1.5　高性能混凝土高温性能试验研究

1.5.1　原材料及混凝土配合比

（1）原材料

水泥为山西产P.O42.5和P.O52.5两种；细骨料为优质河砂，级配良好，Ⅱ区中砂；粗骨料为石灰岩碎石，级配良好，连续级配有5～20mm和5～25mm两种；硅灰为埃肯（Elkem）微硅粉，28天活性指数119.6%；矿渣微粉为山西太钢产S95级矿粉；粉煤灰为山西产Ⅱ级粉煤灰；外加剂为高效减水剂，减水率达28%以上，固含量为37%；塑料纤维为聚丙烯束状单丝纤维，其熔点为165℃，密度为0.91g/cm³，长度为5mm、8mm、15mm和19mm，掺量，直径为25μm和33μm，掺量为0kg/m³、0.5kg/m³、1kg/m³、1.5kg/m³、2kg/m³、3kg/m³；拌合水为饮用自来水。

（2）混凝土配合比

混凝土配合比见表1-7。

（3）测试项目及试件尺寸

混凝土物理力学性能测试项目及试件尺寸如下：抗压强度、劈拉强度，150mm×150mm×150mm；轴压强度、弹性模量，150mm×150mm×300mm；抗折强度、断裂能，100mm×100mm×400mm；导热性能，200mm×200mm×30mm；热膨胀性能，5mm×5mm×47mm。

（4）高温机制

高温试验采用SRJX型箱式电阻炉，其额定电压为220V，工作温度最高1000℃，输出功率为15kW，炉膛尺寸为600mm（长）×400mm（宽）×400mm（高），炉膛内平均升温速率为12℃/min左右，由温控仪自动控制。混凝土试件中心位置预埋高温热电偶，试件内外温度一致，并保持15min以上，即为烧透。待试件冷却至室温，进行各项指标测试。

1.5.2　高温对C40高性能混凝土物理力学性能的影响

1.5.2.1　高温后C40HPC试件表观特征及质量损失

（1）高温处理及冷却后混凝土表观特征

将混凝土试件放进电阻炉内，一段时间后可以观察到有蒸汽从炉内散出，并且炉内试件会发出“哧、哧”的轻微声音，温度超过100℃，混凝土中含有的自由水开始蒸发逸出，形成雾状蒸汽。混凝土试件经高温处理后，随着所受温度及冷却方式的不同，其表观发生了不同程度的变化。

自然冷却处理：温度在200～300℃时试件颜色变化不大，表面无明显裂缝，只有细微缝痕；温度升至400℃后，试件表面泛黄，开始出现明显裂缝；500℃后，随着温度的升高，试件表面颜色逐渐变浅，表面裂缝数量、深度及宽度逐渐增加；600℃时，试件成型面出现贯通裂缝；700～800℃时，表面呈灰白色，整个混凝土均出现贯通裂缝。

喷淋冷却处理：200～300℃时试件颜色变化不大，但300℃时已出现缝隙；温度在400～600℃之间，试件呈灰焦色且颜色逐渐变浅；温度升至700℃时，混凝土表面变成灰白色，且出现贯通裂缝；温度达800℃时，表面呈乳白色，外皮有剥落现象，试件放置时发出清脆声音，温度越高，声音越脆。

（2）混凝土试件质量损失

称量混凝土试件高温作用前后的质量，尺寸为150mm立方体标准试件，经200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃高温作用后的平均质量损失率分别为：2.59%、4.21%、5.53%、6.49%、7.13%、8.26%、9.40%，其随温度的变化见图1-33。结果表明，试件的质量损失率随着温度的升高基本呈线性增加。

1.5.2.2　高温后C40HPC的力学性能

（1）高温后C40HPC抗压及劈裂抗拉强度（劈拉强度）

①不同方式冷却后的混凝土抗压强度　经不同冷却方式处理后的C40HPC立方体抗压强度随温度的变化如图1-34所示。由图可见，混凝土试件受高温烧透冷却后，抗压强度随温度的升高总体均呈下降趋势，且300℃后下降较快。但自然冷却后的混凝土抗压强度在300℃左右反而增强，而喷淋冷却后的混凝土抗压强度随温度的升高单调递减，没有出现反弹，随温度的变化基本呈线性关系。

C40HPC高温后抗压强度损失率与温度的关系曲线如图1-35所示。由图可知，200℃前，混凝土抗压强度损失较小。在200～800℃范围内，经不同方式冷却后，混凝土抗压强度损失率随温度的升高总体呈增加趋势，但在300℃，两种冷却方式处理后的混凝土试件强度损失率区别较大，二者差值达11.9MPa，400℃接近，为11.7MPa，经自然冷却的混凝土抗压强度在此出现强度恢复，而喷淋冷却混凝土抗压强度200℃后持续下降。不同方式冷却后的抗压强度损失率在800℃和200℃差别较小，差值分别为1.7%、2.4%，且喷淋冷却后的强度损失较自然冷却后的稍低。600℃左右，喷淋冷却后的强度损失近半。无论自然冷却还是喷淋冷却，200℃时，混凝土试件表面均未出现明显裂缝，冷却方式的不同对混凝土抗压强度尚未产生过多影响。由前所述，混凝土质量损失率随温度的升高持续增加，300℃后，自然冷却的混凝土抗压强度损失率均比喷淋冷却的混凝土低，但随温度的进一步升高，二者趋于接近，表明此温度区间内，喷淋冷却使混凝土抗压强度显著降低。

