超高性能混凝土高温后动态劈裂抗拉性能

陈猛，冯珺，张通; CHEN Meng; Feng Jun; ZHANG Tong

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超高性能混凝土高温后动态劈裂抗拉性能 PDF

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陈猛 ^1,2
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冯珺 ¹
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张通 ¹
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1. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819； 2. 东北大学低碳钢铁前沿技术研究院，辽宁沈阳 110819

中图分类号： TU528.572

最近更新：2025-02-26

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2025.02.004

摘要

为了研究高温和应变率对超高性能混凝土（UHPC）劈裂抗拉性能的影响，对不同温度（20、105、200、300、400 ℃）作用后UHPC的质量损失率、抗压强度、弹性模量、静态和动态（应变率为1.8~6.8 s^-1）劈裂抗拉强度进行了测试. 结果表明：以2~10 ℃/min的加热速率升温至400 ℃后，所有试件均在保温期间发生爆裂性剥落；UHPC的抗压强度、弹性模量、静态劈裂抗拉强度均随温度增大而提高，300 ℃作用后比常温时分别提高了13.2%、19.1%和17.3%；动态劈裂抗拉强度和耗散能均具有明显的应变率效应，当应变率从1.8~2.2 s^-1增加到6.3~6.8 s^-1时，20~300 ℃作用后的UHPC动态劈裂抗拉强度和耗散能分别提高了69.1%~74.1%和146.7%~177.6%；高温作用后UHPC中C‑S‑H表面的吸附水、孔隙内自由水和凝胶结合水先后分解，增大了试件的质量损失率；基体内高温和高压环境促进了水泥水化反应和硅灰火山灰反应，提升了UHPC的致密程度，增强了钢纤维的桥连作用；在冲击荷载作用下，基体开裂速度的加快和由钢纤维拔出所致基体摩擦效应的增强导致耗散能增大.

关键词

超高性能混凝土; 高温; 动态劈裂抗拉; 力学性能; 爆裂性剥落

超高性能混凝土（UHPC）在火灾或高温后易发生爆裂破坏，主要原因是UHPC基体致密难以释放孔隙蒸汽压力，同时各组分存在热不相容性，会导致高温后基体内产生裂纹损伤^［

1］. 基体配合比、升温速率和作用温度是影响高温剥落损伤的主要因素.Li等^{［参考文献 2

百度学术}2］对钢纤维体积分数φ_SF为1.0%~3.0%的UHPC试件以1 ℃/min的升温速率进行加热，所有试件均在200 ℃下保温10 h过程中发生爆裂性剥落. Sanchayan等^{［参考文献 3

百度学术}3］对φ_SF=2.0%的UHPC试件以5 ℃/min的升温速率加热，试件在400 ℃下保温20 min时发生了爆裂性剥落. Hou等^{［参考文献 4

百度学术}4］研究表明：UHPC的抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度随温度升高出现先增大后减小的趋势；抗压强度和劈裂抗拉强度在300 ℃时达到峰值，较常温下分别提高了24.0%和20.0%；弹性模量在120 ℃作用后较常温下提高了0.4%，在300、400 ℃作用后分别比常温下降低了0.4%、32.0%. Liang等^{［参考文献 5

百度学术}5］研究发现，φ_SF=2.0%的UHPC抗压强度在120、300 ℃作用后分别比常温下提高了5.5%和2.5%. 现有研究主要关注UHPC高温后的静态力学性能，而应变率对UHPC高温后力学性能的影响仍需进行试验研究和机理分析.

本文对钢纤维体积分数φ_SF=2.0%的UHPC试件进行高温剥落试验，设置升温速率为2、4、10 ℃/min，对20、105、200、300 ℃作用后的试件进行质量损失率、抗压强度、弹性模量、静态和动态劈裂抗拉强度测试，结合微观分析和现有理论研究温度和应变率对UHPC相关性能的作用机理.

