毛振豪，張繼承，*，李元齊，杜國鋒，陽 霞

（1.長江大學城市建設(shè)學院，湖北荊州 434023；2.同濟大學土木工程學院，上海 200092）

活性粉末混凝土（RPC）是一種先進的水泥基復(fù)合材料，具有超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點［1］.由于其優(yōu)異的性能，RPC已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、核電站等工程實踐中［2-5］.作為一種比較有應(yīng)用前景的工程材料，RPC已經(jīng)成為國際研究熱點，但是近年來對RPC高溫后性能的研究較少［6-10］.在某些情況下，RPC不得不處于高溫環(huán)境，如工業(yè)廠房高溫反應(yīng)爐、冶金和化工廠房等，因此研究RPC高溫后的性能是很有必要的.

相關(guān)研究［11-12］表明，RPC在高溫環(huán)境下極易發(fā)生爆裂，向其中摻入適量的鋼纖維和聚丙烯（PP）纖維能有效改善混凝土的高溫爆裂性能，但目前對纖維RPC高溫性能的研究仍然有限，此外混凝土高溫后內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，給其損傷評估帶來許多困難.目前國內(nèi)外采用較多的方法有表觀檢測、超聲檢測、鉆芯法、紅外熱像法等，其中超聲檢測在評價混凝土內(nèi)部損傷方面具有方便快捷、成本低、可重復(fù)性高的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各項研究［13-15］.現(xiàn)有的關(guān)于超聲波法評價RPC高溫后性能的文獻較少，此外基體微觀結(jié)構(gòu)往往與宏觀力學性能緊密相關(guān)，對RPC高溫后微觀結(jié)構(gòu)的劣化過程也十分值得研究.

基于此，本文對RPC進行了100～800℃的高溫試驗，記錄了試件的試驗現(xiàn)象和外觀變化，測量了其質(zhì)量損失和抗壓強度損失，并采用超聲檢測，以相對波速和損傷度為參數(shù)來評估RPC高溫后的內(nèi)部損傷，此外，利用SEM觀察了不同溫度后RPC的微觀結(jié)構(gòu)變化，從宏觀和微觀角度揭示了RPC高溫后的性能劣化.

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用湖北荊州生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強度為43 MPa；細骨料為石英砂，采用0.106～0.212 mm和0.212～0.425 mm 2種粒徑，等體積混合后使用；硅灰為鞏義市清洋水處理材料有限公司生產(chǎn)的微硅粉；礦渣為黃白色粉末，其比表面積為475 m2/kg；外加劑為聚羧酸高效減水劑；水為標準自來水，符合國家標準；纖維有2種，分別為鋼纖維和PP纖維，其性能指標見表1.膠凝材料（水泥、硅灰、礦渣）的主要化學組成（文中涉及的組成和水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）見表2.

表2 膠凝材料的主要化學組成Table 2 Chemical composition of cementitious materialsw/%

1.2 試件制作及配合比

試驗采用2種RPC配合比，分別為鋼纖維體積分數(shù)為2%的試件SRPC0和鋼纖維體積分數(shù)為2%、PP纖維體積分數(shù)為0.15%的試件HRPC1.5，水膠比mW/mB均為0.2，其余配合比（以水泥質(zhì)量計）見表3.

表3 RPC試件的配合比Table 3 Mix proportion of RPC specimens

RPC制備過程中的投料順序、攪拌時間及養(yǎng)護制度需按一定要求進行.試件的具體制作過程為：混凝土采用機械強制攪拌，為了使各種粉狀物料和纖維混合均勻，攪拌成型過程中分4次投料.首先將石英砂、鋼纖維和PP纖維倒入混凝土攪拌機中攪拌5 min；再將水泥、硅粉和礦渣粉加入，干拌5 min；最后將混合后的減水劑和水分2次等量加入，每次攪拌5 min，出料.隨后將拌和物注入試模，并在高頻振動臺上振動直至試件成型后進行抹平，在實驗室自然環(huán)境下放置24 h，然后脫模，最后在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護60 d后進行試驗.