②不同方式冷却后的混凝土劈裂抗拉强度　不同方式冷却的高性能混凝土劈裂抗拉强度与温度的关系曲线见图1-36。与抗压强度随温度的变化有所不同，经高温烧透作用后，混凝土的劈拉强度随温度的升高而逐渐降低，没有出现强度恢复。其中，喷淋冷却使混凝土劈拉强度在200℃时显著下降，随后趋于平缓；而自然冷却的混凝土劈拉强度在600℃降幅较大；600℃后，两种冷却方式对劈拉强度下降产生的影响基本接近，自然冷却的劈拉强度比喷淋冷却的稍高。

对比两种方式冷却后的混凝土劈拉强度损失率与温度关系如图1-37所示，喷淋冷却使高温烧透后的混凝土劈拉强度损失率大大增加，200℃时已损失56.55%，与同温度下自然冷却的劈拉强度相比，损失率相差39.88%；自然冷却的劈拉强度随温度增加呈缓慢下降趋势，在500℃左右劈拉强度损失率为53.87%，接近喷淋冷却200℃时的下降值；随着温度持续增加，不同冷却方式的混凝土劈拉强度大大减少，损失率逐渐接近，800℃时相差无几。

③不同尺寸C40HPC高温后抗压强度的变化　高温后，C40HPC两种尺寸立方体抗压强度随温度的变化如图1-38（a）所示。高温使混凝土内部发生了复杂的物理、化学变化，导致其抗压强度显著降低。相同温度作用后，两种尺寸混凝土的抗压强度在300℃均出现反弹，500℃后，两者均随着温度的进一步升高而单调下降，且下降程度接近；温度在100～400℃间，100mm立方体比150mm立方体抗压强度下降更多，且到500℃基本保持不变。不同尺寸混凝土高温作用后的抗压强度规律与常温下明显不同。

不同温度作用后的混凝土抗压强度（f'_c）与其常温下抗压强度（f_c）之比定义为相对残余抗压强度，不同尺寸混凝土立方体的相对残余抗压强度随温度的变化曲线如图1-38（b）所示。由图可知，较小尺寸试件的相对残余抗压强度始终低于较大尺寸试件的对应值；总体两种尺寸混凝土相对残余抗压强度均随温度的升高而逐渐下降，但在300℃时恢复，特别是150mm立方体试块，该温度作用后的抗压强度超过室温下原始强度6.5%；与较小尺寸试件相比，室温至400℃间，较大尺寸试件的相对残余抗压强度波动更加明显，200℃时为74.8%，300℃恢复到93.4%；随着温度的继续升高，两种立方体相对残余抗压强度值在下降过程中缓慢接近，到800℃时，二者均为室温下强度的25%左右。试验表明，即使设计强度等级较低的高性能混凝土，高温后的相对残余抗压强度较同强度等级普通混凝土的高。

④不同尺寸C40HPC高温后劈拉强度的变化　C40HPC不同尺寸立方体劈拉强度随温度的变化如图1-39（a）所示。两种尺寸试件劈拉强度均随温度的升高而单调下降。常温至800℃，较小尺寸试件劈拉强度始终高于较大尺寸试件劈拉强度，整个温度范围内，大小立方体劈拉强度值发展分别出现一个较小波动，表现为：先平缓减小，后显著下降，较小立方体试件对应温度在300～500℃，较大立方体试件略有滞后，为400～600℃，且500℃时两种立方体试件的劈拉强度值基本接近。

不同温度作用后的混凝土劈拉强度（f'_t）与其常温下劈拉强度（f_t）之比定义为相对残余劈拉强度，C40HPC两种立方体相对残余劈拉强度随温度变化如图1-39（b）所示。经不同高温作用后，大小立方体的相对残余劈拉强度均随温度升高而单调递减，且100mm立方体比150mm立方体下降较为缓慢。二者在400℃时相差最大，达20.9%，500℃时相差最小，为2.24%，且较大尺寸立方体值高于较小尺寸立方体值。800℃时，150mm立方体相对残余劈拉强度为11.9%，100mm立方体的相应值为19.4%，高温使混凝土抗裂能力大大降低。

（2）高温后C40HPC轴心抗压强度

图1-40为C40HPC在不同温度下的轴心抗压强度与温度曲线图。由图可知，HPC的f_cp值在恒温2h、恒温3h和烧透三个系列上均随着试件经历温度的升高而总体呈下降趋势；恒温2h情况下，在200℃、400℃、600℃时f_cp值出现局部回升现象；恒温3h和烧透情况下，f_cp值随着温度的升高变化趋势较为接近。

C40HPC在高温后的轴心抗压强度与常温下的轴心抗压强度相比，得到的相对轴心抗压强度如图1-41所示。从图中可以看出，20～300℃时，三个系列的f_cp值均变化较小；400～800℃时，f_cp值随作用时间的增加而下降；800℃时，恒温2h、恒温3h和烧透三个系列的f_cp值分别为常温的27.24%、24.48%和20.73%。

混凝土轴心抗压强度（轴压强度）平均值随温度的变化如图1-42（a）所示。由图可见，混凝土经高温作用后，其轴压强度呈下降趋势，特别是400℃后，接近线性下降，到800℃时仅为9.0MPa。其轴压强度损失率如图1-42（b）所示，600℃时，混凝土轴压强度损失近半，800℃高温作用后，承载力急剧下降，轴压强度损失率达82%。

（3）高温后C40HPC弹性模量

高温后混凝土弹性模量随温度的变化如图1-43所示。由图1-43（a）可知，常温下，C40HPC弹性模量为38.5GPa，高温作用后，混凝土弹性模量呈单调下降趋势，其中100～300℃与400～500℃两个温度段下降趋势较为显著，800℃作用后，弹性模量降低至最小3.39GPa。