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥为P $\cdot$ Ⅱ 52.5硅酸盐水泥，化学组成（质量分数，文中涉及的组成、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比）见表1.硅灰的比表面积为15~27 m²/kg.采用相对密度为2.65的石英砂作为细骨料. 水泥、硅灰、石英砂的粒径分布见图1.减水剂采用聚羧酸高效减水剂.钢纤维的物理及力学性能见表2. UHPC的水胶比为0.18，钢纤维体积分数φ_SF=2.0%，其余配合比见表3.

表 1 水泥的化学组成

Table 1 Chemical composition（by mass） of cement ( Unit：% )

CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	SO₃	K₂O	TiO₂	IL
67.88	19.56	4.48	2.94	1.36	2.52	0.75	0.18	0.33

图 1 原材料的粒径分布

Fig.1 Particle distribution of raw materials

表 2 钢纤维的物理及力学性能

Table 2 Physical and mechanical properties of steel fibers

Length/mm	Diameter/mm	Density/(kg $\cdot$ m^-3)	Strength/MPa	Elastic modulus/GPa
13	0.2	7 850	2 000	220

表 3 UHPC的配合比

Table 3 Mix proportion of UHPC ( Unit：kg

/

m³ )

Cement	Silica fume	Sand	Water	Superplasticizer	Steel fiber
788	200	1 100	182	21	156

1.2 试件制备

首先按照配合比将水泥、硅灰和细骨料放入搅拌机中干拌2 min，然后倒入称量好的水和减水剂搅拌2 min，最后缓慢加入钢纤维，继续搅拌至钢纤维均匀分散.将搅拌完成的浆料装入模具中，振捣至表面浮浆泛起后用保鲜膜密封，静置24 h后脱模，在（20±2）℃、相对湿度95%以上的标准养护环境中养护至28 d.

1.3 测试方法

在升温前先将试件放入烘箱内在（105±5）℃下烘干24 h，采用2、4、10 ℃/min的升温速率对直径100 mm、高度50 mm的圆柱体试件进行加热，高温剥落试验目标温度为105、200、300、400 ℃.达到目标温度后保温2 h，观察试件损伤状态.自然冷却至室温后进行力学性能测试.利用X射线衍射仪（XRD）进行物相分析，通过手持显微镜观测不同温度作用后UHPC基体与钢纤维界面处的形貌.依据GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》，使用100 kN微机控制万能试验机对尺寸为40 mm×40 mm×40 mm的立方体试件进行抗压试验，加载速率为2.4 kN/s.根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对直径100 mm、高度200 mm的圆柱体试件进行弹性模量测试.静态和动态劈裂抗拉试验均选用直径100 mm、高度50 mm的圆柱体试件.静态劈裂抗拉强度 $f_{s}$ 通过公式计算^［

6］.采用分离式霍普金森杆（SHPB）试验装置（见图2）对UHPC试件进行动态劈裂抗拉试验.使用手持显微镜观测试件断裂后钢纤维的形貌.SHPB试验装置主要由撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆组成，在入射杆及透射杆上分别粘贴应变片，并根据公式^{［参考文献 6

百度学术}6］计算动态劈裂抗拉强度

f_{d}

和应变率

\dot{ε}

图 2 分离式霍普金森杆试验装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of SHPB testing system（size：mm）

2 结果与讨论

2.1 高温剥落现象和质量损失率

表4为不同升温速率下UHPC发生高温剥落的试件数量，其中N表示试件总数，N_S表示发生非爆裂性剥落的试件数，N_E表示发生爆裂性剥落的试件数.图3为不同升温速率下400 ℃时UHPC试件的高温爆裂实物图.结合表4和图3可见，当升温速率为2 ℃/min时，加热至300 ℃后有2个试件出现轻微的非爆裂性剥落，加热至400 ℃后所有试件均在保温过程中（23~27 min）发生爆裂性剥落；当升温速率为4 ℃/min时，加热至300 ℃后有3个试件发生非爆裂性剥落，且剥落程度强于2 ℃/min时，加热至400 ℃后所有试件均在保温过程中（15~21 min）发生爆裂性剥落；当升温速率为10 ℃/min时，加热至200 ℃后有2个试件出现了轻微的非爆裂性剥落，加热至300 ℃后所有试件均出现了较强的非爆裂性剥落，加热至400 ℃后所有试件均在保温过程中（5~11 min）发生爆裂性剥落.

