王金歌

（廣東理工學院，廣東肇慶）

在現(xiàn)代建筑中推廣使用新材料、新工藝，對提升建筑性能、延長建筑壽命，以及保障建筑在地震、火災等特殊情況下的穩(wěn)定性、安全性有積極幫助。高性能混凝土（HPC）是在普通混凝土的基礎上摻入外加劑、聚丙烯纖維等材料，從而顯著改善混凝土的某項或多項性能[1]。例如，摻入高效減水劑可以降低配制混凝土時水的用量，達到提高混凝土抗?jié)B性、改善混凝土和易性等效果；摻入聚丙烯纖維，可以提高混凝土的抗折強度、抗壓強度，抑制高溫環(huán)境下混凝土的爆裂等[2]。實踐表明，高溫環(huán)境（如建筑火災）下混凝土的力學性能會降低，結構發(fā)生變形破壞。相比于普通混凝土，高性能混凝土在高溫環(huán)境下力學性能和建筑結構的變化較小，對防止二次破壞、減小負面損失有一定效果[3]?；诖?，探究高性能混凝土的制備方法和性能特點，對其推廣應用有一定幫助。

1 高性能混凝土的制作

1.1 原材料的配合比

為滿足高性能混凝土高溫力學和熱變形試驗的需要，選擇合適的原材料并按照科學的配合比制作混凝土，原材料的選用要求如下：

（1） 水泥。本試驗選用山東連云山混凝土有限公司生產(chǎn)的水泥，強度等級為P.042.5，燒失量1.75%，比表面積346 m2/kg，28 d 抗壓強度45.4 MPa，28 d抗折強度7.2 MPa。

（2） 水。本試驗用自來水拌合混凝土，pH 值7.2，氯離子含量0.17 mg/L，不溶物1.71 mg/L。

（3） 骨料。本試驗選用石子的粒徑在10～25 mm，含泥量0.42%，表觀密度2 844 kg/m3，針片狀含量2.9%，壓碎指標7.1%；本試驗選用河砂的粒徑在2～5 mm，細度模數(shù)2.87，含泥量0.31%，級配良好。

（4） 礦粉。本試驗選用河北潤華邦新材料科技有限公司生產(chǎn)的S105 級礦粉，含水率0.57%，燒失量1.84%，比表面積580 m2/kg，28 d 活性指標126%。

（5） 粉煤灰。本試驗所用I 級粉煤灰來自于大連市熱電廠，燒失量3.61%，細度8.4 μm，含水率0.57%。

（6） 減水劑。本試驗選用聚羧酸液體高效減水劑，摻量在0.3%～1.5%之間，減水率最高可達30%。

（7） 聚丙烯纖維（PP）。聚丙烯纖維具有預防高溫爆裂、降低孔隙水壓力等作用，本試驗選用的山東騰鑫新材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，密度0.84 g/mm3，長度10～15 mm，直徑20～30 μm，熔點160 ℃。

按照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55-2011)中的規(guī)定進行配合比計算，本試驗所用C60 混凝土的物料配合比（質量比）見表1。

表1 高性能混凝土的配合比(kg/m3）

1.2 混凝土試件的設計

按照《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2010)中的有關規(guī)定制作標準試件，同時在試件中預埋高溫熱電偶監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度，試件類型、尺寸與數(shù)量見表2。

表2 高性能混凝土試件數(shù)量

用于熱變形試驗的試件需要放入到高溫電阻爐內(nèi)，因此根據(jù)爐門尺寸400 mm×400 mm×600 mm 定制了390 mm×390 mm×120 mm 的非標準試件。為了驗證高性能混凝土在抵抗熱變形方面的表現(xiàn)，制作了2種類型的試件：一種是未摻入聚丙烯纖維的素混凝土試件，另一種是摻入0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土。

1.3 混凝土試件的成型與養(yǎng)護

按照上述配合比制作高性能混凝土后，將混凝土澆筑到試模中，經(jīng)振搗、養(yǎng)護后可以得到高性能混凝土試件。試件的制作流程如下：

步驟1：放料攪拌。按照配合比稱量好各物料后，首先將石子和砂子倒入攪拌機，攪拌30 s 后再倒入礦粉、粉煤灰與水泥，攪拌90 s。期間均勻的加入聚丙烯纖維，保證全部分散。最后倒入水和減水劑，攪拌120 s 后停止。

