趙東拂， 高海靜， 賈朋賀， 文 豪， 楊健輝

(1.北京建筑大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心,北京 100044;2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044; 3.北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100044;4.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000；5.北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心,北京 100044)

高強(qiáng)混凝土因其出色的力學(xué)性能和耐久性能越來越廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，然而建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)問題也日益突出。建筑物遭受火災(zāi)等高溫后，混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化，造成結(jié)構(gòu)性能受到不同程度的劣化，特別是高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂，具有突然性，其破壞會加劇結(jié)構(gòu)的損傷。文獻(xiàn)[1-4]研究了加熱溫度和混凝土強(qiáng)度等級對高溫后高強(qiáng)混凝土質(zhì)量損失以及抗壓強(qiáng)度損失的影響，指出高強(qiáng)混凝土的外觀特征及抗壓性能均隨受熱溫度的升高而不斷劣化，燒失率和強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)上升趨勢。國內(nèi)外對高溫后高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能劣化研究不僅僅在宏觀層面上，更關(guān)注其細(xì)微觀層面的變化。文獻(xiàn)[5-10]利用掃描電子顯微鏡、汞壓力測孔等手段對高溫后混凝土的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)高溫會使混凝土中形成部分新的孔洞和通道，同時隨著加熱溫度越高，水泥漿體越疏松，水化產(chǎn)物越不密實，骨料與水泥漿之間的黏結(jié)力越弱，裂縫擴(kuò)展程度越大。

綜上所述，各研究主要針對高溫后高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)變化，而未能將混凝土的高溫歷程、細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變化及宏觀力學(xué)性能劣化很好地聯(lián)系起來，且溫度工況不夠完備。因此，本文對經(jīng)歷不同加熱溫度和不同恒溫時間后C60高強(qiáng)混凝土的性能劣化進(jìn)行了試驗研究,然后利用掃描電子顯微鏡、超聲及顯微硬度檢測等綜合手段觀察了高溫后高強(qiáng)混凝土細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的變化，從宏觀與細(xì)微觀角度揭示高溫后高強(qiáng)混凝土性能劣化機(jī)理，為高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能及火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)鑒定加固提供參考。

1 試驗概況

1.1 試塊制備

以C60混凝土為試驗材料(配合比參照央視文化中心主體結(jié)構(gòu)混凝土材料，見表1)，制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。試塊加熱溫度為100～900 ℃，每間隔100 ℃為一小組；每組試塊加溫至指定溫度后分別恒溫0.5 h、1 h、2 h、3 h。

表1 高強(qiáng)混凝土配合比

1.2 試驗方案

試驗分為高溫試驗、靜載試驗和細(xì)微觀試驗，所有試驗均在北京建筑大學(xué)進(jìn)行。

1.2.1 高溫試驗

采用箱式電阻爐進(jìn)行高溫加熱試驗，爐膛尺寸為300 mm×500 mm×200 mm，允許最高溫度1 000 ℃，溫度控制精度±1 ℃，如圖1所示。升溫時，將試塊放至電阻爐內(nèi)，初始溫度為室溫，以10 ℃/min的速率將試塊升至設(shè)定溫度，對于設(shè)定溫度超過600 ℃的試塊，為防止升溫過程中發(fā)生爆裂損壞儀器，在其外面包裹耐高溫鐵絲網(wǎng)，采取室溫冷卻方式。

圖1 儀器與試塊Fig.1 Machine and specimen

1.2.2 靜載試驗

對經(jīng)歷不同加溫歷程后的試塊進(jìn)行靜載試驗，首先使試塊軸心物理對中，進(jìn)行不大于上限荷載20%的預(yù)加、卸載3次，然后以0.3～0.8 MPa/s的速度施加壓力直至破壞，確定試塊的極限承載能力。所有試驗均在減摩下進(jìn)行，在試塊表面用三層黃油夾三層塑料薄膜為減摩墊層[11]。

