防火涂料對(duì)高強(qiáng)混凝土高溫后氯離子滲透性影響＊

吳 波，周 鵬，吳耀鵬

（1.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640； 2.江西省電力設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330096； 3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

高強(qiáng)混凝土廣泛應(yīng)用于超高層建筑、大跨度橋梁、隧道及海洋結(jié)構(gòu)等不同行業(yè).由于其微觀(guān)結(jié)構(gòu)的高致密性，常溫下高強(qiáng)混凝土一般具有較低的滲透性[1－4]，在腐蝕性環(huán)境中具有很好的耐久性.但高溫作用下高強(qiáng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變并形成大量裂紋，使得其高溫后的抗?jié)B透能力嚴(yán)重退化.已有研究表明，500～800℃高溫持續(xù)1～4h后高強(qiáng)混凝土的滲透性普遍提高[1，2，5－11]，加速了氯離子等有害介質(zhì)的侵蝕，嚴(yán)重影響高溫后高強(qiáng)混凝土的耐久性.

文獻(xiàn)[12－13]研究發(fā)現(xiàn)，常溫下混凝土表面設(shè)置特定涂層可有效改善混凝土的滲透性.但能否采取措施預(yù)防高溫后混凝土抗?jié)B透能力的明顯降低還鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道.文獻(xiàn)[14]的試驗(yàn)表明，厚度15～20 mm的非膨脹型隧道防火涂料（106－2）可較好地抑制高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂.在此基礎(chǔ)上，如果該防火涂料還能同時(shí)預(yù)防高溫后混凝土抗?jié)B透能力的降低，無(wú)疑可起到事半功倍的效果.

為驗(yàn)證上述設(shè)想，本文采用RCM法對(duì)5組外包不同厚度106－2防火涂料的C80高強(qiáng)混凝土試塊進(jìn)行了高溫后氯離子滲透試驗(yàn)，考察了氯離子滲透性隨涂料厚度的變化情況.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試塊制作

表1為C80高強(qiáng)混凝土的配合比.水泥采用普通波特蘭42.5水泥，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的天然河砂，粗骨料采用粒徑5～20mm的硅質(zhì)骨料（高溫下硅質(zhì)骨料高強(qiáng)混凝土較鈣質(zhì)骨料高強(qiáng)混凝土更易發(fā)生爆裂[15]），外加劑為 DH－4004聚羧酸高效減水劑（固含量20%，由產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)提供）.

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mixture kg／m3

試塊采用直徑100mm，高度50mm小圓柱體.與試塊同時(shí)澆筑的150mm×150mm×150mm立方體的7d和28d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度分別為61.7MPa和82.6MPa.為量測(cè)高溫過(guò)程中試塊的側(cè)面溫度，每個(gè)試塊側(cè)面半高處植入一個(gè)鎳鉻－鎳硅熱電偶.具體處理如下：首先利用切割機(jī)在試塊側(cè)面半高處開(kāi)一個(gè)深度和寬度分別與熱電偶半徑和直徑相近的凹槽，以便使熱電偶頂端中點(diǎn)正好與試塊側(cè)面平齊；隨后利用502膠將熱電偶粘貼在凹槽內(nèi)以做初步固定；最后采用細(xì)鐵絲對(duì)熱電偶進(jìn)行再次固定.上述處理可使熱電偶所測(cè)溫度較好地體現(xiàn)試塊側(cè)面溫度.

各試塊表面涂抹不同厚度的防火涂料，具體采用長(zhǎng)沙民德防火工程涂料有限公司生產(chǎn)的非膨脹型隧道防火涂料（106－2）.首先將試塊表面清理干凈，并制作寬度10mm且厚度分別為15，20，25，30，35mm的木條；利用502膠將相同厚度的木條粘貼在試塊側(cè)面及上、下表面，然后在木條厚度的參照作用下將防火涂料涂抹于試塊表面；最后取出木條，并在其所占空間內(nèi)涂抹防火涂料.

防火涂料設(shè)置完成28d以后進(jìn)行高溫試驗(yàn).試塊的分組情況見(jiàn)表2，各組試塊照片見(jiàn)圖1.高溫試驗(yàn)后的試塊在常溫下自然冷卻，并將其表面清理干凈，在自然狀態(tài)下放置一周后進(jìn)行氯離子滲透性試驗(yàn).