混凝土经不同温度作用后弹性模量实测值与常温下初始值之比定义为其相对弹性模量，相对弹性模量与温度关系如图1-43（b）所示，与弹性模量与温度关系相同，相对弹性模量随温度的升高而单调减小，从室温至100℃缓慢降低，100～300℃快速下降；300℃作用后，混凝土弹性模量仅为其初始值的一半；500～800℃时，弹性模量下降较为平缓，但经800℃作用后，仅为初始值的8%。

（4）高温后C40HPC断裂性能

①高温对混凝土断裂韧度的影响　混凝土断裂韧度随温度的变化如图1-44（a）所示。混凝土经高温作用后的断裂韧度与常温下断裂韧度之比定义为断裂韧度损失率，两种断裂韧度损失率与温度的关系如图1-44（b）所示。100℃作用后的混凝土起裂韧度高于其常温下初始值3.13%，表明该温度下混凝土抵抗初始裂缝开展的能力最强，随着温度的升高，起裂韧度损失率持续增加，只有在500℃左右，起裂韧度损失率不增反减。而失稳韧度损失率自始至终均表现为增加的趋势，表明混凝土失稳后抵抗外力的能力持续减弱，失稳韧度损失率在100℃为2.48%、在800℃为90.7%。

②高温对C40HPC断裂能的影响　混凝土断裂能与温度的关系如图1-45所示，总体上C40HPC断裂能随温度的升高呈下降趋势，但在300℃时反弹，甚至高过常温下断裂能8.76%，这与同温度下的混凝土抗压强度有着极为相似的表现；断裂能在800℃降至最低值123.94J/m²，仅为常温下初始值的29.66%。断裂能与温度的关系式为式（1-30），混凝土断裂能与温度的相关性较好。

　　（1-30）

1.5.2.3　C40HPC的热物理性能

（1）高温后C40HPC导热性能

C40HPC热导率随温度与恒温时间的变化如图1-46（a）所示。由图可见，高性能混凝土热导率随温度升高及恒温时间延长总体呈下降趋势，与其表观密度的变化规律基本相近，但变化幅度却有显著差异。由图1-46（b）可知，200℃作用后，热导率降幅为6%～10%，不同恒温时间对导热性能的影响程度不大，接近于3%，趋于稳定的热导率表明该温度下恒温2h的试件内外温度已经相同；400℃作用后热导率降幅为8%～16%，尤其恒温3h后，热导率下降明显；500℃后热导率降幅为14%～29%，与恒温2h、恒温2.5h相比，恒温3h作用后热导率大幅下降；600℃作用后降幅为28%～39%；700℃作用后，混凝土的热导率下降幅度为27%～38%。

（2）高温后C40HPC热导率与表观密度的关系

混凝土高温作用2.5h及3h后，不同高温（100～700℃）及恒温时间作用后的混凝土表观密度与热导率之间的关系曲线如图1-47（a）、图1-47（b）所示。由图可见，C40HPC经高温作用后，随着表观密度的下降，热导率总体呈下降趋势，热导率与表观密度具有较好的相关性。

高性混凝土高温（100～700℃）后热导率与表观密度的关系式为式（1-31）、式（1-32）：

恒温2.5h：y=-2.036x²+11.07x-13.54　R²=0.932　　（1-31）

恒温3.0h：y=0.806x²-2.07x+1.61　R²=0.93　　（1-32）

式中，y为高温后高强混凝土热导率，W/（m·K）；x为高温后高强混凝土表观密度，kg/m³。

（3）高温下及高温作用后混凝土比热容的变化

高性能混凝土高温下及高温作用后比热容的变化如图1-48所示。鉴于仪器本身温度范围所限，试验最高温度设置为565℃。由图可见，总体混凝土高温下的比热容比相应温度作用后降至室温20℃时的比热容高。温度升至200℃时，混凝土的比热容为1.54J/（g·K），而经200℃作用后降至20℃时的比热容为0.92J/（g·K），比高温下的测定值低40.22%；300℃、400℃、500℃及565℃高温下的比热容，比相应温度作用后降至室温20℃时的比热容分别高34.74%、39.94%、45.36%、49.67%。高温下，混凝土比热容波动较大，从室温升至200℃时比热容增加，300℃时略有下降，随后继续增加，500℃后有所下降。而高温后，混凝土比热容总体呈先增加后减小的趋势，且波动较小。

各温度作用下及作用后的比热容与室温20℃时比热容的差与室温时的比热容之比定义为混凝土比热容增长率。高温对高性能混凝土比热容增长率的影响如图1-49所示。高温下混凝土的比热容增长率均达到50%以上。其中，200℃下，混凝土比热容的增长率最大，达80.9%；300℃、400℃、500℃及565℃下的比热容增长率分别为51.5%、61.1%、78%、72.2%。

混凝土经高温作用后的比热容增长率均较小，200℃作用后，比热容增加8.2%，其余温度作用后，混凝土比热容均比常温下的相应值略有减小，但565℃后，比热容减小13.3%。综上，混凝土在高温下吸收的热量远远高于高温作用后吸收的热量。