1.2.3 細(xì)微觀試驗

采用對測法，使用單通道超聲波檢測儀進(jìn)行超聲波測試。用游標(biāo)卡尺測量立方體試塊的測距，發(fā)射頻率為50 kHz。每個測點重復(fù)測試6次，取平均值作為該點的測試結(jié)果。將超聲測試完畢的立方體試塊，平行于加熱時的前后面沿中心線切割成大小相等的兩部分，將試樣穩(wěn)固的放置在剛性支座上，使壓頭與試樣表面接觸，垂直于試驗面施加試驗力，直至施加至規(guī)定值。用錘子仔細(xì)敲碎規(guī)定區(qū)域的樣品，挑選1 cm×1 cm左右的試樣供掃描電鏡拍照、壓汞法測孔隙使用。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗現(xiàn)象及分析

2.1.1 試塊破壞形態(tài)

如圖2所示，試塊冷卻后，加溫至100 ℃和200 ℃的試塊顏色與高溫前基本無差別。當(dāng)加熱溫度為300 ℃恒溫時間為1 h時高強(qiáng)混凝土試塊整體或者部分顏色會呈現(xiàn)鐵銹紅，與常溫試塊的顏色對比非常明顯，直至加熱溫度為400 ℃恒溫時間為1h時試塊色澤鐵銹紅色消失，混凝土表面出現(xiàn)少量細(xì)微裂縫。其原因是在此溫度段混凝土中的水化鐵酸鈣(CaOFe2O3H2O)與Ca(OH)2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了紅褐色的Fe(OH)3沉淀物[10]。經(jīng)500 ℃、600 ℃高溫作用后，F(xiàn)e(OH)3分解為氧化鐵，紅色消失，混凝土試塊外觀變?yōu)闇\灰色，裂縫增加但沒有貫穿整個表面，大部份試塊外觀完整；個別試塊在加熱過程中發(fā)生爆裂，斷面比較粗糙，孔洞和裂紋較多。試塊經(jīng)700～900 ℃高溫作用后，試塊外表呈灰白色，與常溫的顏色對比明顯，試塊表面出現(xiàn)粗大裂縫，有的甚至貫穿整個試塊，裂紋之間互相貫通，整體結(jié)構(gòu)比較疏松。不同溫度歷程下，高強(qiáng)混凝土試塊呈現(xiàn)不同的特點，如表2所示。

圖2 加熱試驗結(jié)果Fig.2 Heating test results

表2 高強(qiáng)混凝土高溫冷卻后外觀特征

高溫后高強(qiáng)混凝土試塊在單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的破壞形態(tài)如圖3所示。由于受高溫作用，高強(qiáng)混凝土在破壞前已有可視細(xì)微裂縫，當(dāng)達(dá)到峰值荷載后發(fā)生脆性破壞，并伴隨劇烈的劈裂聲，試塊出現(xiàn)嚴(yán)重的爆裂破碎現(xiàn)象。這是由于高強(qiáng)混凝土水泥膠凝體的強(qiáng)度已接近粗骨料的強(qiáng)度，使得裂縫的發(fā)展已無法像普通混凝土那樣受到粗骨料的阻擋與緩沖，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力時試塊內(nèi)部積蓄的能量便以迅速和劇烈的方式釋放?？梢悦黠@地看到在單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，高強(qiáng)混凝土試塊被劈裂成多個小柱體，試塊破壞面平行于壓應(yīng)力方向，垂直于自由面，形成一個或多個破壞面，稱之為柱狀破壞。其破壞形態(tài)為柱狀壓潰，具體的形態(tài)與施加的應(yīng)力水平有關(guān)，有些試塊甚至呈現(xiàn)散狀碎塊的破壞形態(tài)。這個結(jié)論與文獻(xiàn)[12-14]的試驗結(jié)果一致。

圖3 高強(qiáng)混凝土受壓破壞形態(tài)Fig.3 Failure of HSC under uniaxial compression loads

2.1.2 高溫爆裂機(jī)理

爆裂現(xiàn)象是混凝土在高溫時內(nèi)部損傷達(dá)到最大、能量釋放的一種表現(xiàn)，其特征是：伴隨著爆裂，混凝土以動態(tài)的方式從其結(jié)構(gòu)表面剝落，并分解成大量的碎塊；尤其在快速升溫的過程中，更易產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，且往往具有突發(fā)性、破壞性。因為高溫爆裂難以預(yù)見，往往導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的完整性喪失，所以應(yīng)該引起廣泛的重視。

