亞微觀的表面形貌變化，闡述了混凝土高溫作用后的破壞機理.Amrutha等[11]通過對摻入粉煤灰的自密實混凝土高溫后的強度試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土由于粉煤灰的摻入減弱了高溫下混凝土強度的降低.

由于目前針對粉煤灰細骨料混凝土性能的研究較少，對其高溫后性能的研究更少.因此，本文采用了Ⅲ級粉煤灰替代細骨料制備粉煤灰細骨料混凝土，并與普通混凝土以及粉煤灰混凝土進行對比，探討了不同溫度、不同粉煤灰替代率與混凝土殘余力學性能的關系，分析了粉煤灰細骨料混凝土超聲波速隨加熱溫度、粉煤灰替代率的變化規(guī)律，為高溫后混凝土材料強度評估及修復提供一定的試驗數(shù)據(jù).

1 試驗

1.1 原材料與配合比

1.1.1原材料 水泥，寧夏賽馬牌P·O42.5級水泥；細骨料，寧夏銀川市河砂，級配良好，細度模數(shù)為2.75，密度為2 660 kg/m3；粗骨料，5～20 mm連續(xù)級配碎石；粉煤灰，銀川市某電廠產(chǎn)Ⅲ級粉煤灰，其出廠檢驗的各項技術指標均合格；外加劑，寧夏宏聯(lián)外加劑有限公司生產(chǎn)的HL-B1聚羧酸高效減水劑，減水效果為25%～30%；實驗以C35強度等級混凝土為基準，水灰比統(tǒng)一為0.42，具體配合比見表 1.

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗方案

1.2.1力學性能試驗 混凝土抗壓、劈裂抗拉強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行，分別對高溫后試件進行加荷速率為0.5 MPa/s的抗壓強度試驗及加荷速率為0.05 MPa/s的劈拉強度試驗.測試儀器為電液伺服萬能材料試驗機和微機控制電子萬能試驗機，為了增加數(shù)據(jù)的可靠性，每組取3個邊長為100 mm試件進行高溫后強度測試，取其均值作為代表值.

1.2.2高溫試驗 試件成型1 d后拆模，并置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d.為防止試件在高溫試驗時發(fā)生爆裂，提前在烘箱里進行105 ℃烘干24 h.高溫試驗溫度選取20，150，300，450,600 ℃,采用箱式電阻爐(型號為SX2-15-12,爐膛尺寸為600 mm×400 mm×300 mm，允許最高溫度為1 200 ℃)進行高溫加熱，溫度控制精度為±1 ℃.升溫時，將試件放至電阻爐內，初始溫度為室溫，以5 ℃/min的速率將試件升至設定溫度，并恒溫受熱1 h，到達恒溫時間后取出試件，自然冷卻至室溫.觀察試樣的表觀特征，并進行拍照記錄；稱量高溫前、后試樣的質量，計算其質量損失率.

1.2.3無損檢測試驗 取立方體試件完整的兩個側對面，用記號筆畫出該面的對角線，將兩條對角線的四等分點定為測試點，在測試點處均勻涂抹一層醫(yī)用凡士林.采用對測法，使用HC-U81型超聲波檢測儀進行超聲波測試.每個測點重復測試3次，取平均值作為該點的測試結果，最終取兩條對角線5個測點的平均波速為最終結果.

2 試驗結果與分析

2.1 高溫作用后試件表觀特征變化

高溫試驗結束后通過觀察發(fā)現(xiàn)，各組混凝土試件在20 ℃加熱至600 ℃的過程中，表觀狀態(tài)均逐步發(fā)生變化，其中600 ℃下OPC，CFA-GV30，F(xiàn)AC-GV30的表觀特征見圖1.

