申海洋，刘凌晖，任磊
(1. 山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619；
2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；
3. 裕祥建设工程股份有限公司，山西 太原 034000)
当前，由于火灾事故频发，给建筑消防领域带来严重的安全隐患。因此，建筑物的抗火设计逐渐成为结构设计中最为重要的环节。混凝土作为当前建筑领域应用最为广泛的材料之一，对其在高温火灾中的反应进行研究已成为众多专家学者的研究热点[1-2]。苗生龙等[3]通过研究高温作用下混凝土的力学性能，发现混凝土经历相同温度情况下，高温时龄期越早，强度越低。孟龙等[4]研究了不同强度的混凝土在高温环境中的动态劈拉性能，结果表明：混凝土的动态劈裂强度温度敏感性随应力率的增加逐渐减小；
同时，随着混凝土强度的增加，其温度敏感性变小，但动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。宋宝峰等[5]研究了火灾高温环境中混凝土的力学性能和耐火性特征，结果表明：由于混凝土内部高温裂解效应，其残余强度随温度升高存在明显劣化效应。陶粒是由工业废弃物制成的具有轻质、密度小、保温及耐火性好的骨料。将其掺入混凝土中制备成陶粒混凝土(即轻骨料混凝土)，能有效降低对资源的浪费并减少对环境的污染。相对于普通混凝土，轻骨料混凝土具有轻质、高强且耐火性强等特点，符合当下可持续发展的要求，目前已被广泛应用于大跨度和高层建筑中[6-10]。蒋玉川等[11-12]对页岩陶粒轻骨料混凝土在火灾高温环境中的性能特征展开了系列研究，发现随着温度升高，轻骨料混凝土相对残余抗压强度呈下降趋势，并由此得出了抗压强度与温度之间的关系式。然而，针对轻骨料混凝土在高温作用下的静态和动态力学性能以及内部损伤情况的研究则鲜有报道。本文考虑用陶粒替代部分粗骨料制备轻骨料混凝土，探索在不同温度的高温作用分别对轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、动态压缩性能、质量和相对动弹性模量的影响规律，以期为后续工程实践提供依据。
1.1 材料配比
参考文献[13]，材料按如下方案选取：水泥，采用普通硅酸盐水泥(PO 42.5)作为主要胶凝材料；
石子，采用5～20 mm粒径范围；
砂子，采用天然河砂(中砂)，细度模数为2.65；
页岩陶粒的主要物理参数见表1；
减水剂，采用HPWR型高性能减水剂，减水率为37%；
水，干净无污染的自来水。
表1 陶粒参数Table 1 Parameters of ceramsite
本文轻骨料混凝土配合比设计依据 JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中相关规定进行，设置4个轻骨料掺量梯度，分别为15%，30%，45%和60%，具体配合比设计如表2所示。同时，为防止在搅拌中轻骨料易吸收水分从而影响和易性的现象，在实验前对轻骨料进行吸水处理2 h，使用前骨料表面达到饱和面干状态[14]。
表2 轻骨料混凝土配合比Table 2 Mix ratio of lightweight aggregate concrete kg/m3
1.2 试件制备及试验过程
用于抗压强度和劈裂抗拉强度试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；
用于动态压缩性能试验的试件尺寸为直径74 mm，高度37 mm。试验前，将试件放入室温为(20±2) ℃的不流动饱和氢氧化钙溶液中养护28 d。为减少饱和氢氧化钙溶液养护造成试件内部吸附的水分，采用(105±5) ℃烘箱提前烘干试件24 h。
高温试验采用箱式电阻炉(图1(a))进行，加热速率为10 ℃/min，高温试验温度分别为200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃。为保证试件内部温度与炉温度一致，达到目标温度后恒温3 h，然后停止加热，让试件在炉内自然降温。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中相关规定，运用WAW-2000电液伺服万能试验机进行抗压强度和劈裂抗拉强度试验；