目前，盡管對混凝土高溫爆裂機(jī)理研究較多，但由于材料本身的變異性及高溫破壞問題的復(fù)雜性，高強(qiáng)混凝土高溫爆裂機(jī)理尚無定論。普遍認(rèn)同的爆裂機(jī)理有兩種，一是蒸汽壓機(jī)理，二是熱應(yīng)力機(jī)理[15-16]。蒸汽壓機(jī)理認(rèn)為孔隙壓力是導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土高溫爆裂的主要因素，高強(qiáng)混凝土內(nèi)部溫度隨著溫度的增高而相應(yīng)增加，使內(nèi)部的自由水和結(jié)合水開始蒸發(fā)并具有移動的趨勢，而高強(qiáng)混凝土高度致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和互不貫通的毛細(xì)孔阻止了高溫蒸發(fā)后水蒸氣的移動，導(dǎo)致毛細(xì)孔內(nèi)的孔隙壓力增大而發(fā)生爆裂。熱應(yīng)力機(jī)理認(rèn)為由于混凝土的熱惰性，使得火災(zāi)高溫在混凝土內(nèi)部溫度不均勻，產(chǎn)生很大的溫度梯度，溫度梯度在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生兩相或三相的熱應(yīng)力，而且熱應(yīng)力隨著溫度的升高而增長，當(dāng)達(dá)到某一值時爆裂發(fā)生。

與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土更容易發(fā)生爆裂，且受熱溫度越高，混凝土等級越高，爆裂發(fā)生的幾率和劇烈程度越大[5,17]。原因在于高強(qiáng)混凝土受火時，其內(nèi)外溫差較大，內(nèi)部溫度梯度比較大；隨著加熱溫度的升高，高強(qiáng)混凝土表面裂縫寬度、孔隙率逐漸變大，其內(nèi)部水分蒸發(fā)增多、孔隙壓力增大，當(dāng)壓力在其內(nèi)部積聚并超過高強(qiáng)混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時，混凝土產(chǎn)生破壞并發(fā)生爆裂。由此可見，高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂機(jī)理是蒸汽壓原理和熱應(yīng)力原理的共同作用。

2.2 質(zhì)量損失率

高溫后高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量變化如圖4和表3所示?；炷猎诟邷貤l件下，其中的水分會逐漸喪失、碳化物逐漸水化分解，由此造成高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失可以間接表明混凝土經(jīng)不同高溫歷程后的損傷程度。質(zhì)量損失率(燒失量)可以由以下公式確定：

(1)

式中：ml是質(zhì)量損失率(%)；m1是高溫前混凝土試塊的質(zhì)量(kg)；m2是高溫后混凝土試塊質(zhì)量(kg)。

表3 高溫后試塊質(zhì)量損失

從圖4和表3可以看出，高強(qiáng)混凝土的燒失量隨著加熱溫度和恒溫時間的增加而呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)加熱溫度不同恒溫時間相同時，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土的燒失量隨加熱溫度升高緩慢上升，平均燒失量達(dá)到3.5%左右，主要是由于內(nèi)部自由水和凝膠結(jié)合水的蒸發(fā)；400～600 ℃之間，高強(qiáng)混凝土的燒失量隨加熱溫度升高而增加的幅度變大，主要是由于混凝土內(nèi)部結(jié)合水開始分離，水泥中的水化硅酸鈣、鋁酸鈣、氫氧化鈣等水化物分解脫水揮發(fā)；700～900 ℃之間，高強(qiáng)混凝土的燒失量急劇增大，最高達(dá)7%左右，這是由于氫氧化鈣、碳酸鈣的進(jìn)一步分解。

當(dāng)恒溫時間不同加熱溫度相同時，高強(qiáng)混凝土的燒失量會隨著恒溫時間的增長而增加。隨著恒溫時間的不同，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土燒失量的變化趨勢大致相同，增幅不明顯。恒溫0.5 h、1 h和2 h時高強(qiáng)混凝土的燒失量逐漸增大，但變化幅度不大，而恒溫3 h高強(qiáng)混凝土的燒失量變化幅度變大；400 ℃以后，不同恒溫時間下高強(qiáng)混凝土的燒失量會隨著溫度的升高迅速增加，上升幅度較大，900 ℃恒溫3 h時高強(qiáng)混凝土的燒失量急劇增大。相對恒溫時間的不同，加熱溫度的變化對高強(qiáng)混凝土的燒失量影響更大。