步驟2：取出適量混凝土，裝入坍落度桶中測定其坍落度，結果顯示坍落度為182 mm，符合規(guī)范要求。

步驟3：將符合要求的混凝土全部取出，裝入390 mm×390 mm×120 mm 的木質試模中。在距離底部25 mm、50 mm、75 mm 高度處埋置應變計。應變計兩端連接細線，穿過模具小孔，在振搗時拉緊細線，避免應變計發(fā)生位移。混凝土澆筑完畢后進行振搗，觀察到表面不再有氣泡逸出后停止。在表面封蓋塑料布防止水分散失。

步驟4：將試件置于20 ℃、90%相對濕度環(huán)境下靜置24 h 后拆模。將混凝土試件轉移到養(yǎng)護室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護28 d。

2 高性能混凝土高溫力學與熱變形試驗設計

2.1 高性能混凝土的高溫試驗設計

該試驗需要將混凝土試件加熱至800 ℃，出于安全考慮選用了洛陽鼎信高溫科技有限公司生產(chǎn)的箱式高溫電阻爐，最高加熱溫度1 200 ℃，升溫速率0～20 ℃/min 可調，爐膛尺寸400 mm×400 mm×600 mm。內(nèi)置溫度控制器，可實時檢測試件當前溫度，并且在達到設定溫度后維持當前溫度不變。考慮到混凝土試件在加熱過程中內(nèi)外存在溫度差，而箱式高溫電阻爐的溫度控制器只能獲取試件的表面溫度，因此在制作試件時需要在試件內(nèi)部預埋熱電偶，將熱電偶與溫度巡檢儀連接，從而實時采集試件內(nèi)部溫度。當試件內(nèi)部溫度與表面溫度一致時，說明試件被加熱到試驗所需溫度。將試件加熱到600 ℃時，大約需要5 h才能讓混凝土試件的內(nèi)外溫度完全一致。在高溫試驗結束后，關閉設備并讓試件自然冷卻至室溫，然后再從爐膛中取出進行分析。為了驗證高性能混凝土在高溫下的表現(xiàn)，分別選用素混凝土試件和高性能混凝土試件進行了高溫對照試驗。

2.2 高性能混凝土的力學試驗設計

2.2.1 高性能混凝土的抗拉強度試驗

該試驗選用濟南鑫光試驗機制造有限公司生產(chǎn)的全自動壓力試驗機，劈裂抗拉強度試驗流程遵循《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GBT50081-2019)進行。選取素混凝土試件和高性能混凝土試件作為對照，分別測定兩種試件在20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃時的抗拉強度，為消除誤差影響，每個溫度下使用3 塊試樣，將3 次測量結果取平均值作為混凝土試件的最終抗拉強度?？估瓘姸龋╢）的計算式為：

式中：F 表示試件的破壞荷載，單位為N；A 表示試件的劈裂面積，單位為mm2。同時還對比了兩種試件的劈裂抗拉強度損失率，將常溫（20 ℃）下的抗拉強度記為M1，將加熱至Tn（n=100～800）溫度后的抗拉強度記為Mn，則抗拉強度損失率（η）的計算公式為：

2.2.2 高性能混凝土的彈性模量試驗

該試驗選用濟南鑫光試驗機制造有限公司生產(chǎn)的液壓萬能試驗機，彈性模量試驗流程遵循《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GBT50081-2019)進行。試件的選擇、實驗溫度的設置以及結果處理均與抗拉強度試驗一致。試驗中需要測量的指標有2 個，其一是試件的軸心抗壓強度，其二是試件的彈性模量。在測量出軸心抗壓強度后，在利用軸心荷載與千分表測量的應變值，計算出試件的彈性模量[4]。計算公式為：

式中：E 表示混凝土試件的彈性模量，單位為GPa；F1和F2分別表示應力為1/3 軸壓強度和0.5 MPa 時的荷載，單位為N；A 表示試件的承壓面積，單位為mm2；L 表示測量標距，單位為mm；Δn 表示試件在受到不同應力時兩側變形產(chǎn)生的差值，單位為mm。對比兩種混凝土試件彈性模量的損失率，計算方法同上。

2.3 高性能混凝土的熱應變試驗設計

本試驗使用四川葛南儀器有限公司生產(chǎn)的埋入式振弦式應變計，量程為±2 000 με，靈敏度為1 με，長度180 mm，由應變傳感器、溫度傳感器組成，可同時測量應變值與溫度值，溫度監(jiān)測范圍為-40 ℃～200℃。在素混凝土和高性能混凝土試件中預埋3 個熱應變計，位置如圖1 所示。

