苗生龍 李慶濤 趙園園 胡海波 劉玉田

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院， 江蘇 徐州 221008； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

普通混凝土具有良好的工作及力學(xué)性能，在實際工程中被大量采用.火災(zāi)時，由于高溫作用，混凝土的各項性能都會出現(xiàn)劣化.混凝土的劈裂抗拉性能作為力學(xué)性能中的一個重要指標，對混凝土的抗開裂能力和耐久性能有較大影響，各國學(xué)者對常溫及高溫后混凝土的劈裂抗拉性能進行了不少研究，取得了一定的進展[1-5].

隨著材料復(fù)合化趨勢的進一步發(fā)展，在混凝土中添加其它材料成為人們研究的熱點.納米材料憑借其諸多優(yōu)勢，在混凝土中的應(yīng)用逐漸增多.納米材料尺寸為納米級別，具有許多特殊性能，如量子效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等.由于混凝土水化產(chǎn)物的尺寸基本也在納米級別，將納米材料加入混凝土中以改善混凝土的性能成為不少學(xué)者研究的重點.李固華[6]、高丹盈[7]通過試驗和微觀檢測手段研究了納米碳酸鈣(NC)對混凝土性能的影響，結(jié)果表明一定量NC 的添加可以提高混凝土的抗壓、劈裂抗拉等強度.周艷華[8]的研究表明，NC在一定摻量范圍內(nèi)時，對混凝土的早期強度，尤其是早期劈裂抗拉強度有較大的改善作用.錢匡亮，張津踐，錢曉倩，等[9]通過對不同NC 摻量的水泥基材料性能的研究發(fā)現(xiàn)，NC 降低了孔隙率，并使得微觀結(jié)構(gòu)得到改善，水泥漿體的強度也得到提高.CamilettiJ，SolimanAM，NehdiM L[10]的研究表明，NC填充了混凝土的部分孔隙和空隙，提高了密實度.

目前的研究多集中在常溫情況下，對NC混凝土高溫后劈裂抗拉性能方面的研究開展得不多.本文對不同NC摻量的混凝土進行了高溫后的劈裂抗拉試驗，研究了高溫后NC 混凝土的劈裂抗拉性能隨溫度、NC摻量及冷卻方式的變化規(guī)律.

1 試驗概況

1.1 材料及配合比

水泥：普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5；細骨料：潔凈的河砂，細度模數(shù)2.61，中砂；粗骨料：5～16mm級配良好的碎石；水：可飲用的潔凈自來水；減水劑：粉狀聚羧酸減水劑，減水率大于20%；NC：粒徑50 nm，含量大于98.5%.

按膠凝材料總量的0%、0.5%、1%、1.5%、2%和3%(編號依次為NC0、NC05、NC10、NC15、NC20和NC30)將NC 等量替代水泥配制NC 混凝土.NC混凝土配合比見表1.

表1 NC混凝土配合比 (單位：kg/m3)

1.2 試塊制備

劈裂抗拉試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體試塊，考慮不同的NC 摻量(0%、0.5%、1%、1.5%、2%和3%)、不同的受熱溫度(20℃、200℃、400℃、600℃和800℃)及不同的冷卻方式(自然冷卻、噴水冷卻)，制作54組，每組3塊，共計162塊混凝土試塊，于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d取出，在室內(nèi)干燥環(huán)境中靜置7d自然晾干后進行高溫試驗.

1.3 試驗方法及裝置

采用中國礦業(yè)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與材料實驗室設(shè)計的GWD-02A 型電爐對混凝土試塊進行加熱，電爐輸出功率18kW，最高加熱溫度1100℃，并通過溫度控制箱進行升溫、恒溫控制，如圖1所示.加熱時升溫速率為5℃/min，達到目標溫度后恒溫3h，然后分別對試塊進行自然冷卻和噴水冷卻.試塊冷卻完畢，在室內(nèi)靜置兩周后進行劈裂抗拉試驗.采用YAW-3000型電液伺服機進行加載，加載速率為0.5kN/s.

圖1 加熱設(shè)備

2 高溫現(xiàn)象

2.1 試塊表觀特征

混凝土經(jīng)歷高溫后，外觀特征如顏色、疏松程度等會發(fā)生變化，可以通過外觀觀察初步判斷其損傷程度.隨著受熱溫度的升高，混凝土表面顏色發(fā)生變化，裂縫逐漸增多、變粗，甚至貫通，試塊掉角現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)，疏松程度逐漸加劇.但不同NC 摻量混凝土高溫自然冷卻后試塊外觀特征變化情況差別不大，以NC05為例，自然冷卻12h后表觀特征詳見圖2、圖3和表2.所有混凝土試塊在高溫過程中均無爆裂現(xiàn)象發(fā)生.

圖2 不同溫度后NC05混凝土試塊顏色變化

圖3 高溫后NC05混凝土試塊裂縫圖

表2 試塊外觀特征總覽

經(jīng)歷800℃，采用自然冷卻方式的混凝土試塊在室內(nèi)靜置兩周后多數(shù)自行發(fā)生嚴重膨脹剝落現(xiàn)象(如圖4(a)所示)；采用噴水冷卻方式的試塊多數(shù)出現(xiàn)表層剝落、骨料外露等情況，表面變得凸凹不平(如圖4(b)所示).這兩種情況下由于試塊受損嚴重，影響試驗精度，對其劈裂抗拉強度不做測試.

圖4 800℃后試塊表觀變化

2.2 質(zhì)量損失率

混凝土在高溫受熱過程中質(zhì)量會出現(xiàn)損失，采用如下方法計算混凝土的質(zhì)量損失率：

式中：mi為混凝土高溫前的初始質(zhì)量；mn為混凝土高溫后的質(zhì)量；Δm為質(zhì)量損失率.