2.3 基本力學(xué)性能劣化

2.3.1 抗壓強(qiáng)度損失

通過靜力試驗，測得常溫下標(biāo)準(zhǔn)試塊減摩后的抗壓強(qiáng)度為49.6 MPa[19]，高溫后高強(qiáng)混凝土試塊殘余抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同高溫歷程后高強(qiáng)混凝土基本力學(xué)指標(biāo)試驗值

混凝土經(jīng)歷高溫后，其殘余力學(xué)性能可以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)高溫后的承載能力，而其強(qiáng)度損失采用折減系數(shù)去表征，即α=fcT/fc，δ=ET/E。根據(jù)試驗結(jié)果，不同溫度下抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù)如式(2a)～式(2d)和圖5所示。其中，α0.5、α1、α2、α3分別表示恒溫0.5 h、1 h、2 h和3 h。

α0.5=1.098 1-9×10-4T,20 ℃

(2a)

α1=0.983 3+7×10-4T,20 ℃

圖4 經(jīng)不同加溫溫度與恒溫時間后高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量變化Fig.4 Quality change of HSC after different heating temperature and constant temperature

圖5 殘余抗壓強(qiáng)度比與加熱溫度和恒溫時間關(guān)系Fig.5 Relationship between the residual compressive strength ratio with heating time and temperature

α2=1.078-9×10-4T,20 ℃

(2c)

α3=1.070 3-1×10-3T,20 ℃

由圖5可知，各高溫工況下高強(qiáng)混凝土試塊的殘余抗壓強(qiáng)度隨著試塊加熱溫度和恒溫時間的增加，總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當(dāng)加熱溫度不同恒溫時間相同時，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度隨加熱溫度升高而降低的幅度不大，下降了大約10 MPa，強(qiáng)度損失20%左右，在200 ℃和300 ℃時殘余抗壓強(qiáng)度還會略微提高；400 ℃以后高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度隨加熱溫度升高而降低的幅度增大。這是因為在400 ℃范圍內(nèi)，混凝土內(nèi)的水泥交替失去自由水而收縮，孔結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生強(qiáng)度較高的水化結(jié)合物-水化碳酸鈣，從而加強(qiáng)了膠體同骨料間的咬合力致使強(qiáng)度回升，有時甚至超過混凝土常溫時的強(qiáng)度，但在400 ℃左右達(dá)到峰值；400 ℃以后，混凝土內(nèi)部水化物CH大量分解，水泥收縮與骨料膨脹加速了裂縫擴(kuò)展，混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞，殘余抗壓強(qiáng)度開始逐漸下降，隨著溫度的進(jìn)一步升高，裂縫不斷擴(kuò)展、貫通直至破壞，甚至出現(xiàn)爆裂；900 ℃時已降低至10 MPa左右，強(qiáng)度僅剩余大約20%，主要原因是C-S-H膠凝分解，高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)徹底破壞。

當(dāng)恒溫時間不同加熱溫度相同時，高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度會隨著恒溫時間的增長而減少。隨著恒溫時間的不同，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的變化趨勢大致相同，劣化程度不明顯。在恒溫0.5 h和1 h時，高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度略微上升，此時少量自由水的蒸發(fā)促進(jìn)水泥水化，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的致密；而恒溫2 h、3 h的混凝土試塊的殘余抗壓強(qiáng)度則是先略微下降后略微上升；由于恒溫時間較長，造成混凝土內(nèi)部自由水大量蒸發(fā)，除去進(jìn)行水泥水化，其余部分產(chǎn)生了大量孔隙，造成強(qiáng)度降低，但是當(dāng)溫度在300 ℃左右時，CH凝膠中部分結(jié)晶水開始脫水，自由水蒸發(fā)后產(chǎn)生類似“蒸養(yǎng)”的效果，引起強(qiáng)度的增加。400 ℃以后，不同恒溫時間下高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度會隨著溫度的升高迅速降低，劣化程度較大。值得注意的是，高溫后高強(qiáng)混凝土經(jīng)冷卻，骨料變形逐漸恢復(fù)，而水泥漿體脫水無法恢復(fù)，使得骨料與水泥漿體間的微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，混凝土性能進(jìn)一步降低。高強(qiáng)混凝土高溫后強(qiáng)度變化規(guī)律與外觀狀貌是一致的，可以通過高溫后高強(qiáng)混凝土的顏色、裂縫、爆裂情況，初步判斷高強(qiáng)混凝土火災(zāi)中經(jīng)受的溫度范圍，繼而判斷高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度。相對恒溫時間的不同，加熱溫度的變化對高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的劣化影響更大。