（4）高温下C40HPC的热膨胀

①升温过程中C40HPC各组分的热膨胀　高温对混凝土中各组分热膨胀的影响如图1-50所示。其中，M代表砂浆（加减水剂），A代表粗骨料，S代表水泥、掺合料、减水剂与水组成的硬化物——混合浆，C代表硬化混凝土。由图可知，各组分在200℃前的膨胀率几乎为零，随着温度的继续升高，各组分的膨胀率发生不同改变。200～600℃之间，硬化混凝土、砂浆及粗骨料的膨胀率均随温度的升高而增加，且均在0.5%以内，600℃后，粗骨料的膨胀率快速增加，900℃达到最高值3.24%，而砂浆与硬化混凝土的膨胀率一直保持较为稳定的增长，且前者增长速度略低于后者。总体而言，硬化混凝土的膨胀率与粗骨料、砂浆的膨胀率并不相同，差异显著。相比之下，200℃后混合浆的膨胀率随温度的升高而持续减小，特别在400～600℃之间更为明显，900℃到达最低值-1.23%。混合浆在200～600℃间的收缩主要源自浆体内部自由水的蒸发、水泥水化产物脱水及Ca（OH）₂的受热分解，600℃后膨胀率的减小则主要由于微观及宏观裂缝的形成和发展。就砂浆而言，其热膨胀率随温度升高的增加主要是由于天然砂为硅质骨料，内部所含矿物石英在500℃左右由α型转变为β型，并伴随有体积的膨胀。显然，高温下，砂浆中的细骨料受热膨胀，而硬化混合浆体积收缩，二者之间的变形不相匹配，可能是其内部形成微裂缝并发展的主要原因之一。

②升温过程中C40HPC胶凝材料的热膨胀　高温下，C40HPC中胶凝材料的膨胀率随温度变化曲线如图1-51所示。其中，P0代表无减水剂的硬化水泥净浆，P1代表加减水剂的硬化水泥净浆，S0为无减水剂硬化混合浆，S1为加减水剂硬化混合浆。图中四种组分在200℃前均有略微的膨胀，其膨胀率在0.038%～0.051%之间，而在200～900℃之间，各组分膨胀率均随温度的升高而减小，这种微膨胀可能是由于高性能混凝土内部渗透性低，密实度较高，水化水泥浆体中的水分受热转变为蒸汽不能及时蒸发，产生的蒸汽压使浆体体积膨胀。随着温度的进一步升高，四种组分的膨胀率均呈现减小趋势，这主要是由于硬化水泥浆内部自由水和孔隙水蒸发使毛细孔收缩，加之化学结合水的减少和水化产物分解；其中，Ca（OH）₂大致在500℃左右分解，C-S-H凝胶在300℃左右脱水分解。

③C40HPC中骨料及混凝土冷却时的膨胀　冷却过程中，混凝土和骨料的膨胀率随温度的变化如图1-52所示。由图可见，两种冷却方式下，各试件的膨胀率均随温度的降低而减小，其中，快冷骨料的膨胀率在1.07%～1.7%之间，比同温度下慢冷骨料的膨胀率（1.096%～1.89%）略小；而快冷混凝土的膨胀率（0.656%～1.37%）比同温度下慢冷混凝土的膨胀率值（0.38%～0.68%）较大。

各试件不同温度下的膨胀率与900℃时相应试件的膨胀率之差定义为试件的收缩率。快冷和慢冷下的骨料、混凝土的收缩率随温度降低的变化曲线如图1-53所示。慢冷混凝土收缩率（0.072%～0.303%）明显低于相应温度下慢冷骨料的收缩率（0.086%～0.72%）；快冷骨料的收缩率（0.067%～0.7%）低于相应温度下慢冷骨料的收缩率（0.16%～0.79%）；快冷混凝土的收缩率（0.086%～0.71%）高于相应的慢冷混凝土的收缩率。在慢冷条件下，混凝土与骨料收缩率的不协调，导致混凝土中产生裂缝，并加剧内部结构的劣化，这也是混凝土力学性能在不同冷却方式下产生差异的原因之一。

（5）C40HPC热重-差热分析

通常，材料在加热过程中会失水或分解，因此，在不同温度下发生的物理化学变化会导致材料失去一部分质量，通过量测样品质量随温度的变化可以对材料的相变机理进行定量分析。热重法（TG）是在程序控制温度的条件下，测量物质的质量与温度间关系的一种热分析方法。C40HPC热重分析曲线如图1-54所示。

图1-54（a）为混凝土TG/DTG曲线，由图可知，混凝土试件的质量随温度的升高而持续减小，尤其在100℃、440℃和710℃左右，减小速率更为显著。如前所述，试件质量在93～140℃之间的快速减小主要是混凝土内部自由水的蒸发所致；由图1-54（b）可见，在140℃左右出现明显的吸热峰。混凝土在440℃左右出现的明显质量损失，主要为Ca（OH）₂的受热分解及水泥水化产物的脱水；另外，在200～400℃间，样品的质量损失还包括凝胶水和层间水的迁移、蒸发，这会导致硬化胶凝材料产生体积收缩。如前所述，混凝土中胶凝材料的膨胀率随温度的升高而显著下降。就骨料而言，碳酸钙在700℃左右分解，将进一步导致混凝土内部结构的劣化和体积变形。

1.5.3　高温对C60高性能混凝土物理力学性能的影响

1.5.3.1　高温后试件表观特征及质量损失

（1）高温冷却后试件表观特征

不同温度作用后试件外观特征见表1-8。

（2）混凝土试件质量损失

图1-55为各系列试件高温后的质量损失率，300℃、500℃、700℃、900℃后，质量损失率分别为5.94%、7.20%、9.21%、14.17%。聚丙烯纤维的掺量与长度对试件质量损失率有所影响。随着温度由300℃升高至900℃，各种试件质量损失不断增加。P8B试件在各等级温度作用后的质量损失最小，其次为M试件，质量损失最大的是P19B；M为基准混凝土（或称素混凝土），即未掺任何纤维，P表示掺入聚丙烯纤维，纤维直径35μm，长度为8mm和19mm，用A～D分别代表纤维掺量为1.0kg/m³、1.5kg/m³、2.0kg/m³、2.5kg/m³。