圖1 600 ℃作用后混凝土表觀特征變化

觀察不同溫度下各組混凝土表觀特征變化，溫度在150 ℃之前時，混凝土試件表面顏色未發(fā)生明顯變化，且均未出現(xiàn)裂紋，外形保持完整；300 ℃溫度作用后，各組混凝土試件表面出現(xiàn)不同程度的“發(fā)白”，其中，OPC表面發(fā)白最為明顯，F(xiàn)AC與CFA試件表面發(fā)白程度較低，這是由于兩種混凝土均摻入部分粉煤灰造成的.同時，混凝土部分表面附有鐵銹紅色，這是因為混凝土表面水化鐵酸鈣(CaOFe2O3H2O)與Ca(OH)2發(fā)生了化學反應，生成了紅褐色的Fe(OH)3沉淀物[12].但各試件表面尚未出現(xiàn)明顯的裂紋，且外形保持完整.溫度上升至450 ℃后，各組混凝土表面變?yōu)闇\灰色，且由于部分Fe(OH)3分解使鐵銹紅色變淺，同時表面均出現(xiàn)了不同數(shù)量的細小裂紋，其中FAC試件出現(xiàn)的裂紋數(shù)量最多；當溫度達到600 ℃后，3組混凝土試件表面由于Fe(OH)3完全分解，鐵銹紅色消失，且灰白顏色進一步加深，同時裂紋均得到了不同程度的發(fā)展.其中OPC與FAC試件表面布滿了不同寬度的裂紋，與其形成對比的是CFA試件表面裂紋遠少于以上兩組.上述結果初步表明，CFA較其他兩種類型混凝土的抗高溫破壞能力得到明顯提升.

2.2 質量損失率變化

混凝土高溫后質量損失率與作用溫度關系見圖2.

圖2 混凝土高溫后質量損失率與溫度關系

圖2給出了各組混凝土的質量損失率隨著溫度的變化規(guī)律.在150 ℃以下時，各組混凝土的質量損失率均低于1%，因為加熱試驗前各組混凝土均進行了24 h，105 ℃干燥處理，此時混凝土內部剩余自由水含量相對較少；當溫度在150～450 ℃時，混凝土中的毛細水、膠凝水開始不斷蒸發(fā)，到了300 ℃之后，結晶水也開始逐漸失去，導致了質量損失率出現(xiàn)了急劇增大的現(xiàn)象.450～600 ℃混凝土質量仍然出現(xiàn)較大損失，這是由于當溫度達到450 ℃以后，水泥中的水化硅酸鈣、鋁酸鈣、氫氧化鈣等水化物將會持續(xù)失水分解造成的[13].

分析CFA高溫后質量損失率與粉煤灰替代率的變化規(guī)律.不同溫度下，隨著粉煤灰替代率的增加，質量損失率的變化較為復雜.但總體上依然呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.當粉煤灰替代率在30%～40%時，其質量損失最低.這可能是因為CFA中的水泥與粉煤灰總量增加，在溫度上升的過程中，混凝土內部水泥與粉煤灰的水化反應產(chǎn)生的凝膠逐漸增多，使混凝土裂縫沒有得到較大的發(fā)展，水分蒸發(fā)較少.

2.3 高溫后殘余抗壓強度變化

2.3.1高溫后殘余抗壓強度分析 混凝土高溫后殘余抗壓強度與溫度關系見圖3.

圖3 混凝土高溫后殘余抗壓強度與溫度關系

從圖3可以看出，各組混凝土殘余抗壓強度隨著溫度的上升總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.加熱溫度在300 ℃之前時，由于自由水蒸發(fā)形成大量水蒸氣，促進未被水化的水泥顆粒和粉煤灰的水化反應在蒸壓條件下繼續(xù)進行，出現(xiàn)抗壓強度上升的現(xiàn)象.當作用溫度達到300 ℃后，混凝土內部破壞愈加嚴重，混凝土抗壓強度逐漸降低.尤其在450～600 ℃時，水泥石中起骨架作用的水化硅酸鈣、鋁酸鈣、氫氧化鈣晶體受熱分解，引起吸熱反應發(fā)生，孔隙含量急劇增加，混凝土破壞加重，此時強度下降程度較大[14].不同溫度下各替代率CFA的殘余抗壓強度均高于FAC與OPC.其中當替代率為30%～40%時CFA殘余抗壓強度最高.這可能是此時CFA中，粉煤灰的膠凝材料作用和微骨料效應最好,較大限度提高了混凝土性能.隨著粉煤灰替代率進一步提高河砂數(shù)量進一步減少，可能發(fā)生混凝土骨料級配斷層現(xiàn)象，影響混凝土力學自身性能.等質量替代率為30%的FAC在升溫過程中抗壓強度優(yōu)于OPC，這是因為FAC在溫度上升的過程中促進了粉煤灰的水化，使FAC強度得到一定的提升.同時由于溫度區(qū)間有限，在溫度從150 ℃上升到300 ℃的過程中，無法判斷出各組混凝土是否會出現(xiàn)殘余抗壓強度先增大后減小的現(xiàn)象.因此，需要進一步通過試驗驗證.