2.3.2 彈性模量

在材料力學(xué)中，當(dāng)材料在線彈性范圍內(nèi)工作時，通常用彈性模量表示壓力與應(yīng)變之間的關(guān)系，即E=σ/ε。由于高溫后高強(qiáng)混凝土彈性模量不易測得，本文以應(yīng)力應(yīng)變曲線σ=0.4fc時的割線模量近似作為彈性模量，其變化規(guī)律如式(3)和圖6所示。

δ0.5=1.051 6-3×10-4T,20 ℃

δ1=1.011 7-3×10-4T,20 ℃

δ2=1.050 6-4×10-4T,20 ℃

(3c)

δ3=1.027 5-4×10-3T，20 ℃

(3d)

圖6 殘余彈性模量比與加熱溫度和恒溫時間關(guān)系Fig.6 Relationship between the residual elastic modulus ratio with heating time and temperature

由圖6可以看出，高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量隨著加熱溫度的升高與恒溫時間的增長，總體呈衰減趨勢，與文獻(xiàn)[20]的結(jié)論相同。主要是因為高溫下高強(qiáng)混凝土內(nèi)部的損失不可恢復(fù)所致。當(dāng)加熱溫度不同恒溫時間相同時，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量隨加熱溫度升高而緩慢下降，下降了大約5%，在200 ℃和300 ℃時殘余彈性模量還會略微提高，與高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的劣化規(guī)律相似；400 ℃以后高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量隨加熱溫度的升高而急劇下降，900 ℃時已下降至70%。當(dāng)恒溫時間不同加熱溫度相同時，高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量會隨著恒溫時間的增長而呈現(xiàn)減小的趨勢。隨著恒溫時間的不同，400 ℃以前高強(qiáng)混凝土殘余彈性模量的變化趨勢大致相同，劣化程度不明顯，在恒溫1h和2h時高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度略微上升；400 ℃以后，不同恒溫時間下高強(qiáng)混凝土的殘余彈性模量會隨著溫度的升高迅速降低，劣化程度較大。相對恒溫時間的不同，加熱溫度的變化對高強(qiáng)混凝土彈性模量的劣化影響更大。

2.4 細(xì)微觀結(jié)構(gòu)性能劣化分析

2.4.1 掃描電鏡試驗結(jié)果及分析

常溫下混凝土試塊掃描電鏡照片如圖7所示，混凝土中水泥水化漿體間結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)完整，水化產(chǎn)物狀態(tài)良好、未分解，各物相間密實、連續(xù)，未見結(jié)晶水的喪失，水泥漿體中大量存在凝膠。

圖7 常溫下的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos at room temperature

圖8 400 ℃恒溫1 h的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of temperature thermostat 1 h at 400 ℃

圖8是經(jīng)歷400 ℃高溫，恒溫1 h的掃描電鏡結(jié)果，顯示混凝土多孔狀態(tài)加劇，自由水和結(jié)合水基本全部蒸發(fā)，鈣礬石AFt晶體全部脫水分解，CH也有少量發(fā)生分解，水化產(chǎn)物已經(jīng)顯著分解，殘余凝膠顯著少于正常條件下凝膠，出現(xiàn)分層，產(chǎn)生裂縫。圖9是經(jīng)歷400 ℃高溫，恒溫3 h的掃描電鏡結(jié)果，可見隨著恒溫時間的增加水泥水化漿體多孔狀態(tài)進(jìn)一步加劇，出現(xiàn)明顯酥松的現(xiàn)象；水化產(chǎn)物凝膠已經(jīng)明顯分解，各物相間更加酥松、不緊密。經(jīng)歷500～700 ℃高溫后，水泥水化漿體酥松、裂紋縱橫交錯；此時水化產(chǎn)物分解完畢，分解的凝膠松散非連續(xù)，各物相間已經(jīng)嚴(yán)重分散；結(jié)晶水嚴(yán)重散失。圖10表明900 ℃高溫后水泥水化漿體松散，水化產(chǎn)物之間連續(xù)性差，凝膠分解的部位已經(jīng)連通成空隙區(qū)域，各物相間已經(jīng)嚴(yán)重分散。