1.5.3.2　高温后C60HPC力学性能

（1）高温后C60HPC抗压强度

①高温对C60HPC抗压强度的影响　图1-56是C60HPC不同温度自然冷却后的相对残余抗压强度，试验表明，高温后高强混凝土的抗压强度均有不同程度的降低，温度越高，抗压强度越低。300℃高温后，P8A和P8D高于其常温下的抗压强度，相对残余抗压强度分别为108.7%、105.2%，其余试件抗压强度下降幅度在7.1%～14.1%之间。500℃高温后，高强混凝土抗压强度下降幅度较大，相对残余抗压强度为52.3%～72.3%，掺不同纤维，其下降幅度变化较大。700℃高温后，相对残余抗压强度只有29.5%～41.5%，主要集中在35%左右。900℃高温后，混凝土抗压强度仅剩常温下的17%左右，各种试件强度基本相同。

②纤维掺量对C60HPC残余抗压强度的影响　图1-57、图1-58分别给出了P8系列高强混凝土自然冷却后残余抗压强度和相对残余抗压强度变化。由图可以看出：不同温度作用后，总体随着纤维掺量的增加，绝对残余抗压强度有先增加后减小的趋势，500℃时最为明显，而且与素高强混凝土相比，掺纤维高强混凝土残余抗压强度在同高温下都高于素混凝土（除P8C受300℃后），随着温度的升高，纤维掺量对残余抗压强度的影响逐渐减小、趋于平稳。300℃后，与M相比，P8A～P8D的绝对残余抗压强度分别增加了7.24%、7.83%、-6.50%和11.08%，M、P8A、P8B、P8C、P8D的相对残余抗压强度分别为92.6%、108.7%、92.9%、89.7%、105.2%，P8A和P8D都大于1，其余与M基本持平，表明300℃高温下，掺8mm纤维有利于提高抗压性能。500℃后，随着纤维掺量的增加，绝对残余抗压强度在1.5kg/m³出现明显的高点，但相对残余抗压强度较低；P8A～P8D在700℃和900℃高温后，无论是绝对抗压强度还是相对抗压强度都比M有所提高。聚丙烯纤维熔点约为160℃，高温下，纤维熔化在混凝土中形成的孔隙和通道利于水分的散发，可能抑制了混凝土内部缺陷的发生，因此掺入8mm聚丙烯纤维增强了高强混凝土高温后的抗压性能，并且1.5kg/m³的掺量比较适当。

③纤维长度对C60HPC残余抗压强度的影响　图1-59、图1-60分别为8mm（P8B）和19mm（P19B）两种纤维长度在1.5kg/m³掺量下各种高温后自然冷却试件的残余抗压强度和相对残余抗压强度。与M相比，掺入8mm纤维提高了高强混凝土高温后的残余抗压强度，而P19B在300℃高温时的抗压性能降低，500℃时与M基本持平，700℃和900℃时的残余抗压强度高于素混凝土。与P8B相比较，经受300℃、500℃、700℃、900℃高温后，P19B残余抗压强度分别减少了10.68%、21.15%、12.09%、13.24%。无论是相对残余抗压强度还是绝对残余抗压强度，各温度下P8B的抗压性能都强于P19B，500℃时优势最明显。

（2）高温后C60HPC劈裂抗拉强度

①高温对C60HPC劈裂抗拉强度的影响　从图1-61中可以看出，常温下，9组高强混凝土劈拉强度平均值为3.88MPa；温度为20℃→300℃→500℃→700℃→900℃，平均下降幅度为0→15.46%→56.96%→79.12%→90.72%，随温度升高，下降幅度分别增加了15.46%、41.50%、22.16%、11.60%。表明：C60HPC劈拉强度随着所受温度的升高而降低，温度越高，集料与水泥浆体界面间黏结力越弱，劈拉强度下降幅度越大，300℃→500℃降幅最大。

②纤维掺量对C60HPC残余劈拉强度的影响　图1-62～图1-65分别为C60HPC相对残余劈拉强度的变化。300℃后，M、P8A～P8D的相对残余劈拉强度分别为75.2%、88.2%、77.4%、83.3%、92.8%，P19A～P19D的相对残余劈拉强度分别为87.2%、76.9%、86.2%、94.0%，掺聚丙烯纤维C60HPC的相对残余劈拉强度高于素C60HPC，掺入聚丙烯纤维明显提高了高强混凝土的劈裂抗拉性能，且随着纤维掺量的增加，均呈先减小后增加的趋势。500℃后，P8系列的相对残余劈拉强度同样高于M系列，呈现减小后增加的趋势；而P19系列相对残余劈拉强度小于P8，且掺量小时还低于M。700℃后，P8系列的相对残余劈拉强度明显高于M，也呈现减小后增加的趋势；P19系列的相对残余劈拉强度也高于M但仍低于P8系列，随掺量的增加而增加。900℃后，P8系列掺量≥2.0kg/m³时，相对残余劈拉强度小于M系列，随掺量增加先增加后减小再增加；P19系列相对残余劈拉强度低于M，也低于P8，为先增加后减小再增加。试验表明：高温后，同系列C60HPC相对残余劈拉强度随着纤维掺量的增加基本呈先减小后增加的趋势，但变化幅度不大；300℃、500℃和700℃后，聚丙烯纤维的掺入对高强混凝土高温后相对残余劈拉强度有显著提高，而900℃后劈拉强度有所降低。