表 4 不同升温速率下UHPC发生高温剥落的试件数量

Table 4 Number of spalling UHPC specimens at different heating rates

Temperature/℃	2 ℃/min			4 ℃/min			10 ℃/min
Temperature/℃	N	$N_{s}$	$N_{E}$	N	$N_{s}$	$N_{E}$	N	$N_{s}$	$N_{E}$
105	6	0	0	6	0	0	6	0	0
200	6	0	0	6	0	0	6	2	0
300	6	2	0	6	3	0	6	6	0
400	6	0	6	6	0	6	6	0	6

图3 不同升温速率下400 ℃时UHPC试件的高温爆裂实物图

Fig.3 Morphology of explosive spalling of UHPC specimen at 400 ℃ with different heating rates

综上，当升温速率较小时，UHPC内孔隙蒸汽压力较均匀地分布在试件中部，温度梯度较低且随温度升高变化幅度较小；当孔隙蒸汽压力积聚产生的拉应力超过UHPC极限抗拉强度后，试件发生程度较轻的爆裂性剥落^［

7］；较高的升温速率导致UHPC内水分蒸发产生的孔隙蒸汽压力迅速增大且集中分布在试件表层^{［参考文献 8

百度学术}8］，试件内部的温度梯度产生了较大的温度应力并从试件表层向中心逐渐扩大，当温度梯度引起的应力远超孔隙蒸汽压力引起的拉应力后，试件发生严重的爆裂性剥落^{［参考文献 9

百度学术}9］. 同时，UHPC各组成材料的热不相容性容易导致升温过程中在接触界面处产生微裂纹^{［参考文献 10

百度学术}10］，影响剥落速度和程度. 结合高温剥落试验结果，采用2 ℃/min的升温速率对UHPC试件进行升温处理，目标温度设定为105、200、300 ℃.

图4为105、200、300 ℃作用后UHPC试件的质量损失率.由图4可见，UHPC质量损失率随温度升高而增大，此变化趋势与以往研究趋势相似^［

3，11］.因在高温试验前的准备阶段试件经过烘干处理，毛细孔内的自由水和凝胶颗粒表面的吸附水已经部分蒸发，故在105 ℃时的质量损失率较低.已有研究表明150 ℃时UHPC内的自由水基本完全蒸发，同时105 ℃后水化硅酸钙（C‑S‑H）随温度升高而不断分解释放出化学结合水^{［参考文献 12

百度学术}12］，因此当温度为200、300 ℃时，基体内的自由水已完全消失，质量损失主要来源于化学结合水的蒸发^{［参考文献 13

百度学术}13］，而化学结合水蒸发速率随温度升高而加快.

图 4 UHPC试件的质量损失率

Fig.4 Mass loss rate of UHPC specimens

2.2 抗压强度和弹性模量

图5为不同温度下UHPC的抗压强度和弹性模量.由图5可见，UHPC试件的抗压强度和弹性模量均随温度升高而增大，与20 ℃时相比，105、200、300 ℃作用后试件的抗压强度分别提高了5.9%、10.5%、13.2%，弹性模量分别提高了4.3%、12.8%、19.1%. 这是因为：（1）高温作用下UHPC基体的孔隙蒸汽压力形成了高温高压的养护环境^［

14］，未参与火山灰反应的硅灰与Ca（OH）₂继续反应生成新的C‑S‑H凝胶，进一步增大了UHPC的均质性和致密程度^{［参考文献 15

百度学术}15］.（2）此外，试件内凝胶颗粒表面的吸附水在70 ℃时开始蒸发，吸附水的相变提高了颗粒表面的干燥程度，增强了颗粒间的范德华力，进而提升了UHPC的抗压强度^{［参考文献 3

百度学术}3，12］.（3）密实的基体增强了对钢纤维的握裹能力，钢纤维可有效抑制基体裂缝的产生并延缓裂缝发展^{［参考文献 4

百度学术}4］，减小压缩荷载作用下试件的变形^{［参考文献 6

百度学术}6］，从而提升UHPC的抗压强度和弹性模量.