1.3 升溫制度

高溫試驗在電爐內(nèi)進行，爐膛內(nèi)部尺寸為1 200 mm×800 mm×800 mm，最高工作溫度為1 200℃，最快升溫速率為30℃/min.試驗設(shè)計的目標溫度（t）為：20、100、200、300、400、500、600、700、800℃.為避免試件含濕量過大導(dǎo)致其在升溫過程中發(fā)生爆裂，所有試件在加熱前均應(yīng)在120℃的烘箱內(nèi)進行烘干處理；為避免升溫速率過快導(dǎo)致試件發(fā)生爆裂，升溫速率選取為3℃/min.當爐溫達到目標溫度后恒溫2 h，使試件內(nèi)外溫度趨于一致.待爐內(nèi)溫度降至200℃以下后，方可打開爐門，待試件冷卻至室溫后進行試驗.

1.4 試驗方法

采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進行試驗，高溫試驗結(jié)束后觀察記錄試件的外觀變化和質(zhì)量損失率（MLR）.采用北京大地華龍科技有限責任公司生產(chǎn)的DJUS-05非金屬超聲波儀，測量各目標溫度作用后RPC試件的相對波速（vR）、相對主頻（fR）和相對幅值（AR），每個試件布置3個測點，結(jié)果取其均值.超聲波頻率為50 kHz，發(fā)射電壓為500 V，采樣周期為0.4 μs；超聲檢測結(jié)束后，在5 000 kN的電液伺服壓力試驗機上進行抗壓強度試驗，根據(jù)高溫前后抗壓強度的變化，計算抗壓強度損失率（Rf）；最后，從壓碎的試件中取樣，進行掃描電鏡（SEM）試驗，觀察不同溫度后RPC試件基體、鋼纖維-基體界面和PP纖維-基體界面的變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 試件外觀變化和質(zhì)量損失

各組試件高溫試驗現(xiàn)象基本相同：當爐溫到達200℃時，由于試件內(nèi)部自由水的蒸發(fā)，高溫爐上方開始出現(xiàn)白色煙霧；升溫到250℃時，可以聞到刺激性氣味，這是由于PP纖維在170℃時開始熔化并隨水蒸氣排出；爐溫升到250～550℃時，爐上方持續(xù)有白霧逸出并伴有刺激性氣味，且過程中可以聽到爆裂聲；550℃后，白霧和刺激性氣味基本消失.白霧逸出的溫度范圍為200～550℃，刺激性氣味出現(xiàn)的溫度范圍為250～550℃，試件發(fā)出爆裂聲的溫度范圍為330～450℃.

高溫后各組RPC試件的外觀變化基本一致，見表4.圖1為高溫后RPC試件的質(zhì)量損失率.

表4 不同溫度后RPC試件的外觀變化Table 4 Appearance changes of RPC specimens after different temperatures

圖1 高溫后RPC試件的質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate of RPC specimens after high temperature