采用Φ74 mm变截面分离式霍普金森压杆(图1(b))装置进行动态压缩性能试验，该装置撞击杆直径为37 mm，长度为0.6 m，入射杆和透射杆长度分别为3.20 m和1.80 m。
2.1 质量
不同轻骨料掺量条件下，试件质量随温度变化的曲线如图2(a)所示，相应的质量损失率曲线如图2(b)所示。
由图2分析可知，随着轻骨料掺量的增加，试件质量逐渐降低，这主要是因为陶粒相较于石子质量更轻，使得混凝土试件质量降低；
另一方面，随着温度的升高，各组试件质量均逐渐降低且在不同的温度作用下质量降幅不同。在20 ℃作用下，C-1～C-4组 质 量 分 别 为2.186，2.166，2.136和2.117 kg；
当温度提升到200 ℃时，C-1～C-4组试件质量分别下降1.46%，1.89%，1.83%和2.36%，整体上质量损失率均在2.5%以内；
随着温度继续提升，质量损失逐渐加速；
当温度为800 ℃时，C-1～C-4组质量分别为1.937，1.885，1.839和1.777 kg，相较于20 ℃时，各组试件质量分别下降11.39%，12.97%，13.9%和16.06%，其主要原因是：试件内部水分的完全蒸发导致水泥凝胶体收缩。当温度继续升高时，水泥水化产物将发生分解，从而导致试件质量受到损失。
利用MATLAB的多元回归模块对高温作用下轻骨料混凝土质量变化进行多项式曲面公式拟合，结果如式(1)所示：
式中：m为混凝土质量，kg；
x为轻骨料掺量，%；
y为温度，℃；
R2为决定系数。
2.2 抗压强度
不同轻骨料掺量条件下，试件抗压强度与温度的关系曲线如图3(a)所示，相应的抗压强度损失率曲线如图3(b)所示。
由图3分析可知，在常温状态下，随着轻骨料掺量的增加，试件抗压强度先增加后降低，C-1～C-4组试件抗压强度分别为35.9，36.8，33.5和30.8 MPa，这表明适量的轻骨料掺入混凝土中有利于提升其抗压强度。这主要是由于轻骨料能够填充试件内部的空隙，使得混凝土内部更加紧密。当温度为200 ℃时，各组试件的抗压强度相较于常温状态下有所提升，C-1～C-4组试件抗压强度分别为37.2，39.5，34.1和31.2 MPa，相较于常温状态下增幅分别为3.62%，7.34%，1.79%和1.3%，温度越高，抗压强度下降速率越快。当温度为800 ℃时，C-1～C-4组试件抗压强度分别为16.5，18.2，10.5和5.6 MPa，相较于常温状态下抗压强度分别下降54.04%，50.54%，68.66%和81.82%。
综上所述，在应用轻骨料混凝土时，若仅从混凝土的抗压强度角度考虑，建议轻骨料掺量在30%左右。
利用MATLAB的多元回归模块对高温作用下轻骨料混凝土抗压强度变化进行了多项式曲面公式拟合，结果如式(2)所示：
式中：fc为混凝土抗压强度，MPa；
x为轻骨料掺量，%；
y为温度，℃；
R2为决定系数。
2.3 劈裂抗拉强度
不同轻骨料掺量条件下，试件劈裂抗拉强度与温度的关系曲线如图4(a)所示，相应的劈裂抗拉强度损失率曲线如图4(b)所示。
由图4分析可知，在常温状态下，C-1～C-4组试件劈裂抗拉强度分别为4.6，4.75，4.53和4.36 MPa，这表明在常温状态下，轻骨料对混凝土劈裂抗拉强度在一定掺量范围内有一定提升。当温度为200 ℃时，各组轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度稍有提升，各组试件的劈裂抗拉强度增幅分别为3.7%，4.42%，2.65%和1.15%，这主要是由于高温作用促使了混凝土发生二次水化作用[15]。随着温度的继续升高，轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度逐渐降低，且温度高于200 ℃之后，各组试件的劈裂抗拉强度下降速率迅速增加。当温度为800 ℃时，C-1～C-4组试件劈裂抗拉强度分别为1.97，2.31，1.82和1.32 MPa，相较于常温状态下，劈裂抗拉强度分别降低57.17%，51.37%，59.82%和69.72%。