图 5 不同温度下UHPC试件的抗压强度和弹性模量

Fig.5 Compressive strength and elastic modulus of UHPC specimens at different temperatures

2.3 静态劈裂抗拉强度

图6为不同温度下UHPC试件的静态劈裂抗拉强度.由图6可见，105、200、300 ℃作用后试件的静态劈裂抗拉强度比20 ℃时分别提高了1.2%、8.8%和17.3%.其原因与UHPC抗压强度与弹性模量增大的机理类似.另外，在劈裂抗拉荷载作用下试件出现主裂纹，裂纹处的钢纤维从基体中拔出，可消耗能量并延缓裂纹扩展^［

16］，最终出现一端脱离基体或者整体桥连裂纹的损伤状态，见图7.

图 6 不同温度下UHPC试件的静态劈裂抗拉强度

Fig.6 Static splitting tensile strength of UHPC specimens at different temperatures

图 7 主裂纹处钢纤维的微观形貌

Fig.7 Microscopic morphology of steel fibers at the major crack

2.4 动态劈裂抗拉性能

2.4.1 破坏形态

不同温度和应变率下的UHPC试件在动态劈裂抗拉荷载下的破坏形态见表5.由表5可见：沿冲击载荷方向出现贯穿试件中心的主裂纹，主裂纹的宽度随着应变率的增大而增大；在加载点（即试件与入射杆和透射杆的接触点）处出现了三角形破坏，这是由于局部压力产生了应力集中^［

17］；三角形破坏区的面积随应变率增大而增大，是由于冲击荷载的能量转化为主裂纹和加载点附近的断裂损伤^{［参考文献 18

百度学术}18］；相近应变率下试件的损伤程度随温度升高略有减小，表明300 ℃之内的高温作用缓解了UHPC的动态劈裂抗拉损伤^{［参考文献 16

百度学术}16］.

表 5 不同温度和应变率下UHPC试件的破坏形态

Table 5 Failure patterns of UHPC specimens at different temperatures and strain rates

Temperature/℃	1.8-2.2 s^-1	3.4-3.7 s^-1	4.9-5.2 s^-1	6.3-6.8 s^-1
20
105
200
300

2.4.2 应力-时程曲线

不同温度作用后UHPC在应变率为1.8~6.8 s^-1时的应力-时程曲线如图8所示，曲线可分为峰值前的近似线性上升阶段和峰值后的波动下降阶段，曲线的峰值即为UHPC的动态劈裂抗拉强度.由图8可见：曲线上升阶段动态劈裂抗拉应力逐渐增大，此时钢纤维与基体协同发挥作用共同抵抗冲击荷载，直至试件达到弹性极限时沿载荷方向出现主裂纹^［

19］，同时，随着应变率的增加曲线上升阶段到达峰值的时间缩短；达到峰值应力后，钢纤维随主裂纹扩大而逐渐拔出基体，脱离基体的钢纤维丧失桥连作用，劈裂抗拉应力降低；冲击荷载下钢纤维从基体中拔出的摩擦作用增强，桥连在裂纹处的钢纤维有利于控制裂纹的扩展并耗散冲击能量，因此曲线下降阶段出现多重波动^{［参考文献 16

百度学术}16］.

图 8 不同温度和应变率下UHPC试件的应力-时程曲线

Fig.8 Stress‑time curves of UHPC specimens at different temperatures and strain rates

2.4.3 动态劈裂抗拉强度

图9为不同温度和应变率下UHPC试件的动态劈裂抗拉强度.由图9可见，经历相同温度作用后，UHPC试件的动态劈裂抗拉强度随应变率增大而升高，当应变率从1.8~2.2 s^-1增加到6.3~6.8 s^-1时，20、105、200、300 ℃作用后UHPC试件的动态劈裂抗拉强度分别提高了69.1%、74.1%、70.8%和69.1%.即不同温度作用后UHPC的动态劈裂抗拉强度均具有明显的应变率效应，这与高温对UHPC基体的强化效应（见2.2）、钢纤维与基体的相互作用直接相关.冲击荷载作用下UHPC劈裂抗拉主裂纹迅速开展，基体握裹钢纤维能力更强^［

17］，提升了UHPC的抗拉性能.

