水泥基材料瞬时高温作用下的爆裂与力学性能
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摘要：水泥基材料经瞬时高温作用后，随受火温度不同，表现出不同的爆裂与力学性能。研究了掺加不同矿物掺和料的水泥基材料在不同的瞬时高温作用后爆裂与力学性能的影响。结果表明：在100 ℃和300 ℃瞬时高温作用下，所有试样外观完整，未发生爆裂；600 ℃时，所有试件发生粉碎性爆裂。与室温下水泥基材料的物理力学性能相比，在经历瞬时100 ℃作用后，试样的抗压、抗折强度损失率分别达到15%和30%以上；经受300 ℃作用后，强度恢复至室温时强度水平；温度高于300 ℃时，随温度的升高，强度逐渐降低；当温度高于600 ℃时，强度急剧衰减。其中，复掺20%矿粉和10%硅灰的试样经历的低温（≤300 ℃）作用后，抗压、抗折强度均随温度的增加而提高。SEM分析表明，经600 ℃高温作用2 h后，硬化水泥浆体C-S-H整体结构疏松，水化产物连续相被分割为非连续相。
关键词：水泥基材料；爆裂；瞬时高温；物理化学变化；微观结构
中图分类号：TQ172
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0109-05
随着地下空间的开发，越来越多的地铁隧道建成并投入使用。隧道长度、交通密度、车辆载重、使用频率的增加，都使得发生火灾的可能性逐渐增大。混凝土作为地下交通工程的主要建筑材料，其高温性能直接与建筑物的稳定性密切相关[1-2]，因此对混凝土高温性能进行研究具有重要意义。
Hertz[3]提出混凝土高温下的爆裂和性能劣化趋势与其水灰比及掺合料种类、掺量等因素有关。Papayianni等[4]的研究表明：随着温度从室温增加至800 ℃，硬化水泥石表现出先膨胀后收缩再膨胀的过程，而粗骨料则逐渐膨胀。傅宇方等[5]和肖建庄等[6]提出混凝土高温后性能的劣化与硬化水泥石与骨料之间的界面过渡区的存在密切相关。Consolazio等[7]的研究表明：混凝土中的界面过渡区可有效降低水泥基材料中的蒸汽压。综上所述，由于硬化水泥石与骨料之间热致变形的差异，混凝土中存在尺寸与数量较大的界面薄弱区，有利于高温下混凝土内部水分的脱逸。因此，混凝土试件对水泥基材料的高温爆裂现象不敏感。为了有效反映不同水泥基材料高温爆裂的敏感性，应细化界面薄弱区，提高结构均匀密实性。因此，本文采用水泥胶砂试件来研究不同矿物掺合料（粉煤灰、矿粉和硅灰）对水泥基材料高温爆裂的影响[4]，分析了不同掺合料对高温下水泥基材料性能的作用，探讨了高温对硬化水泥石微观结构的破坏。
马保国，等：水泥基材料瞬时高温作用下的爆裂与力学性能
1试验
1.1原材料
武汉亚东水泥有限公司生产P·O 42.5普通硅酸盐水泥，3 d抗压强度为27.3 MPa，3 d抗折强度6.0 MPa，28 d抗压强度为52.7 MPa，28 d抗折强度为9.1 MPa；武钢矿粉，比表面积为450 m2/kg；武汉阳逻辉虹牌Ⅱ级粉煤灰；武汉硅灰；武钢浩源FDN“ZG” 萘系高效减水剂；巴河河砂。
1.2水泥基材料试件制备
按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行试件的成型，养护和强度试验，养护龄期为60 d，达到龄期后静置72 h，以3个40 mm×40 mm×160 mm试件为1组进行高温爆裂试验。试件配比见表1。
1.3试验方法
爆裂试验研究了不同掺合料制备试件在不同温度作用下的爆裂程度，其中温度为100、300、600 ℃，保温时间2 h。爆裂试验模拟火灾作用时，掺加不同掺合料的试件在温度场急剧升温过程中的爆裂程度与力学性能，将不同掺合料制备的试件置于达到了预定温度的高温炉中，保温时间从试件置于预定温度场中开始计时。在保温过程中，根据爆裂声记录试件发生第1次爆裂的时间，受热30 min后，打开炉门观察试件的损伤情况；保温2 h后取出试件冷却至25 ℃，进行物理力学性能的测试。
XRD分析采用日本Rigaku（理学）公司D/Max-RB转靶X射线衍射仪析进行物相分析，试验衍射角为5～60°，扫描速率为10°/min。
SEM采用日本JSM-5610LV型扫描电子显微镜进行微观形貌分析。
2结果及讨论
2.1细骨料水泥基材料高温爆裂现象及机理
在室温至300 ℃的温度阶段，不同配比的试件瞬时暴露在100和300 ℃的2个目标温度场中，试件承受了内外温差75及275 ℃的温度梯度的作用。所有配合比试件在保温2 h后，外观依然完整，均未发生爆裂现象（图1、图2举例了不同组试件在100和300 ℃作用后的外观）。试件在100 ℃作用下，水化产物内部的自由水受热挥发脱附；在300 ℃作用下，试件内部凝胶水挥发脱逸[8]。
将试件瞬时暴露于600 ℃的温度中时，试件表面经历约575 ℃的温度梯度作用，所有试件在受火后5 min内均发生了爆裂，并伴随剧烈的爆炸声，保温30 min后，发现试件均为粉碎性爆裂（见图3）。在300～600 ℃的过程中，水泥基材料的变化可能为结构水的脱逸和SiO2的同质多相转化。其中，占水泥石质量6%～12%的Ca（OH）2在450 ℃左右发生脱水，使不同掺合料制备试件承受反应生成气体造成的体积膨胀，与此同时，C-S-H凝胶也发生了脱水分解，水泥石体积收缩，细骨料受热发生膨胀，导致材料内部孔结构承受较大的张应力；当温度升高至573 ℃时，β-SiO2转变为α-SiO2，又伴随了082%的体积膨胀，试件内部结构所承受的张应力进一部增加。当应力达到或超过试件的屈服强度时，试件发生爆裂[9]；此外，温度梯度产生的温度应力加剧了爆裂的发生[10]。