圖9 400 ℃恒溫3 h的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM photos of temperature thermostat 3 h at 400 ℃

圖10 900 ℃后試塊的SEM掃描結(jié)果Fig.10 SEM photos at 900 ℃

2.4.2 超聲波檢測結(jié)果及分析

采用對缺陷敏感的聲時、波幅和頻率三個聲學(xué)參數(shù)對高溫后高強(qiáng)混凝土損傷情況進(jìn)行表征。恒溫時間相同的條件下，與基準(zhǔn)混凝土相比，聲時隨著溫度的升高而增加。經(jīng)歷高溫100～400 ℃的試塊，其波幅和頻率緩慢減小；400～900 ℃，隨著溫度的升高，波幅和頻率迅速下降，如圖11所示。高溫400 ℃條件下，高溫歷時(0.5 h、1 h、2 h、3 h)的增加對混凝土的波幅和頻率影響不大，聲時卻顯著增加。

圖11 聲時、波幅、頻率與加熱溫度和恒溫時間的關(guān)系Fig.11 Relationship between sonic time、amplitude and frequency of sample with heating time and temperature

2.4.3 顯微硬度測試結(jié)果及分析

高強(qiáng)混凝土的顯微硬度隨著溫度的升高及恒溫時間的增長總體呈現(xiàn)下降趨勢。未經(jīng)歷高溫的基準(zhǔn)混凝土，其維氏硬度為52.50 GPa。高溫100～300 ℃條件下恒溫時間相同時，隨著溫度的升高，維氏硬度不斷增加，高溫300 ℃的試塊的維氏硬度達(dá)到最高為98.25 GPa。300～900 ℃隨著溫度升高，維氏硬度降低，原因在于此時水化產(chǎn)物開始分解，結(jié)構(gòu)開始劣化。高溫歷時的變化對顯微硬度的影響更大。400 ℃恒溫0.5 h顯微硬度為138.25 GPa，恒溫3 h顯微硬度降低至45.5 GPa。與經(jīng)歷高溫400 ℃，恒溫1 h相比，高溫600 ℃恒溫1 h的試塊維氏硬度降低了5.15 GPa；但高溫400 ℃，恒溫3 h時維氏硬度降低34.9 GPa，說明恒溫時間的變化對顯微硬度的影響更大。

2.4.4 壓汞測試結(jié)果及分析

如圖12所示，常溫下基準(zhǔn)混凝土的孔徑32.4 nm處有一個汞壓入量的尖銳峰值0.041 42 mL/g，其它的峰值大概都在0.013 mL/g以下，孔隙結(jié)構(gòu)分布于1 nm～1 mm之間，主要分布于100 nm以下，集中分布在30 nm左右，峰值出現(xiàn)在30 nm左右；400 ℃高溫恒溫1h后孔徑77.1 nm處有一個汞壓入量的峰值0.068 13 mL/g，峰的寬度為4.5～1 046.9 nm，其它的峰值均小于0.012 mL/g；400 ℃高溫恒溫3 h后孔徑95.4 nm處有一個汞壓入量的峰值0.068 13 mL/g，峰的寬度為4.0～347.2 nm；在366.967 2 μm處有一個極尖銳的峰值0.120 9 mL/g，峰寬很窄，表明此時有較大的孔隙缺陷存在。經(jīng)歷400 ℃高溫隨著恒溫時間的增加孔隙顯著增加，表明凝膠分解或者結(jié)晶水加速散失，汞壓入量的峰值遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)混凝土，而恒溫3 h的混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布呈現(xiàn)出納米級孔隙減少現(xiàn)象，這是由于長時間高溫作用下，凝膠熔融成為整體[10]；經(jīng)歷900 ℃高溫恒溫0.5 h混凝土中孔徑在370 μm左右的孔隙顯著增多。高溫后的高強(qiáng)混凝土，由于凝膠分解孔隙結(jié)構(gòu)分布呈現(xiàn)出納米級某個孔徑孔隙顯著增多的現(xiàn)象。