图 9 不同温度和应变率下UHPC试件的动态劈裂抗拉强度

Fig.9 Dynamic splitting strength of UHPC specimens at different temperatures and strain rates

动态增强因子（DIF）为动态劈裂抗拉强度与静态劈裂抗拉强度的比值.不同温度和应变率下UHPC试件的DIF值见图10.由图10可见，相同温度作用后DIF随应变率增加而增大，当应变率为1.8~6.8 s^-1时，20、105、200、300 ℃作用后试件的DIF分别为1.05~1.17、1.33~1.53、1.47~1.77和1.77~1.98. 表明在300 ℃范围内温度对DIF具有显著影响.主要原因是高温作用后的UHPC动态劈裂抗拉强度具有应变率效应，即高温作用对UHPC的动态劈裂抗拉强度提升效果更显著^［

16］.

图 10 不同温度和应变率下UHPC试件的DIF值

Fig.10 DIF values of UHPC specimens at different temperatures and strain rates

2.4.4 耗散能

图11为不同温度和应变率下UHPC试件的耗散能.由图11可见，当应变率从1.8~2.2 s^-1增加到6.3~6.8 s^-1时，20、105、200、300 ℃作用后UHPC试件的耗散能分别提高了177.6%、154.1%、146.7%、152.4%.动态劈裂抗拉荷载作用下试件端部受压区的三角形损伤、沿中心主裂纹的产生和扩展、钢纤维与基体的摩擦以及钢纤维变形是能量耗散的主要原因^［

20］.应变率增大后基体开裂和钢纤维拔出速度增大，能够消耗更多能量^{［参考文献 17

百度学术}17］.

图 11 不同温度和应变率下UHPC试件的耗散能

Fig.11 Dissipated energy of UHPC specimens at different temperatures and strain rates

3 作用机理分析

图12展示了高温和应变率对UHPC劈裂抗拉性能的作用机理.图13给出了不同温度下UHPC的XRD图谱.图14为不同温度作用后UHPC与基体钢纤维界面图像.结合图12~14可得：

图 12 高温和应变率对UHPC劈裂抗拉性能的作用机理

Fig.12 Mechanism of high temperature and strain rate on the splitting tensile properties of UHPC

图 13 不同温度下UHPC的XRD图谱

Fig.13 XRD spectra of UHPC at different temperatures

图 14 不同温度作用后UHPC基体与钢纤维界面图像

Fig.14 Images of UHPC matrix and steel fiber interfaces exposed to different temperatures

（1）当温度为20~105 ℃时，只有毛细孔间的自由水和水化产物凝胶颗粒表面的吸附水蒸发，且高温试验前试件经烘干处理，部分自由水已经蒸发，因此温度为105 ℃时UHPC试件的质量损失率仅为0.42%.C‑S‑H凝胶在熟料颗粒间可发挥桥连作用填充孔隙与微裂纹，使UHPC基体堆积更紧密^［

17］.在冲击荷载作用下，试件呈现典型的动态劈裂破坏模式.图14 （a）中钢纤维表面附着基体碎片且出现划痕，这表明：一方面，钢纤维与基体有效黏结可发挥桥连作用将应力传递给周围的基体；另一方面，钢纤维还可能脱黏从UHPC基体中拔出而消耗能量^{［参考文献 17

百度学术}17］.此外，钢纤维在UHPC基体内部杂乱分布可构成三维骨架，并与UHPC基体共同承受冲击荷载，约束UHPC变形并抑制裂纹的扩展^{［参考文献 20

百度学术}20］.