進一步分析各組混凝土抗壓強度在高溫作用下的衰減變化程度.在各粉煤灰替代率下，CFA抗壓強度殘余率均高于OPC以及FAC.在替代率為40%，600 ℃下，最大殘余抗壓強度比達到55%左右.

2.3.2殘余抗壓強度與溫度、粉煤灰替代率耦合模型建立 對不同溫度作用下，各粉煤灰替代率下，CFA殘余抗壓強度試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，得出混凝土殘余抗壓強度與溫度、粉煤灰替代率的擬合計算公式，擬合相關系數(shù)達到0.977 9.其公式如下：

fcu(T，w)=-100.03+

式中：T為作用溫度(℃)；w為替代率(%).

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪出高溫下CFA殘余抗壓強度與溫度和粉煤灰替代率的耦合關系曲面圖(圖4).

2.4 高溫后殘余劈裂抗拉強度變化

2.4.1高溫后殘余劈裂抗拉強度分析 各組混凝土殘余劈裂抗拉強度與溫度關系見圖5.

圖5分析了各組混凝土殘余劈裂抗拉強度隨溫度上升的變化趨勢.溫度在300 ℃之前，劈裂抗拉強度下降程度較?。坏敎囟冗_到300 ℃后，劈裂抗拉強度的下降幅度增大.在各組混凝土劈裂抗拉強度下降的過程中，CFA殘余劈裂抗拉強度高于FAC與OPC.在替代率40%時，高溫后殘余劈裂抗拉強度數(shù)值最高.進一步對比各類型混凝土劈裂抗拉強度衰減程度，在600 ℃下，普通混凝土殘余劈裂抗拉強度能保持在常溫的56%左右.當替代率為20%時，高溫前后CFA殘余劈裂抗拉強度比最高，卻也只能達到55%左右.說明CFA雖具有較高的殘余劈裂抗拉強度，卻無法改善高溫后劈裂抗拉強度的衰減程度.

圖4 CFA殘余抗壓強度與溫度、粉煤灰替代率耦合曲面關系

圖5 混凝土高溫后殘余劈裂抗拉強度與溫度關系

2.4.2殘余劈裂抗拉強度與溫度、粉煤灰替代率耦合模型建立 對不同溫度下各替代率CFA殘余劈裂抗拉強度試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得混凝土殘余劈裂抗拉強度與溫度、粉煤灰替代率的擬合回歸公式，擬合相關系數(shù)為0.952 0.公式如下：

fts(T,w)=-0.621 7+

式中：T為作用溫度(℃)；w為替代率(%).

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪出高溫下CFA殘余劈裂抗拉強度與溫度和粉煤灰替代率的耦合關系曲面圖(圖6).

2.5 微觀結構檢測

2.5.1X射線衍射分析 0%,20%,40%粉煤灰替代率CFA物相變化與溫度的關系見圖7～圖9.

圖6 CFA殘余劈裂抗拉強度與溫度、粉煤灰替代率耦合曲面關系

圖7 0%粉煤灰替代率CFA樣品在20,300,600 ℃作用下XRD圖譜

圖8 20%粉煤灰替代率CFA樣品在20,300,600 ℃作用下XRD圖譜

圖9 40%粉煤灰替代率CFA樣品在20,300,600 ℃作用下XRD圖譜

由圖7分析粉煤灰替代率為0%的CFA在不同溫度下內部物相變化.其中Ca(OH)2,C-S-H,CaCO3·MgCO3,CaCO3的量隨著溫度的上升而降低.混凝土內部的Ca(OH)2隨著溫度的不斷上升會受熱分解成CaO，使得圖中CaO的衍射峰強度增大.同時，當溫度達到300 ℃后，水泥漿體中C-S-H也會逐漸脫水，混凝土內部由水化反應生成的C-S-H凝膠網(wǎng)狀結構在此時出現(xiàn)孔洞,網(wǎng)狀結構產(chǎn)生輕微破壞.此時混凝土結構依然存在著一定的承載力，但較作用溫度在300 ℃以下的情況，其承載能力會有所下降.隨著溫度進一步上升至600 ℃后，C-S-H含量幾乎為0.同時，部分CaCO3·MgCO3，CaCO3等物質也會受熱分解成CO2，CaO，MgO等物質.CaO的衍射峰強度也因此會增大.