圖1 應變計布置位置

熱應變試驗流程如下：將試件從養(yǎng)護室取出后晾置24 h，稱量其重量。將試件放入高溫電阻爐內(nèi)，用高溫耐火棉填滿空隙，減少熱量的散失。將應變計接頭與讀數(shù)儀連接，記錄試件在常溫下的應變值。試驗人員設定高溫電阻爐的參數(shù)，將目標溫度設為800 ℃，每隔10 min 記錄一次3 個位置的應變值，一直記錄到第100 min。如果儀器被燒壞無法顯示具體的應變值，則以空白表示。完成試驗后，關閉設備讓試件自然冷卻至常溫，最后取出混凝土試件并再次稱量重量[5]。

3 高性能混凝土高溫力學與熱變形試驗結果

3.1 高性能混凝土的高溫試驗結果

將混凝土試塊置于箱式高溫電阻爐后進行加熱，試件從常溫升高至100 ℃過程中無明顯現(xiàn)象，在溫度達到100 ℃后開始有少量水蒸氣冒出，隨著溫度繼續(xù)升高水蒸氣的量同步增加，并且伴隨尖銳聲音，可聞到刺鼻氣味。在溫度達到500 ℃后，混凝土試件中的Ca(OH)2發(fā)生脫水現(xiàn)象，意味著試件內(nèi)部的自由水已經(jīng)完全蒸發(fā)，可以在爐門上方觀察到許多水蒸氣液化形成的水滴。在溫度達到800 ℃后，無明顯現(xiàn)象，在試件內(nèi)部熱電偶實測溫度也達到800 ℃后即可關閉箱式高溫電阻爐。

將混凝土試件從常溫加熱至300 ℃過程中，試件表面未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫，但是顏色隨著溫度的升高逐漸變淺，從最開始的青灰色變成淺灰色，并且局部有泛白現(xiàn)象。從400 ℃開始，素混凝土試件的表面開始出現(xiàn)細微的裂縫，但是未出現(xiàn)剝落情況，表面泛白面積擴大；相比之下，摻入了0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土試件則未出現(xiàn)裂縫，但是有泛白情況。當試件溫度達到600 ℃后，素混凝土試件表面可以觀察到較為明顯的裂縫，局部有剝落情況，試件整體顏色變成白色；同樣溫度下高性能混凝土試塊表面的裂縫數(shù)量較少、寬度較小，無剝落情況，局部有泛白情況。當試件溫度達到800 ℃后，素混凝土表面布滿裂縫，在冷卻至常溫后出現(xiàn)大范圍剝落，從剝落后露出的內(nèi)部混凝土也呈現(xiàn)白色；該溫度下高性能混凝土試件表面有一些裂縫，但是在冷卻至常溫后未發(fā)生剝落，表面完全呈白色[6]。

3.2 高性能混凝土高溫后的力學試驗結果

3.2.1 抗拉強度試驗結果

素混凝土試件和摻入0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土試件，在經(jīng)過高溫處理后兩種試件的劈裂抗拉強度及其抗拉強度損失率見表3。

表3 兩種混凝土在不同溫度下的抗拉強度與其損失率

由表3 數(shù)據(jù)可知，兩種混凝土試件的劈裂抗拉強度整體變化趨勢一致，即隨著試件溫度的升高呈現(xiàn)出降低趨勢。在試件溫度為常溫（20 ℃）時，高性能混凝土的抗拉強度為3.28 MPa，在溫度升高至800 ℃后，抗拉強度下降為0.74 MPa；素混凝土在常溫下的抗拉強度為3.05 MPa，在溫度達到800 ℃后抗拉輕度下降為0.25 MPa。其中，在試件溫度達到500 ℃之前，隨著溫度的升高，試件抗拉強度的下降趨勢相對緩慢；在超過500 ℃后，試件抗拉強度開始明顯下降。由此可得，試件溫度500 ℃是混凝土劈裂抗拉強度的一個轉折點。橫向對比來看，在相同溫度下，高性能混凝土試件的抗拉強度總是高于素混凝土試件的抗拉強度，這也說明高性能混凝土在抗拉強度這一力學性能方面要優(yōu)于素混凝土。

在抗拉強度損失率方面，兩種混凝土試件的抗拉強度損失率均呈現(xiàn)出隨著溫度升高而增加的變化趨勢。橫向對比來看，在試件溫度達到400 ℃前，素混凝土和高性能混凝土在相同溫度下的抗拉強度損失率沒有明顯的差異。從500 ℃開始，兩者的抗拉強度損失率開始增加，在800 ℃時高性能混凝土試件的抗拉強度損失率為77.44%，素混凝土試件的抗拉強度損失率為91.80%，兩者相差14.36%。這表明500 ℃是一個轉折點，在混凝土試件溫度達到500 ℃后聚丙烯纖維開始發(fā)揮作用，說明在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維，能夠減小混凝土在高溫下的抗拉強度損失量，保證建筑物發(fā)生火災后混凝土仍然具有較大的抗拉強度[7]。