(a) 常溫下孔結(jié)構(gòu)分布圖

(b) 400 ℃恒溫1 h孔結(jié)構(gòu)分布圖

(c) 400 ℃恒溫3 h孔結(jié)構(gòu)分布圖

(d) 900 ℃恒溫0.5 h孔結(jié)構(gòu)分布圖圖12 經(jīng)不同加熱溫度與恒溫時間后孔結(jié)構(gòu)分布圖Fig.12 Distribution of pore structure at different heating time and temperature

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)不同高溫歷程后高強(qiáng)混凝土的色澤逐漸變淺，從300 ℃恒溫1 h時開始混凝土試塊呈鐵銹紅色，直到400 ℃恒溫2 h時鐵銹紅色消失，700～900 ℃試塊表面呈灰白色；500 ℃左右時部分高強(qiáng)混凝土試塊會發(fā)生爆裂，較普通混凝土的爆裂溫度低很多，但其爆裂機(jī)理較普通混凝土更加符合蒸汽壓原理和熱壓力原理共同作用的解釋。

(2)相比普通混凝土，高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同高溫歷程后的力學(xué)性能劣化程度較大。隨著加熱溫度與恒溫時間的增長，高強(qiáng)混凝土的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及彈性模量總體呈逐漸減小的趨勢，其變化規(guī)律與普通混凝土基本一致。相對恒溫時間的不同，加熱溫度的變化對高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能劣化的影響更大。

(3)隨著加熱溫度的升高與恒溫時間的增長，高強(qiáng)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)逐漸變差，與其力學(xué)性能的劣化規(guī)律相似。主要表現(xiàn)為，聲時會產(chǎn)生不同程度的增加，而波幅、主頻率、顯微硬度等總體呈下降趨勢，其中恒溫時間的變化對顯微硬度的影響較大；結(jié)晶水不斷散失，漿體連續(xù)性逐漸變差，鈣礬石、針狀凝膠不斷劣化，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布呈孔隙增多的現(xiàn)象。

(4)高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能劣化和細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變化之間存在客觀聯(lián)系。經(jīng)不同高溫歷程后，凝膠分子、水泥水化物等受熱分解，使其表面和內(nèi)部產(chǎn)生孔隙和微裂紋，這是造成宏觀力學(xué)性能劣化的根本原因。

[ 1 ] 王志坤,許金余,任韋波,等.高溫下地聚合物混凝土損傷演化及動態(tài)本構(gòu)模型研究[J].振動與沖擊,2016,35(2):110-115.

WANG Zhikun, XU Jinyu, REN Weibo, et al. Damage evolution and dynamic constitutive model of geopolymeric concrete at elevated temperature[J].Journal of Vibration and Shock,2016,35(2):110-115.

[ 2 ] 馬保國,穆松,張風(fēng)臣,等.高溫下高強(qiáng)高性能混凝土性能劣化的表征方法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2007,4(5):40-44.

MA Baoguo, MU Song, ZHANG Fengchen, et al. Test methods of HSC/HPC deteriorated performance at high temperature [J].Journal of Railway Science and Engineering,2007,4(5):40-44.

[ 3 ] 高宇劍.高強(qiáng)混凝土火災(zāi)后力學(xué)性能退化及高溫爆裂機(jī)理研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué),2014,5:14-90.

[ 4 ] NOUMOWE,A.Mechanical properties and microstructure of high strength concrete containing polypropylene fibers exposed to temperatures up to 200℃[J]. Cement and Concrete Research,2005,35(11):2192-2198.

[ 5 ] 李麗娟,謝偉峰,劉鋒,等.100 MPa高強(qiáng)混凝土高溫后性能研究[J].建筑材料學(xué)報,2008,11(1):100-104.