由表4和圖1可見，隨著溫度的升高，試件的顏色由深變淺，質(zhì)量損失率逐漸增大.根據(jù)高溫后試件的外觀變化和質(zhì)量損失率可以將受熱溫度分為以下幾個區(qū)間：（1）20～200℃時，試件外觀呈灰綠色，無孔隙和裂紋，敲擊聲音清脆，此時試件的質(zhì)量損失主要源于內(nèi)部毛細水的蒸發(fā)，200℃時所有試件的質(zhì)量損失率均不超過1.00%；（2）200～400℃時，試件外觀顏色由灰綠色逐漸變?yōu)榛液稚?，試件表面開始出現(xiàn)微裂紋，敲擊聲音較為清脆，此階段試件的質(zhì)量損失明顯加快，主要源于凝膠水的蒸發(fā)，400℃時各試件 質(zhì) 量 損 失 率 在3.43%～3.60%之 間；（3）400～600℃，試件表面顏色變?yōu)榛野咨毿×鸭y和孔隙增多，600℃時試件還會出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象，且試件敲擊聲音較為低沉.此階段試件的質(zhì)量損失主要是因為化學結(jié)合水的蒸發(fā)和Ca（OH）2的分解，各試件質(zhì)量損失率在4.80%～5.08%之間；（4）600～800℃時，試件表面顏色進一步變淺，由灰白色變?yōu)闇\紅色，表面出現(xiàn)大量長寬裂紋和較大孔隙，試件出現(xiàn)不同程度的掉皮、缺角，敲擊聲音低沉，試件的質(zhì)量損失源于水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和CaCO3的分解.800℃時試件的質(zhì)量損失率在6.27%～6.35%之間.此外，相同溫度下試件按質(zhì)量損失率大小排序為：HRPC1.5＞SRPC0，究其原因：PP纖維熔點較低，約為170℃，當溫度高于170℃時，PP纖維會熔化而在試件中留下孔隙，從而更利于蒸汽從試件內(nèi)逸出.

2.2 超聲參數(shù)與目標溫度的關(guān)系

采用超聲檢測對高溫后RPC試件內(nèi)部損傷進行評估，為了減少骨料種類、水泥用量、纖維等對超聲傳播特性的影響，參考文獻［15］，采用相對波速vR、損傷度D、相對主頻fR和相對幅值A(chǔ)R作為評價參數(shù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表5.具體計算方法如下：

表5 RPC試件的超聲參數(shù)Table 5 Ultrasonic parameters for RPC specimens

式中：v0、vT分別為RPC試件常溫下和高溫后的波速，km/s；A0、AT分別為RPC試件常溫下和高溫后的首波幅值，dB；f0、fT分別為RPC試件常溫下和高溫后的主頻，kHz.

高溫作用后，RPC試件超聲參數(shù)與目標溫度的關(guān)系如圖2所示.由圖2可知：隨著溫度的升高，試件的相對波速逐漸減小，損傷度逐漸增大，且相對波速和損傷度與目標溫度回歸公式精度較高，試驗值和擬合值吻合較好，說明采用相對波速和損傷度來評估RPC高溫后內(nèi)部損傷是可行的；而試件相對主頻和相對幅值隨溫度的變化不顯著，說明采用相對主頻和相對幅值來評價高溫后RPC內(nèi)部損傷存在較大誤差.

圖2 RPC試件的超聲參數(shù)與目標溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between ultrasonic parameters and target temperature

2.3 超聲參數(shù)與抗壓強度損失率的關(guān)系

以RPC試件常溫下的抗壓強度作為參照，計算其高溫后的抗壓強度損失率Rf：

式中：fcu，20、fcu，t分別為RPC常溫下和高溫后的抗壓強度，MPa.

圖3為高溫后RPC試件的抗壓強度損失率.由圖3可見：（1）摻不同纖維的RPC試件抗壓強度損失率均隨著溫度的升高而先減小后增大，臨界溫度為300℃.臨界溫度前試件抗壓強度損失率的減小是由于高溫養(yǎng)護使得基體內(nèi)活性摻合料發(fā)生二次水化，臨界溫度后試件抗壓強度損失率的增大是由于高溫引起基體的微觀結(jié)構(gòu)惡化.（2）溫度低于600℃時，試件HRPC1.5的抗壓強度損失率明顯小于試件SRPC0；溫度高于600℃時，試件SRPC0的抗壓強度損失率更小，這是因為PP纖維熔化后在基體內(nèi)留下的通道一方面有助于緩解高溫引起的蒸氣壓，另一方面也會對基體產(chǎn)生不利影響，當試件經(jīng)歷的溫度低于600℃時，正面效應(yīng)占主導(dǎo)地位，高于600℃時，負面效應(yīng)占主導(dǎo)地位.（3）試件的抗壓強度在400、700℃時均出現(xiàn)大幅度降低，這是因為400℃時，水化反應(yīng)減弱，高溫損傷加劇，導(dǎo)致試件抗壓強度急劇降低；而700℃時，基體內(nèi)水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學分解，漿體開裂，孔隙結(jié)構(gòu)粗化，導(dǎo)致基體強度嚴重劣化，試件抗壓強度損失率接近80%.