3.2.2 彈性模量試驗結果

素混凝土試件和摻入0.2%聚丙烯纖維的高性能混凝土試件，在經(jīng)過高溫處理后兩種試件的軸壓強度與彈性模量見表4，表中**表示當前溫度下已無法測得數(shù)值。

表4 兩種混凝土在不同溫度下的軸壓強度與彈性模量

由表4 可知，兩種混凝土試件的軸心抗壓強度隨著溫度的升高整體上呈現(xiàn)出降低的變化趨勢，僅在300 ℃是有短暫的增長。在溫度達到500 ℃后，混凝土試件的軸壓強度開始快速下降，并且對比來看素混凝土的下降幅度要大于高性能混凝土。由此可得，500 ℃是混凝土軸心抗壓強度的一個轉折點。在彈性模量方面，兩種混凝土試件的彈性模量隨著溫度的升高呈現(xiàn)出降低趨勢，在200 ℃以后兩種試件的彈性模量已經(jīng)十分接近。在溫度達到800 ℃后，素混凝土試件被壓壞，試驗中已經(jīng)無法測出其彈性模量。對比來看，該溫度下高性能混凝土試塊沒有損壞跡象，測得其彈性模量為1.4 GPa。說明向混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維能夠提升混凝土在高溫下的彈性模量，避免高溫時混凝土構件發(fā)生爆裂問題。為了進一步探究素混凝土和高性能混凝土的性能差距，統(tǒng)計了兩種試件的彈性模量損失率，結果如圖2 所示。

圖2 兩種混凝土彈性模量損失率對比

由圖2 可知，兩種混凝土試件的彈性模量損失率隨著溫度的升高呈現(xiàn)出遞增趨勢。素混凝土試件在溫度達到100 ℃后，彈性模量損失率開始明顯加快，而高性能混凝土試件在溫度達到300 ℃后，彈性模量損失率才迅速增加。說明高性能混凝土的高溫穩(wěn)定性更好。在整個試驗過程中，相同溫度下高性能混凝土的彈性模量損失率始終低于素混凝土。在溫度達到800 ℃后，素混凝土試件由于發(fā)生破壞，彈性模量損失率已經(jīng)無法測得，此時高性能混凝土的彈性模量損失率為94.2%，依然具備一定的強度，這一數(shù)據(jù)表明高性能混凝土的抗變形和抗爆裂能力要優(yōu)于素混凝土。

3.3 高性能混凝土熱應變試驗結果

根據(jù)表5 數(shù)據(jù)繪制“熱應變-時間”曲線，如圖3、圖4 所示。

圖3 不同時間內(nèi)高性能混凝土試件3 個測點的熱應變值

圖4 不同時間內(nèi)素混凝土試件3 個測點的熱應變值

表5 高性能混凝土和素混凝土的熱應變試驗結果

由圖3、圖4 可知，同一塊混凝土試件中，3 個測點的應變值隨著加熱時間的增加呈現(xiàn)出升高趨勢。對比來看，在加熱前40 min 內(nèi)，3 個測點的應變值相差不大；從40 min 開始，隨著加熱時間延長、試件溫度升高，不同測點的應變值差距也越來越明顯。其中，距離底板最近的測點（25 mm）由于距離受火面最近，因此應變值升高最快；相反，距離底板最遠的測點（75 mm）應變值增加速度最慢。對比圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在加熱時間相同的情況下，高性能混凝土試件的熱應變要低于素混凝土。在監(jiān)測范圍內(nèi)，素混凝土試件的最大應變可以達到258 με，而高性能混凝土只有200 με。由此可得，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，對高溫環(huán)境下混凝土的熱應變有較好的抑制作用。

結束語

高性能混凝土通過摻入一定量的聚丙烯纖維，不僅從微觀層面上改善了混凝土的結構組成，而且從宏觀層面上提升了混凝土的多項性能。從試驗情況來看，相比于素混凝土，高性能混凝土在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，不容易發(fā)生裂縫和剝落；在高溫下的抗拉強度和彈性模量都得到了提升，熱應變出現(xiàn)不同程度的降低。這就意味著在建筑物發(fā)生火災時，高性能混凝土構件可以保持更高的強度和穩(wěn)定性，更有利于維持建筑整體結構的穩(wěn)定和安全，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全，降低火災損失，具有推廣應用價值。