LI Lijuan, XIE Weifeng, LIU Feng, et al. Performance of 100 MPa high strength concrete(HSC) after high temperature treatment [J].Journal of Building Materials,2008,11(1):100-104.

[ 6 ] 柳獻(xiàn),袁勇,葉光,等.高性能混凝土高溫微觀結(jié)構(gòu)演化研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,36(11):1474-1478.

LIU Xian, YUAN Yong, YE Guang, et al. Study on pore structure evolution of high performance concrete with elevated temperatures [J].Journal of Tongji University (Natural Science),2008,36(11):1474-1478.

[ 7 ] 趙東拂,尤作凱,劉棟棟.高強(qiáng)混凝土過火溫度與微觀結(jié)構(gòu)變化關(guān)系研究[J].建筑科學(xué),2013,29(3):50-53.

ZHAO Dongfu, YOU Zuokai, LIU Dongdong. Investigation on the relationship between fire temperature and changeof microstructure in high strength concrete [J]. Building Science,2013,29(3):50-53.

[ 8 ] KIM G Y,KIM Y S,LEE T G. Mechanical properties of high-strengthconcrete subjected to high temperature by stressed test[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2009,19:128-133.

[ 9 ] PHAN L T, CARINO N J. Fire performance of high strength concrete: research needs[C].Advanced technology in structural engineering, structures congress,2000:1-8.

[10] 趙東拂,劉梅.高強(qiáng)混凝土高溫后剩余強(qiáng)度及無損檢測試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2015,36(2):365-372.

ZHAO Dongfu, LIU Mei. Experimental study on residual strength and nondestructive testing of high strength concrete after high temperature [J].Journal of Building Structures,2015,36(2):365-372.

[11] HE Z J, CAO W L, ZHANG J X. Multiaxial mechanical properties of plain recycled aggregate concrete [J].Magazine of Concrete Research,2014,67(8):401-413.

[12] 呂培印.混凝土單軸、雙軸動態(tài)強(qiáng)度和變形試驗研究[D].大連:大連理工大學(xué),2002,3.

[13] 何振軍,宋玉普.高溫后高強(qiáng)高性能混凝土雙軸強(qiáng)度規(guī)律與破壞準(zhǔn)則[J].工程力學(xué),2009,27(2),124-130.

HE Zhenjun, SONG Yupu. Strength and failure criterion of plain high-strength high-performance concrete under biaxial compression surviving high temperatures [J]. Engineering Mechanics,2009,27(2):124-130.

[14] ZHAO D F, GAO H J, LIU H X,et al. Fatigue properties of plain concrete under trixial tension-compression-compression cyclic loading[J].Shock and Vibration,2017,9(2):127-133.

[15] 鞠峰,吳麗雅.提高高強(qiáng)混凝土高溫條件下抗爆裂性能的研究[J].混凝土,2003(3):41-43.

JU Feng, WU Liya. The research of improving the spalling resistance of the high strength concrete in the condition of high temperature [J].Concrete,2003(3):41-43.

[16] 傅宇方,黃玉龍,潘智生,等.高溫條件下混凝土爆裂機(jī)理研究進(jìn)展[J].建筑材料學(xué)報,2006,9(3):323-329.

FU Yufang, HUANG Yulong, PAN Zhisheng, et al. Literature review of study on mechanism of explosive spalling in concrete at elevated temperatures[J]. Journal of Building Materials,2006,9(3):323-329.

[17] BENTZ D. Fibers percolation and spalling of high performance concrete [J]. ACI Material Journal,2000,97(3):351-359.

[18] 宋玉普,趙東拂,覃麗坤.混凝土強(qiáng)度及疲勞壽命試驗樣本容量分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2002,42(4):464-466.

SONG Yupu, ZHAO Dongfu, QIN Likun. Sample size analyses for tests of concrete strength and fatigue life [J]. Journal of Dalian University of Technology,2002,42(4):464-466.

[19] 過鎮(zhèn)海.混凝土的強(qiáng)度和變形-試驗基礎(chǔ)和本構(gòu)關(guān)系[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1997.

[20] PENG Gaifei.Evaluation of fire damage to high performance concrete [D]. The Hong Kong Polytechnic University,1999.