（3）高温后C60HPC轴心抗压强度

C60HPC轴心抗压强度f_cp随温度的变化关系如图1-66所示。由图可知，C60HPC的轴心抗压强度随受火温度的升高总体呈下降的趋势，且500℃高温作用之前下降速率较缓，500℃高温作用之后下降速率较快，这与立方体抗压强度受温度的影响规律相同。

（4）高温后C60HPC弹性模量

①高温对C60HPC弹性模量的影响

由图1-67可见，高温作用后，不论是否掺纤维的C60HPC的弹性模量均呈一致下降的趋势，建立弹性模量与温度的关系式见图1-67中。P8/35表示掺长8mm、直径35μm的纤维，掺量均为1.8kg/m³的试件，其余类推。

②纤维对高温后C60HPC弹性模量的影响

C60HPC弹性模量均随温度的升高快速下降，但图中的直线斜率相差不大，即各类型C60HPC弹性模量随温度下降的速率相差不大。除了掺P8/25类型纤维的C60HPC下降速率略高于不掺纤维C60HPC之外，掺其他种类纤维的下降速率均略缓于不掺纤维的C60HPC。就纤维长度而言，掺15mm长度纤维的下降速率要略缓于掺8mm长度纤维的下降速率；从纤维直径来看，相同长度的前提下，25μm的纤维要比35μm的纤维下降略快一些。结果总体表明，纤维的掺入对C60HPC高温后的弹性模量同样具有改善作用，这对火灾后混凝土结构抵抗应力变形具有一定的积极作用。

③相对弹性模量的变化

高温后各类型C60HPC弹性模量与其常温下弹性模量的比值即为相对弹性模量，可用来分析弹性模量随温度升高的衰减情况，如图1-68所示。

由图1-68可知，M型与P型C60HPC弹性模量随温度升高基本呈相同的趋势下降，聚丙烯纤维的掺入对抑制高温下弹性模量的衰减没有明显作用。高温作用对混凝土弹性模量的破坏非常迅速，在300℃高温之后，其值降至常温下的70.4%～76.3%，当温度达到500℃之后，弹性模量已经降至不足常温下的50%。800℃高温之后，损失最严重的弹性模量仅为常温下的8.7%，而相对应的抗压强度还剩常温下的21.4%。弹性模量随温度升高的下降速率比相应的抗压强度、轴心抗压强度及劈裂抗拉强度要高。

总体来说，受高温作用后的C60HPC，其抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量均随所受高温的升高而下降，且弹性模量的下降速率最大，即高温作用对弹性模量的损伤最为显著。

1.5.3.3　C60HPC混凝土热物理性能

（1）高温下C60HPC混凝土导热性能

图1-69为常温下掺不同纤维C60HPC的热导率。由图可知，与基准混凝土相比，掺入纤维后均降低了混凝土的热导率。掺入纤维P/25/8、P/25/15、P/35/8和P/35/15后，混凝土热导率分别降低了3.8%、4.4%、0.8%和1.1%。由于掺入了聚丙烯纤维后，降低了混凝土内部的密实度，进而减小了混凝土的热导率。从图中还可以看出，掺入纤维直径为25μm的混凝土比掺入直径为35μm的混凝土热导率小，而掺入纤维长度为15μm的混凝土热导率比长度为8μm的小。掺入P/25/15纤维后，高强混凝土热导率最小。

图1-70为高强混凝土在不同温度作用下的热导率，从图中可知，P/0/0混凝土（即不掺纤维混凝土）在200℃以前的热导率略大于掺纤维的高强混凝土，因为掺入聚丙烯纤维后，在一定的程度上降低了高强混凝土的密度，使热导率略有降低。在200～400℃时，掺纤维的高强混凝土热导率继续降低，聚丙烯纤维在160℃时熔化，且在该温度区间，凝胶体中的化学结合水和吸附水逸出以及界面微裂缝扩展等因素的综合作用，使混凝土热导率进一步降低。

（2）高温下C60HPC混凝土热膨胀性能

①混凝土试件高温前后变化

混凝土试件高温前后的表观特征如图1-71所示。表面青灰色的部分变成了棕黄色，露出来的骨料由原来的深色变成浅白色；表面的孔隙比试验前更多、更大；表面有鼓起和掉角，材质不再结实，变得很酥脆。掺纤维与不掺纤维的混凝土试件在高温前后表观特征上的差异不明显。

②混凝土试件升温膨胀率

混凝土试件在升温过程中的膨胀率如图1-72所示。素混凝土和掺纤维混凝土膨胀率随温度升高均呈上升趋势。在20～550℃温度段，曲线上升平缓，膨胀率增速较慢；550～900℃间，曲线上升明显，膨胀率增速较快。在相同温度下，不掺纤维的混凝土比掺纤维的膨胀率都要高，由此可推测，在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维虽不能改变混凝土在高温下的膨胀趋势，但在一定程度上可减少混凝土的膨胀，从而有效抑制混凝土的高温爆裂。

1.5.4　高温对C80高性能混凝土物理力学性能的影响

1.5.4.1　C80 HPC高温试验现象及质量损失

（1）高温试验现象

C80HPC的高温试验现象与PPHPC的类似。设定目标温度，高温作用约0.5h后，大量的蒸汽透过炉门逸出，炉门有水滴下，炉中的试件发出“哧、哧、哧”的声响，此过程持续20min左右；随后蒸汽浓度逐渐降低，直至不再逸出；蒸汽逸出全过程大概有1.5h，不同的目标温度，蒸汽出现及消失的时间有所差异，但差异不大，主要为蒸汽浓度的不同。试件标记：不掺纤维试件用S表示；掺纤维（直径25μm，长度15mm，掺量1.8kg/m³）试件为X。

