火灾暴露后辅助性胶凝材料掺配混凝土的残余力学性能：系统综述

《Results in Materials》：Residual mechanical performance of SCM-blended concrete after fire exposure: A systematic review

　　

混凝土结构在火灾暴露下因脱水、微裂缝萌生、剥落及微观结构损伤而发生力学性能、耐久性与结构完整性的显著劣化。与此同时，辅助性胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs），如粉煤灰（Fly Ash, FA）、磨细粒化高炉矿渣（Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS）、硅灰（Silica Fume, SF）、偏高岭土（Metakaolin, MK）、棕榈油燃料灰（Palm Oil Fuel Ash, POFA）及其他火山灰材料，正日益广泛地掺入混凝土中以提升可持续性与工程性能。然而，由于SCM类型、掺量、暴露温度、加热持续时间及冷却条件的差异，SCM掺配混凝土的火灾性能表现出高度变异性。本研究遵循PRISMA 2020框架，对1990年至2026年间发表的实验研究进行了系统综述与定量综合，共批判性分析了110项研究，涵盖100 ℃至1000 ℃暴露后的残余抗压强度、质量损失、开裂、剥落、耐久性特征及微观结构演变。研究发现存在三个温度依赖性劣化阶段：强度保持阶段（≤400 ℃）、过渡阶段（400–600 ℃）及劣化主导阶段（>600 ℃）。FA-与GGBFS-掺配混凝土在高温下通常比普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）混凝土表现出高出10–25%的残余抗压强度，且对开裂和剥落的敏感性较低。相比之下，含SF和MK的混凝土因致密孔结构及蒸汽压力积聚加剧而常经历加速劣化。进一步分析表明，30–50%的FA掺量及20–50%的GGBFS掺量在可持续性与抗火性之间提供了最有效的平衡。

本研究旨在系统综述并定量综合SCM掺配混凝土在高温暴露后的残余力学与耐久性能，其创新性在于将多种SCM体系的实验发现整合为比较性的温度依赖性性能框架，以识别最优SCM掺量、主导劣化机制及防火混凝土设计的实践建议。

研究背景方面，混凝土结构在火灾下表现出固有脆弱性，原因在于水泥水化产物的渐进退化、热诱导孔压积聚以及骨料与水泥浆体在高温下的不相容性。当温度超过约300 ℃时，发生不可逆的物理化学与微观结构转变，包括水化硅酸钙（Calcium Silicate Hydrate, C–S–H）凝胶脱水及氢氧化钙（Ca(OH)?）分解，显著削弱混凝土的承载能力与刚度。与此同时，建筑业日益采用SCMs以减少温室气体排放并提升长期性能。然而，SCMs对火灾暴露下混凝土行为的影响仍理解不足且结论矛盾，现有文献就残余强度保持、开裂强度、剥落倾向及质量损失等方面呈现分歧趋势，且受SCM类型、掺量、渗透特性、水胶比、骨料矿物学及火灾后冷却制度等多因素影响。尽管纳米技术进展拓展了水泥基改性材料的范围，如纳米硅粉（Nano-Silica, NS）因其极高比表面积、火山灰反应活性及细化水泥微观结构的能力而备受关注，但纳米改性水泥基材料在火灾条件下的行为仍有待深入研究。现有综述研究主要提供描述性总结，缺乏能够比较多种SCM体系火灾暴露后性能的统一定量框架，温度、残余强度、开裂、剥落行为与耐久性退化之间的直接关系尚未建立，这一知识空白阻碍了可靠防火可持续混凝土配合比的发展。