综上所述，在应用轻骨料混凝土时，若仅从混凝土的劈裂抗拉强度角度考虑，同样建议取轻骨料掺量为30%左右。
利用MATLAB的多元回归模块对高温作用下轻骨料混凝土劈裂抗拉强度变化进行了多项式曲面公式拟合，结果如式(3)所示：
式中：fu为混凝土劈裂抗拉强度，MPa；
x为轻骨料掺量，%；
y为温度，℃；
R2为决定系数。
2.4 相对动弹性模量
通过相对动弹性模量表示混凝土内部的损伤程度，从而评定混凝土的劣化程度[16]。基于超声波测定仪测试声波声速法计算相对动弹性模量，计算方法如式(4)所示。
式中：E表示试件的相对动弹性模量；
V0表示20 ℃时试件的超声波声速，km/；
Vn表示温度为n ℃试件的超声波声速，km/s。
计算得到的试件相对动弹性模量与轻骨料掺量和不同温度作用下的关系如图5所示。
从图5可知，各组轻骨料混凝土的相对动弹性模量在200 ℃以内均高于1，表明在200 ℃以内试件内部未受损失。随着温度升高，水泥水化反应和火山灰反应相互促进，发生二次水化作用，使得试件内部孔隙变小，相对动弹性模量迅速下降。当温度为800 ℃时，C-1～C-4组试件相对动弹性模量分别为0.596 3，0.637 6，0.572 6和0.513 8。此时，轻骨料混凝土的内部损失已经非常严重，这与抗压强度和劈裂抗拉强度的测试结果基本一致。
利用MATLAB的多元回归模块对高温作用下轻骨料混凝土相对动弹性模量变化进行多项式曲面公式拟合，结果如式(5)所示：
式中：E为相对动弹性模量；
x为轻骨料掺量，%；
y为温度，℃；
R2为决定系数。
2.5 动态压缩强度
各组试件在不同温度作用和不同加载气压下的动态压缩强度如图6所示。
由图6可以看出：随着加载气压的增加，各组试件的动态压缩强度逐渐增加；
随着轻骨料掺量和温度的升高，动态压缩强度先增长后降低，例如，在0.3 MPa加载气压条件下，当温度分别为20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃时，C-2组试件动态压缩强度分别为37.3，39.7，36.0，32.3，32.3和21.1 MPa。
综合各组试件在不同温度和不同加载气压下的动态压缩强度表现可知：当轻骨料掺量为30%时，高温作用下各试件经受动态压缩性能试验效果最佳。
2.6 动态压缩应力-应变曲线
以C-2组试件在不同温度和不同加载气压下的动态压缩应力-应变曲线为例进行分析，如图7所示。
由图7可以看出：在不同温度作用下试件呈现较为明显的脆性破坏。在0.3 MPa的加载气压下，试件的峰值应力变化不大，这是由于在动态压缩应力较小时，试件塑性变形较小；
在0.4 MPa和0.5 MPa的加载气压下，试件的峰值应力随着加载应变率的增高而增高，表现出一定的应变率效应，这对火灾高温环境下轻骨料混凝土的工程应用有一定的参考价值。
1) 随着轻骨料掺量和温度的升高，试件质量逐渐降低，且温度越高，质量下降速率加快。相对于常温状态，当温度为800 ℃时，轻骨料掺量分别为15%，30%，45%和60%的4组试件质量分别降低11.39%，12.97%，13.9%和16.06%。
2) 高温作用显著降低轻骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。相对于常温状态，当温度为800 ℃时，轻骨料掺量分别为15%，30%，45%和60%的4组试件抗压强度损失率分别为54.04%，50.54%，68.66%和81.82%；
劈裂抗拉强度损失率分别为57.17%，51.37%，59.82%和69.72%。
3) 若仅从火灾高温环境下轻骨料混凝土的强度角度考虑，建议轻骨料掺量为30%左右。
4) 高温作用在初始阶段改善了轻骨料混凝土内部微观结构，促进了火山灰及水泥的水化反应；
但温度的继续升高加剧强度的损失。其原因是：高温作用使胶凝结构内部较为疏松分散，水泥石和轻骨料的黏结强度有所降低，水泥石裂纹逐渐扩张发展。
5) 各组试件的动态压缩性能试验结果与静态抗压强度试验结果较为一致，验证了试验结果的可靠性；
同时，由于试件呈现较为明显的脆性破坏，表现出一定的应变率效应。