（2）质量损失率随温度变化关系

由图1-73的质量损失率可知，随着温度升高，混凝土质量损失率逐渐增大。800℃后，X质量损失率接近9%，而S的质量损失率为8%。纤维熔化点在165℃左右，所以X在100～200℃，质量损失率呈现加快变化趋势。而S在300～500℃变化平稳。400℃后的质量损失率较300℃略小，在300℃时的烧透时间为5.5h，而400℃时的烧透时间为5h。

1.5.4.2　C80HPC高温后力学性能

（1）C80HPC高温后混凝土抗压性能

①高温对混凝土抗压强度的影响　图1-74为不同温度作用下，HPC与PPHPC的抗压强度的关系。由图可知，相同温度下，除600℃外，掺与不掺聚丙烯纤维对HPC的抗压强度的影响较小。300℃之前（包括300℃）和800℃时，PPHPC与HPC的抗压强度相差不超过5.78%。在100℃时，两者抗压强度相差仅有0.29%，基本相同；常温和300℃时，两者抗压强度相差3.04%；200℃时，两者抗压强度相差5.78%；800℃时，两者抗压强度相差2.16%。400℃、500℃和700℃时，掺纤维对HPC抗压强度的影响在10%左右。仅在600℃时，HPC和PPHPC的抗压强度相差达到36.91%。因此，掺聚丙烯纤维对C80HPC抗压强度的影响较小。

②PPHPC相对残余抗压强度与相对质量损失的关系　高温后PPHPC相对残余抗压强度与相对质量损失的关系如图1-75所示。由图知，200℃后两者均随温度升高而降低。由常温加热至100℃后，PPHPC的相对残余抗压强度降低了25.5%，而相对质量损失略有增长；当温度升高至200℃时，质量明显降低。相反，PPHPC的相对残余抗压强度上涨了15.6%。300℃后两者的数值差距减小；当温度从300℃升高至400℃后，相对残余抗压强度和质量降低幅度均较大；500℃后，相对残余抗压强度进一步降低，而相对质量损失变化较小。

（2）高温后C80HPC混凝土劈拉强度

①温度对混凝土劈拉强度的影响　由图1-76可知，随着温度升高，C80HPC劈拉强度逐渐降低，掺纤维混凝土在200℃、500℃出现拐点，常温到200℃，劈裂抗拉强度降低了5%；200～500℃，降低速率较快，相邻两温度区段分别为30%、14%。而在500～800℃下降趋缓，总体降幅为12%。而不掺纤维试件的速率变化拐点出现在300℃和500℃，在常温到200℃时，700～800℃时，X比S高出2%～10%，表明在200℃以下，纤维对混凝土劈裂抗拉强度有正效用，而700℃后纤维完全熔化留下的孔道对该强度有负影响。而在300～600℃，纤维对混凝土劈裂抗拉强度未有明显影响。

②拉压比随温度变化关系　拉压比即混凝土劈拉强度与抗压强度的比值。由图1-77可知，随着温度的升高，C80HPC的拉压比在常温到300℃略微上升，在300～800℃，拉压比随温度的升高而降低。总体而言，纤维混凝土与素混凝土的拉压比变化规律基本一致，常温、100℃、400℃、600℃后纤维混凝土较素混凝土拉压比略大。

（3）C80HPC高温后轴心抗压强度

①C80HPC残余轴心抗压强度与温度的关系　C80HPC残余轴心抗压强度与温度的关系如图1-78所示。C80HPC高温前后的轴心抗压强度总体呈下降趋势，经受的温度越高，强度下降幅度越大。

在100℃时，试件S和X强度基本降低均小于10%；100～200℃下降速度较慢，S轴心抗压强度降低8%，而X降低5%；300℃后，残余轴压强度S比X高出12%；300～500℃，轴压强度S大于X；400℃后X的残余轴压强度已不足50%。在200℃以下和700℃以上时轴心抗压强度X大于S；800℃后损伤严重，二者强度均已丧失约90%。

②超声波声速与C80HPC轴压强度的关系　掺与不掺聚丙烯纤维C80HPC超声声速与轴心抗压强度关系曲线如图1-79、图1-80所示。在常温时，X与S的超声波声速相同，为3.9km/s，而当受火温度达到800℃后，X和S的超声波声速分

别降为1.3km/s和1.2km/s；随着温度的升高，混凝土受火内部裂隙增多，C80HPC密实度降低，测得的声速值减小，C80HPC轴压强度值也逐渐降低，进一步揭示了C80HPC轴心抗压强度随温度升高而降低的规律。C80HPC超声波声速与温度的关系式见图1-79、图1-80中。

（4）高温后C80HPC弹性模量

图1-81（a）为混凝土弹性模量与温度的关系。随着温度的升高，素混凝土与掺聚丙烯纤维混凝土的弹性模量均呈不断降低的趋势；400℃前，混凝土高温后弹性模量下降幅度较平缓，且掺聚丙烯纤维混凝土的弹性模量均大于素混凝土的弹性模量，掺纤维混凝土的弹性模量在200℃、400℃时分别比素混凝土的大5.5GPa、3.6GPa；400℃后混凝土高温后弹性模量下降幅度较明显，600℃以后，掺聚丙烯纤维混凝土的弹性模量与素混凝土的几乎接近。