圖3 高溫后RPC試件的抗壓強度損失率Fig.3 Compressive strength loss rate of RPC specimens after high temperature

結(jié)合表5可知，試件的抗壓強度隨著溫度的升高而先增大后減小，而超聲參數(shù)并沒有體現(xiàn)出這種規(guī)律，分析原因為：RPC在溫度不高于300℃時，高溫養(yǎng)護使基體水化更加充分，因而抗壓強度增加，但超聲波的傳遞受到多種因素影響，未能反映出此階段試件內(nèi)部的微觀變化.為了更加準確地采用相對波速和損傷度來評估RPC高溫后抗壓強度的變化，當不考慮20～300℃溫度區(qū)間時，擬合效果會更好.

圖4為高溫后RPC試件的相對波速、損傷度與抗壓強度損失率的關(guān)系.由圖4可知，采用二次函數(shù)進行RPC試件相對波速、損傷度與抗壓強度損失率的關(guān)系擬合時效果最優(yōu)，且擬合曲線相關(guān)系數(shù)均為0.96，說明采用相對波速和損傷度來評價RPC高溫后強度退化是合理可行的.

圖4 高溫后RPC試件的相對波速、損傷度與抗壓強度損失率的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative wave velocity，damage degree and compressive strength loss rate

2.4 微觀分析

高溫后試件SRPC0和HRPC1.5的微觀變化基本相似，因此本節(jié)以試件HRPC1.5為例來分析高溫后RPC微觀形貌的變化.圖5為不同溫度后試件HRPC1.5中基體的SEM圖.由圖5可知：RPC具有致密的微觀結(jié)構(gòu)，這是由于RPC中不含粗骨料，摻入的硅灰和礦渣粉可以填充水泥顆粒間孔隙；當溫度不超過300℃時，試件相當于經(jīng)歷了“高溫固化”過程，基體內(nèi)水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)相互促進，生成了更多的C-S-H凝膠，其微觀形貌與常溫時相比更加致密，宏觀上表現(xiàn)為RPC抗壓強度增大；400℃時，RPC中的自由水和結(jié)合水基本全部蒸發(fā)，C-S-H凝膠里的孔隙也在不斷增多，基體內(nèi)出現(xiàn)少量的網(wǎng)狀微裂紋，基體開始變得松散，此外，Ca（OH）2在400℃時開始分解，試件抗壓強度較300℃時出現(xiàn)大幅度下降；600℃時，可觀察到更多的裂紋和孔隙，基體變得疏松多孔，這是因為此階段水泥水化產(chǎn)物分解，C-S-H凝膠由連續(xù)塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^小的分散相，并逐步脫去結(jié)晶水，此外在573℃時，基體中的α-SiO2可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiO2，導(dǎo)致基體體積突然膨脹；800℃后，RPC基體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎的蜂窩狀，內(nèi)部出現(xiàn)大量的寬粗裂紋和孔洞，無完整的結(jié)晶體，C-S-H凝膠在此階段完全脫水分解，生成大量硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（β-C2S）和部分硅酸鈣（β-CS），試件表面出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀貫通裂紋，抗壓強度損失率超過80%.