（2）当温度为105~300 ℃时，凝胶颗粒分解释放出化学结合水，水分蒸发速率随温度升高而加快，因此当温度为200、300 ℃时试件质量损失率分别达到了1.34%、4.23%.水泥的水化反应和硅灰的火山灰反应继续生成C‑S‑H凝胶^［

13］，这与图13中C‑S‑H衍射峰值随温度升高而增大的结果一致.凝胶颗粒增多提升了UHPC基体的致密性，增强了钢纤维与基体间的黏结性能^{［参考文献 2

百度学术}2］.抗压强度、弹性模量和静态劈裂抗拉强度比常温时分别提升了5.9%~13.2%、4.3%~19.1%和1.2%~17.3%.随着应变率的增大，基体开裂和钢纤维拔出都需要消耗更多能量^{［参考文献 17

百度学术}17］，因此当应变率从1.8~2.2 s^-1增长到6.3~6.8 s^-1时，105、200、300 ℃时UHPC试件的动态劈裂抗拉强度和耗散能分别提高了69.1%~74.1%、146.7%~154.1%.此时由于钢纤维热膨胀系数远大于混凝土热膨胀系数^{［参考文献 11

百度学术}11］，钢纤维受热膨胀后在钢纤维与基体间产生拉应力导致界面处出现微裂纹，见图14（b）.

（3）当温度达到400 ℃时，Ca（OH）₂开始分解为CaO和水^［

6］，这与图13所示XRD图谱中400 ℃时Ca（OH）₂衍射峰值降低的结果一致.C‑S‑H凝胶继续分解^{［参考文献 14

百度学术}14］，基体抗拉强度不断降低.受热不相容性影响，钢纤维热膨胀程度随温度升高而增大^{［参考文献 21

百度学术}21］，钢纤维与基体间的黏结强度降低，微裂纹不断扩展（见图14（c）），钢纤维桥连作用减弱^{［参考文献 11

百度学术}11］.由于孔隙蒸汽压力和温度梯度产生的拉应力超过UHPC基体的极限抗拉强度，试件发生爆裂性剥落^{［参考文献 3

百度学术}3］.另外，升温速率影响孔隙蒸汽压力的累积速率，随着升温速率的增加，自由水、吸附水和分解后的化学结合水蒸发速率加快，而UHPC致密的基体会阻碍水分迁移，导致孔隙蒸汽压力快速积聚并超过基体的极限拉应力^{［参考文献 22

百度学术}22］，因此UHPC在较高升温速率（4、10 ℃/min）下更易发生爆裂性剥落^{［参考文献 8

百度学术}8］（见2.1） .虽然钢纤维较好的热传导性有助于UHPC基体内温度的均匀分布^{［参考文献 12

百度学术}12］，但是钢纤维无法增加UHPC的孔隙蒸汽渗透性^{［参考文献 2

百度学术}2］，因此UHPC试件在此温度下发生爆裂性剥落.

4 结论

（1）当温度不超过300 ℃时，超高性能混凝土UHPC的高温损伤随温度升高而增大；当温度达到400 ℃后，试件均在保温阶段发生爆裂性剥落.升温速率为2、4、10 ℃/min时试件发生爆裂性剥落的平均保温时间分别为25、18、8 min.高温作用后C‑S‑H凝胶表面的吸附水、孔隙内自由水、凝胶结合水先后蒸发，增大了试件的质量损失.

（2）温度从20 ℃上升到300 ℃，UHPC的抗压强度、弹性模量和静态劈裂强度均增大，分别提高了13.2%、19.1%和17.3%.300 ℃以内的高温作用可以促进水泥水化反应和硅灰火山灰反应，有利于提升UHPC基体的致密程度和增强钢纤维的桥接作用.

（3）UHPC的劈裂抗拉损伤程度随温度升高而降低，主裂纹宽度和端部三角形破坏区面积均随应变率升高而增大，动态劈裂抗拉强度和耗散能均具有明显的应变率效应.当应变率从1.8~2.2 s^-1增加到6.3~6.8 s^-1时，20~300 ℃作用后UHPC的动态劈裂抗拉强度和耗散能分别提高了69.1%~74.1%、146.7%~177.6%.高温和动态劈裂抗拉荷载作用均增强了基体对钢纤维的握裹作用，基体开裂、钢纤维变形、钢纤维拔出基体的摩擦效应增大了冲击荷载下的耗散能.

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