圖8和圖9可知，粉煤灰替代率分別為20%，40%的CFA在隨作用溫度上升的過程中的物相變化與OPC相似，而其主要區(qū)別為各種物質在不同溫度作用下的余量不同.其中Ca(OH)2，C-S-H，CaCO3，CaO等物質衍射峰強度隨溫度變化趨勢一致.在20 ℃時，XRD圖譜2θ為30°附近存在一個寬度較大的彌散峰，說明此時混凝土水化產(chǎn)物主要為C-S-H.在20，300，600 ℃作用下，替代率為20%，40%的CFA的C-S-H，CaCO3衍射峰強度均比OPC大，說明此時CFA混凝土中的C-S-H的數(shù)量較OPC多.這為CFA強度高于OPC提供一定的理論支持.

2.6 無損檢測

2.6.1超聲波檢測結果 對不同溫度下自然冷卻后的各組混凝土進行超聲波測試.各混凝土超聲波速變化曲線見圖10.

圖10 混凝土高溫后波速與作用溫度關系圖

圖10給出了各組混凝土高溫后超聲波速與作用溫度的變化關系.作用溫度在300 ℃以下時，超聲波速降低的幅度較小.隨著溫度上升，超聲波速下降的幅度增大.這與不同溫度作用下混凝土強度變化趨勢相一致.分析可知，雖然粉煤灰替代率發(fā)生改變，但不同溫度下的CFA波速值大小差距不大，并隨著溫度升高，差距進一步縮小，但總體上粉煤灰替代率對高溫下CFA波速仍具有一定的影響.由于超聲波速變化與CFA的受熱溫度、粉煤灰替代率存在一定的相關性,對高溫后CFA進行超聲波檢測,并由混凝土波速的變化規(guī)律，完全可以檢測出混凝土在高溫作用后的損傷情況.通過分析不同替代率的CFA的受熱溫度大小，從而鑒定混凝土結構的損傷程度.

2.6.2擬合回歸方程適用性分析 利用Origin軟件對不同溫度下CFA抗壓強度與聲速值進行4種類型(一次函數(shù)、二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及Guass函數(shù))函數(shù)擬合回歸分析并進行對比.

圖11 CFA超聲波速與抗壓強度擬合函數(shù)相關系數(shù)

由圖11對不同溫度下各替代率CFA抗壓強度與超聲波速的4種擬合函數(shù)的契合程度進行分析可知：各個替代率的CFA高溫后抗壓強度與Guass函數(shù)擬合性較好，相關性最佳，相關系數(shù)均能達到0.95以上.另外3種擬合方程的契合程度均不及Guass函數(shù)，尤其是一次函數(shù)與指數(shù)函數(shù)，相關系數(shù)為0.79和0.81，相關性較低.二次函數(shù)的擬合效果良好，雖不及Guass函數(shù)，但相關系數(shù)也能達到0.91以上.由此可知，Guass函數(shù)能最佳表征出CFA在不同作用下的強度變化規(guī)律，這也進一步驗證了利用超聲波來檢測CFA高溫后的強度是可行的.

3 結論

1)隨著溫度的上升，在各組混凝土質量損失率不斷增大的過程中，各替代率CFA與FAC質量損失率均低于OPC.其中，粉煤灰替代率在30%時，CFA質量損失最低.

2)高溫作用下，在OPC，F(xiàn)AC，CFA抗壓、劈裂抗拉強度退化進程中，CFA殘余抗壓、劈裂抗拉強度總體高于OPC與FAC，替代率為30%～40%時，抗壓、劈裂抗拉強度減損最?。辉诔叵?，F(xiàn)AC相較于OPC的抗壓、劈裂抗拉強度要低，但在溫度上升的過程中，等質量替代的FAC的抗壓強度與劈裂抗拉強度高于OPC.

3)CFA的力學性能劣化和微觀結構變化之間存在聯(lián)系.其力學性能劣化原因是經(jīng)高溫作用后，內部凝膠結構破壞、水化產(chǎn)物等受熱分解，使其表面和內部產(chǎn)生微裂紋和孔隙導致的.

4)不同溫度作用下，各替代率CFA抗壓強度衰減程度均低于OPC；CFA無法通過改變替代率來改善混凝土的劈裂抗拉強度衰減程度，甚至還會促進混凝土的衰減進程.高溫試驗中，超聲波速與粉煤灰替代率的變化關系不明顯，但與溫度呈現(xiàn)出明顯的相關性，隨著溫度的升高，聲速值不斷下降.

5)高溫條件下，在各替代率CFA的4種函數(shù)擬合回歸方程中，Guass函數(shù)回歸方程的適用性最佳，相關系數(shù)能達到0.95以上.