不同溫度后各NC 摻量混凝土的質(zhì)量損失率如圖5所示.從圖5可以看出，20℃～200℃時，混凝土的質(zhì)量損失幅度最大，質(zhì)量損失率在3.05% ～3.75%之間，這主要是由混凝土中自由水分的蒸發(fā)引起的[11]；200℃～400℃時，混凝土的質(zhì)量損失幅度略有降低，質(zhì)量損失率在4.84%～6.72%之間，在此溫度段混凝土中的其它水分(膠凝水、結(jié)合水)繼續(xù)散失[11]；400℃～600℃時，由于混凝土內(nèi)水分基本蒸發(fā)完畢，而混凝土材料尚未大量分解[12]，其質(zhì)量損失幅度最低，質(zhì)量損失率在6.84% ～7.91% 之間；600℃～800℃時，混凝土材料逐漸開始分解，導(dǎo)致其質(zhì)量損失幅度又有較大程度的提高[13]，質(zhì)量損失率在8.80%～9.88%之間.由此可見，各NC 摻量混凝土的質(zhì)量損失均隨溫度的增加而增加.

圖5 高溫后NC混凝土質(zhì)量損失率

3 結(jié)果分析

高溫后NC 混凝土劈裂抗拉強度的試驗結(jié)果見表3.

表3 NC混凝土高溫后劈裂抗拉強度 (單位：MPa)

3.1 溫度對劈裂抗拉強度的影響

圖6為NC 混凝土劈裂抗拉強度隨溫度升高的變化曲線.由圖6可以看出，兩種冷卻方式后，NC 混凝土的劈裂抗拉強度均隨溫度的升高出現(xiàn)不同程度的降低，且溫度越高，混凝土劈裂抗拉強度下降越多.溫度低于400℃時，混凝土內(nèi)部的各種水分逐漸散失，混凝土質(zhì)量出現(xiàn)一定程度的損失，造成混凝土孔隙率增大，內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，混凝土劈裂抗拉強度下降；400℃以后，混凝土內(nèi)部水分幾乎喪失殆盡，水化產(chǎn)物逐步分解，內(nèi)部裂隙進一步加大，大量裂縫隨之出現(xiàn)甚至貫通，混凝土出現(xiàn)明顯的損傷特征，劈裂抗拉強度顯著下降.

圖6 NC混凝土劈裂抗拉強度隨溫度變化曲線

3.2 NC摻量對劈裂抗拉強度的影響

圖7為混凝土劈裂抗拉強度與NC 摻量之間的關(guān)系.由圖7 可以看出，溫度相同時，兩種冷卻方式后，混凝土的劈裂抗拉強度基本上隨NC 摻量的增加先升高而后降低.

圖7 NC摻量與混凝土劈裂抗拉強度關(guān)系

不同NC 摻量的混凝土的劈裂抗拉強度與未摻加NC的混凝土的劈裂抗拉強度，在相同條件下的對比情況見表4.

表4 不同NC摻量混凝土與NC0劈裂抗拉強度的對比(%)

由表4數(shù)據(jù)可知，混凝土中NC摻量為0.5%時，相同溫度及冷卻方式后，其劈裂抗拉強度均較未摻加NC的混凝土有所提高，且相較于其它NC 摻量的混凝土，其對劈裂抗拉強度的提高幅度最大.結(jié)合圖7及表4可知，兩種冷卻方式下，混凝土中NC 的適宜摻量均為0.5%.

已有的微觀研究成果表明[14-18]：混凝土中加入適量NC后，NC填充于水泥石內(nèi)部的孔隙中，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土的基體組織更加致密，提高了混凝土的密實度，同時NC 也參與了水化反應(yīng)，與水化產(chǎn)物水化硅酸鈣鍵合，形成了更加緊密的結(jié)構(gòu).但若摻量過多，NC 分散難度增大，分散效果不佳，同時由于水泥用量減少，反而影響了混凝土強度的提高.

3.3 冷卻方式對劈裂抗拉強度的影響

NC混凝土經(jīng)歷高溫后，不同的冷卻方式對其劈裂抗拉性能會產(chǎn)生不同的影響.以NC05為例，自然冷卻和噴水冷卻后劈裂抗拉強度的對比如圖8所示.

圖8 不同冷卻方式后NC05混凝土劈裂抗拉強度對比

由圖8可以看出，200℃、400℃和600℃后，NC05混凝土噴水冷卻后的劈裂抗拉強度分別較自然冷卻后的劈裂抗拉強度提高12.7%、15.0%和69.9%.由此可見，高溫采用噴水冷卻方式并靜置一段時間后(兩周)，NC混凝土的劈裂抗拉強度多數(shù)有一定程度的提高，且受熱溫度越高(400℃以上)，噴水冷卻后混凝土的劈裂抗拉強度較自然冷卻提高幅度越大.之所以出現(xiàn)這種情況，主要原因是：400℃以上時，混凝土中的結(jié)晶水等逐漸喪失，水化產(chǎn)物也開始分解，使得自然冷卻后混凝土的劈裂抗拉強度降低.但采用噴水冷卻方式的混凝土由于水分的進入，為混凝土的再次水化提供了條件，混凝土內(nèi)部可能重新生成新的水化產(chǎn)物，強度得到一定程度的恢復(fù).同時，溫度越高，混凝土水化產(chǎn)物分解的比例越高，自然冷卻后混凝土的劈裂抗拉強度就越低，而噴水冷卻后由于水化過程的再次出現(xiàn)，使得混凝土劈裂抗拉強度的恢復(fù)程度越高.