图1-81（b）为混凝土相对弹性模量与温度的关系。400℃以前，混凝土相对弹性模量变化幅度均较小，且掺纤维混凝土的相对弹性模量仍都高于素混凝土；200℃时，掺纤维混凝土的相对弹性模量比素混凝土的高7%；400℃后混凝土高温后的相对弹性模量下降幅度较明显，600℃、800℃掺聚丙烯纤维混凝土的相对弹性模量分别为35%、19%，素混凝土的分别为38%、21%，高温使C80HPC弹性模量的劣化趋于严重。

（5）高温后C80HPC抗折强度

由图1-82可以看出，随着作用温度升高，混凝土高温后抗折强度和相对抗折强度均呈降低趋势；400℃前，混凝土高温后抗折强度下降幅度较平缓，且掺聚丙烯纤维混凝土的抗折强度均大于素混凝土的抗折强度；400℃后混凝土高温后抗折强度下降幅度较明显；500℃时，素混凝土抗折强度略高于纤维混凝土的抗折强度；600℃以后，掺聚丙烯纤维混凝土抗折强度与素混凝土的几乎接近。

1.5.4.3　C80HPC高温热物理性能

（1）高温对C80HPC导热性能的影响

试件标记：W表示素混凝土试件，C表示掺纤维试件。

①高温后试件表观密度　高温后试件的表观密度变化如图1-83所示。随温度升高，试件的表观密度整体呈下降趋势。素混凝土试件在200℃前下降趋势较快，200～500℃下降趋势缓慢，其中200～300℃、400～500℃几乎没有变化，500℃后又逐渐下降，但降幅较小；掺纤维试件与素混凝土试件表观密度的变化规律相似。

②高温后试件的热导率　试件高温后的热导率变化如图1-84所示。素混凝土试件的热导率总体比掺纤维试件要大，600℃前大致呈线性减小，600℃后下降较快；掺纤维试件的热导率在100℃略有升高趋势，100～200℃急剧减少，200～500℃逐渐变大，但是变化的幅度微小，500℃时较200℃增加5%左右，500℃以后热导率迅速下降，800℃较500℃时下降了38%。800℃后，二者热导率相近。普通混凝土的热导率大约在0.8～2.0W/（m·K）。

③试件的热导率与表观密度关系　高温后试件的表观密度和热导率的关系如图1-85所示。随着混凝土的表观密度的降低，其热导率整体呈下降趋势。

④高温后C80HPC的导温系数　导温系数a越大，材料中温度变化的传播越迅速。研究表明，混凝土的比热容c随温度升高（0～1000℃）有微小增大。根据试验结果计算试件的导温系数见图1-86。随着温度的升高，素混凝土和掺纤维混凝土的导温系数均呈下降趋势，混凝土内部的温度变化会传播得越来越慢。掺纤维混凝土的导温系数随温度的变化在700℃前几乎呈线性变化，在700℃后出现拐点，急剧下降；素混凝土的导温系数在100℃后略有上升，200℃后下降较为迅速，约14%，200～300℃呈上升趋势，幅度不大；500℃后又呈下降趋势。在同一温度高温后，掺纤维混凝土比素混凝土的导温系数大，差值波动较大。

（2）高温对C80HPC热膨胀性能的影响

①升温过程中试件线膨胀系数变化规律　由图1-87可知，随着温度升高，混凝土线膨胀系数总体呈现上升趋势。在20～160℃和560～720℃温度段内，线膨胀系数上升速度较快，在160～560℃温度段内增速缓慢，素混凝土线胀系数最大达到15.868×10^-6/℃，掺0.2%PP混凝土线膨胀系数最大达到14.865×10^-6/℃；在20～160℃温度段内，素混凝土线膨胀系数比掺0.2%PP纤维的稍大，超过160℃，素混凝土线膨胀系数显著大于掺0.2%PP纤维混凝土线膨胀系数。

②升温过程中试件膨胀率变化规律　由图1-88可知，随温度升高，混凝土膨胀率总体呈升高趋势，800℃时，素混凝土膨胀率达到15.868%，掺0.2%PP混凝土达到14.865%；在20～180℃温度段内，素混凝土线膨胀系数比掺0.2%PP纤维的稍大；超过180℃，素混凝土线膨胀系数显著大于掺0.2%PP纤维混凝土线膨胀系数。

③降温过程中混凝土线膨胀系数变化规律　由图1-89可知，随温度降低，线膨胀系数总体呈上升趋势，在450～800℃温度段内，比较稳定，在20～80℃温度段内，增长速度快，素混凝土膨线胀系数最大值可达到96.310×10^-6/℃，表明C80HPC经过高温后再降到常温，其宏观长度是增大的；在整个降温过程中，素混凝土线膨胀系数高于掺0.2%PP混凝土。比较升温和降温过程中同一个温度下的线膨胀系数，可知降温时的线膨胀系数大于升温时的线膨胀系数。

④降温过程中混凝土膨胀率变化规律　由图1-90可知，随温度降低，膨胀率总体呈下降趋势，素混凝土膨胀率高于掺0.2%PP混凝土；比较升温和降温过程中同一个温度下的膨胀率，可知降温时的膨胀率大于升温时的膨胀率；800℃时，素混凝土的膨胀率为1.275%，掺0.2%PP混凝土的为1.19%，20℃时，素混凝土的膨胀率为0.674%，掺0.2%PP混凝土的为0.64%，膨胀率降低了约0.6%，表明混凝土在降温过程中较升温过程有收缩。与常温混凝土相比，经过高温后再降温到常温，混凝土宏观上是膨胀的。