圖5 不同溫度后試件HRPC1.5中基體的SEM圖Fig.5 SEM micrographs of matrix for specimen HRPC1.5 after different temperatures

圖6為不同溫度后試件HRPC1.5中鋼纖維與基體界面的SEM圖.由圖6可見：隨著溫度的升高，鋼纖維與界面處的裂紋開始形成并不斷發(fā)展，界面處逐漸變得疏松；鋼纖維與基體在室溫時黏結(jié)緊密，宏觀上表現(xiàn)為RPC的力學性能提高；100～300℃時，界面處存在微小裂紋，但過渡區(qū)依舊致密，此階段鋼纖維對RPC的增強作用依舊顯著；400℃時，由于鋼纖維與混凝土的熱膨脹系數(shù)不同，界面出現(xiàn)應(yīng)力，裂紋進一步擴展，界面開始變得疏松，宏觀上表現(xiàn)為試件抗壓強度大幅度下降；600℃時，水泥水化產(chǎn)物開始分解，導(dǎo)致鋼纖維與基體界面處裂紋寬度增大，界面變得疏松多孔，鋼纖維發(fā)生明顯的氧化脫碳，鋼纖維對RPC的增強效果急劇下降，宏觀體現(xiàn)為試件抗壓強度進一步降低；800℃時，鋼纖維與基體界面處的黏結(jié)力基本失效，且鋼纖維完全氧化脫碳，宏觀體現(xiàn)為鋼纖維顏色變黑、輕折即斷，此時試件抗壓強度僅為室溫時的20%.

圖6 不同溫度后試件HRPC1.5中鋼纖維與基體界面的SEM圖Fig.6 SEM micrographs of steel fiber and matrix interface for specimen HRPC1.5 after different temperatures

圖7為不同溫度后試件HRPC1.5中PP纖維與基體界面的SEM圖.由圖7可知：PP纖維與基體在室溫下結(jié)合緊密，但由于PP纖維彈性模量較低，因此室溫下試件HRPC1.5的抗壓強度大于試件SRPC0的抗壓強度；PP纖維熔點較低，約為170℃，當溫度超過170℃時，PP纖維將會熔化，在基體內(nèi)留下孔洞.PP纖維熔化留下的孔洞一方面可以緩解高溫蒸汽壓引起的基體損傷，另一方面也會增加試件的內(nèi)部缺陷.

圖7 不同溫度后試件HRPC1.5中PP纖維與基體界面的SEM圖Fig.7 SEM micrographs of PP fiber and matrix interface for specimen HRPC1.5 after different temperatures

3 結(jié)論

（1）隨著溫度的升高，活性粉末混凝土RPC試件的顏色由深變淺，質(zhì)量損失率逐漸增大，質(zhì)量損失主要歸因于基體內(nèi)毛細水、凝膠水、化學結(jié)合水的蒸發(fā)和Ca（OH）2、C-S-H凝膠、CaCO3的分解.PP纖維的摻入對RPC質(zhì)量損失率的影響并不顯著.

（2）若不考慮20～300℃溫度區(qū)間，則采用超聲檢測中的相對波速和損傷度來評估高溫后RPC強度退化是合理的，相對波速、損傷度與抗壓強度損失率的回歸公式擬合度較高，相關(guān)系數(shù)較大；隨著溫度的升高，相對波速降低，損傷度增大，RPC抗壓強度損失率增大，而相對主頻和相對幅值變化不明顯，說明采用相對主頻和相對幅值表征的材料性能變化不顯著.

（3）RPC基體的微觀形貌在300℃后隨溫度升高不斷惡化，C-S-H凝膠由連續(xù)塊狀變?yōu)槌叽巛^小的分散相，鋼纖維、PP纖維和基體界面逐漸產(chǎn)生裂紋并最后脫黏，PP纖維的熔化為基體提供了微通道，這在一定程度上緩解了蒸氣壓，同時也增加了基體的內(nèi)部缺陷.當試件經(jīng)歷的溫度低于600℃時，正面效應(yīng)占主導(dǎo)地位；高于600℃時，負面效應(yīng)占主導(dǎo)地位，試件耐高溫性能較差，宏觀體現(xiàn)為抗壓強度損失，超過600℃時抗壓強度損失率約為80%.RPC微觀結(jié)構(gòu)的劣化是宏觀力學性能衰退的根本原因.