研究人员遵循PRISMA 2020指南开展系统综述，建立了结构化的研究方案，明确研究目标、范围、纳入排除标准、数据提取参数及综合策略。文献检索覆盖Scopus、Web of Science核心合集及Google Scholar数据库，时间跨度1990–2026年，采用布尔运算符构建检索式，并进行后向引文追踪。纳入标准包括：SCM掺配混凝土的实验研究、暴露温度≥100 ℃、报告定量火灾后指标、明确SCM类型及掺量、英文同行评审期刊论文；排除纯数值或理论研究、仅常温研究、缺乏明确热暴露制度的研究以及会议论文、学位论文、技术报告或非英文出版物。研究筛选遵循PRISMA一致的三阶段流程，采用标准化数据提取框架，涵盖SCM类型与掺量、混凝土配合比特征、最高暴露温度、加热持续时间、冷却制度、火灾后测试龄期、残余抗压强度、质量损失、开裂与剥落观察及微观结构变化。为实现跨研究比较，采用残余强度比（R_f = f_c,T/f_c,20）对火灾后抗压强度进行标准化处理，并将温度暴露划分为≤200 ℃、200–400 ℃、400–600 ℃及≥600 ℃四个区间。

研究得出以下核心结论：混凝土火灾后劣化呈现三个 distinct 阶段，即≤400 ℃的强度保持阶段、400–600 ℃的过渡阶段及>600 ℃的劣化主导阶段。FA与GGBFS体系在400–800 ℃范围内较OPC混凝土表现出更优的残余强度保持，提升幅度通常为10–25%，这归因于其改善的基质稳定性及降低的高温渗透性。相比之下，SF与MK混凝土因致密微观结构促进孔压积聚和热致开裂，在超过400 ℃时表现出加速降解。定量评估表明，30–50%的FA掺量及20–50%的GGBFS掺量在可持续性、力学性能和抗火性之间达到最佳平衡。冷却制度显著影响残余性能，空气冷却因减少热冲击和微裂缝发展而通常优于水冷却。三元和四元SCM体系可利用组分材料间的协同相互作用，在热稳定性和残余力学性能方面常优于二元体系。该研究首次将多种SCM体系的实验发现整合为比较性的温度依赖性性能框架，涵盖残余强度、开裂、剥落、质量损失及耐久性退化，为防火混凝土设计提供了直接指导：GGBS和FA推荐用于火灾风险结构，SF和MK富集混凝土需额外的剥落缓解策略如纤维增强或控制渗透性，适度SCM掺量通常优于高掺量，残余强度比可作为评估剩余结构容量的实用指标。

关键技术与方法方面，研究人员采用PRISMA 2020系统综述框架指导文献检索、筛选与综合；基于Scopus、Web of Science及Google Scholar三大数据库进行系统性文献检索，并辅以逆推引文追踪；建立标准化数据提取框架，对110项实验研究的残余抗压强度、质量损失、开裂、剥落及微观结构指标进行系统提取；采用残余强度比（R_f = f_c,T/f_c,20）进行数据标准化以实现跨研究比较；将温度暴露划分为≤200 ℃、200–400 ℃、400–600 ℃及≥600 ℃四个区间进行定量合成；通过均值计算和比较分析评估不同SCM类别和温度区间的性能趋势，并对剥落进行二元结果定性综合；提出温度依赖性性能包络线概念框架以解释材料行为。

研究结果部分按以下小标题展开：

残余抗压强度趋势：分析显示，所有混凝土体系随温度升高而经历渐进式抗压强度退化，但劣化程度因SCM类型而异。在≤400 ℃时，大多数SCM改性混凝土保留约80–100%的初始抗压强度，这归因于持续的水化反应和火山灰活性；在400–600 ℃区间，强度降低更为显著，原因在于氢氧化钙分解、水化产物脱水及水泥浆体微裂缝萌生；>600 ℃时发生严重劣化，水化相破坏和骨料–浆体界面损伤加剧导致力学容量大幅度损失。FA和GGBFS体系较OPC表现出更优的残余强度保持，尤其在400–800 ℃范围内提高10–25%；而SF和MK混凝土因致密孔结构促进孔压积聚和热致开裂，残余强度降低更为显著。

质量损失行为：所有SCM体系的质量损失几乎随温度线性增加，>400 ℃时因脱水和水化产物分解出现显著质量降低。比较趋势为：SF > MK > FA ≈ OPC > GGBFS ≈ POFA，其中GGBFS和POFA通常表现出低于SF体系的质量损失率。

开裂与剥落敏感性：开裂和剥落是热损伤的主要物理表现。FA和GGBFS表现出最低的剥落倾向；POFA表现出适度的抗裂扩展能力；SF和MK显示出增加的爆炸性剥落易感性；含FA和GGBFS的三元体系较二元体系展现出更优的热稳定性。

冷却制度影响：空气冷却通常产生更高的残余强度和更少微裂缝，优于水冷却。快速冷却产生严重温度梯度，诱导拉应力和内部开裂，在含SF和MK的高强致密SCM混凝土中这一不利影响尤为突出。

SCM比较性能排序：基于>400 ℃时归一化残余抗压强度比的综合定量合成，SCM掺配混凝土相对性能排序为：GGBS > FA > 农业基灰分 > OPC > SF ≥ MK。GGBS和球蛋白和FA掺配混凝土因细化孔结构、降低氢氧化钙含量及改善水化产物热稳定性而在>400 ℃时表现出卓越强度保持；农业基灰分表现中等且变异性较高；SF和MK体系则因致密微观结构加剧孔压积聚和剥落易感性而出现显著强度损失。

温度依赖性性能包络线：研究提出概念性的温度依赖性性能包络线，划分三个主导阶段：≤400 ℃为强度主导阶段，机械劣化有限；400–600 ℃为强度–剥落权衡阶段，快速强度退化与剥落风险增加并存，尤其针对致密微观结构体系；≥600 ℃为劣化主导阶段，严重微观结构损伤主导性能，SCM体系间差异缩小。

设计与火灾后评估意义：综合发现对防火混凝土设计和火灾后结构评估具有直接指导意义。材料选择方面，GGBS和FA推荐用于火灾易发结构应用；剥落缓解方面，SF和MK富集混凝土需要额外策略如纤维增强或控制渗透性；掺量方面，适度SCM掺煞高性能混凝土通常在高掺量，原因在于减少微裂缝和热不相容性；火灾后评估方面，残余强度比可作为估计剩余结构容量的实用指标，应纳入火灾后评估协议。

讨论与结论部分：本研究的主要局限性包括：回顾性研究在试件尺寸、骨料类型、加热速率、暴露持续时间、冷却制度和测试程序方面存在显著变异性，限制了直接可比性；大多数研究聚焦于残余抗压强度，而耐久性相关性能（渗透性、氯离子抗力、碳化抗力及长期火灾后行为）报道较少；大量实验工作基于稳态和无载加热条件，未能完全复现实际结构火灾中热与力学加载并存的场景；SCMs的化学组成和处理差异引入变异性；标准化火灾后评估框架的缺乏导致研究结果不一致；发表偏倚可能朝向积极或显著结果；长期火灾后恢复和再水化效应在现有文献中未得到一致处理。

研究结论指出：（1）混凝土火灾后劣化呈现三个 distinct 阶段：≤400轧试图保持阶段、400–600 ℃过渡阶段及>600 ℃劣化主导阶段；（2）FA和GGBFS始终较OPC表现出更优的残余性能，高温下保持高出10–25%的抗压强度，同时降低开裂和剥落易感性；（3）SF和MK混合物因致密微观结构和促进加热过程中蒸汽压力积聚而通常表现出更大劣化和增加剥落风险；（4）FA掺量30–50%和GGBFS掺量20–50%在可持续性、力学性能和抗火性之间提供最有效平衡；（5）冷却制度显著影响残余性能，空气冷却通常优于水冷却；（6）三元和四元SCM体系可利用组分材料间协同相互作用，在热稳定性和残余力学性能方面常优于二元体系；（7）本综述创新性在于开发了整合多种SCM体系残余强度、开裂、剥落、质量损失和耐久性退化的比较性温度依赖性性能框架。

未来研究需求包括：需纳入三元组合的形态学和矿物学特征以全面理解SCMs高温下的有益效应；再养护对火灾损伤混凝土的恢复作用需进一步验证；亟需采用瞬态和应力条件下的研究以更好模拟实际结构火灾；三元或四元混合料与纤维的协同应用研究不足；SCMs混凝土火灾后耐久性研究不充分；应重点关注将纳米氧化物与SCMs和纤维整合以增强热稳定性和抗剥落性的混合和纳米改性系统；将SCM混凝土与生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）和建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）结合将推动全面的可持续性分析。