表2 試塊分組Tab.2 Groups of specimens

圖1 試塊照片F(xiàn)ig.1 Photos of specimens

1.2 高溫處理

試塊的高溫處理在華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.加熱裝置為最高溫度1 300℃的馬沸爐，試驗(yàn)中馬沸爐的總體升溫速率設(shè)定為800℃／h，其中500℃之前的升溫速率約為36℃／min，500℃之后升溫速率有所降低.由于多數(shù)建筑火災(zāi)溫度介于600～800℃，試驗(yàn)中最高爐溫設(shè)定為800℃并恒定3h.

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)原理

RCM法是利用電場(chǎng)加速氯離子擴(kuò)散，進(jìn)而測(cè)定氯離子擴(kuò)散深度xd以推算氯離子擴(kuò)散系數(shù)的方法.本文試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量每個(gè)混凝土試塊某斷面上12處的擴(kuò)散深度，然后取其平均值，根據(jù)式（1）確定氯離子擴(kuò)散系數(shù).

式中：DRCM為RCM法測(cè)定的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)（m2／s）；T為陽(yáng)極電解液初始和最終溫度的平均值（K）；h為試塊高度（m）；xd為氯離子平均擴(kuò)散深度（m）；t為通電時(shí)間（s）；α為中間變量.每組試塊的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)取其3個(gè)試塊的算術(shù)平均值.

圖2為根據(jù)上述原理自行研制的快速電遷移法測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)設(shè)備，該設(shè)備在溫度、電壓和電流等參數(shù)的測(cè)定精度方面均符合相關(guān)要求.

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

為進(jìn)行對(duì)比，增加一組未經(jīng)高溫處理的試塊.首先對(duì)每個(gè)試塊進(jìn)行15min的超聲水浴處理，然后按圖2安裝好，接通電源進(jìn)行測(cè)試 .通電168h后立即將試塊取出在壓力機(jī)上沿中間劈成兩半，待其中一個(gè)斷面稍干后噴灑0.1mol／L的AgNO3溶液，約2min后斷面上出現(xiàn)白色沉淀，在沉淀周?chē)鷩姙⑾Cl溶液 .白色沉淀范圍穩(wěn)定后，量取該斷面上12處白色沉淀的高度（即氯離子擴(kuò)散深度）.最后，根據(jù)式（1）確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高溫處理結(jié)果

高溫處理過(guò)程中，除第1組有一個(gè)試塊發(fā)生爆裂外，其余試塊均保持完整.圖3為高溫后各組試塊防火涂料及混凝土表面的代表性情況.

圖2 測(cè)試裝置Fig.2 Test equipments

圖3 高溫后各組試塊照片F(xiàn)ig.3 Photos of each group specimens after high temperatures

各組試塊防火涂料的開(kāi)裂情況基本一致，都是在頂面／底面與側(cè)面的交接處附近出現(xiàn)環(huán)形裂縫，并有豎向裂縫與之相連，隨著涂料厚度增加，裂縫寬度逐漸變窄.去除防火涂料后可以看到，第1組試塊表面顏色由青色轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗷疑砻嬖S多孔洞被打開(kāi)，鐵錘敲擊發(fā)出較明顯的暗啞聲，表明試塊表面損傷較大.其余各組試塊表面顏色基本保持常溫時(shí)的青色，鐵錘敲擊發(fā)出“鐺鐺”的清脆聲，表明試塊表面損傷有限.

圖4為各組試塊的表面平均溫度（注：每組3個(gè)試塊平均）隨升溫時(shí)間的變化情況.從圖中可以看出：①試塊表面平均溫度隨防火涂料厚度的增加而降低；②高溫3h以?xún)?nèi)，防火涂料厚度≥15mm的各組試塊的表面平均溫度都低于300℃，這與高溫處理過(guò)程中沒(méi)有任何一個(gè)試塊在3h內(nèi)發(fā)生爆裂的宏觀(guān)現(xiàn)象是吻合的；③高溫4h以?xún)?nèi)，防火涂料厚度≥20mm的各組試塊的表面平均溫度都低于400℃，而防火涂料厚度15mm的第1組試塊的表面平均溫度則達(dá)510℃，使得第1組有一個(gè)試塊發(fā)生了爆裂；④當(dāng)防火涂料厚度從25mm增加至30mm時(shí)，試塊表面平均溫度的降低幅度較大.

圖4 各組試塊的表面平均溫度－時(shí)間曲線(xiàn)Fig.4 Average temperature－time curves of each group specimens

3.2 氯離子滲透結(jié)果

圖5和圖6分別為各組試塊斷面上白色沉淀的代表性情況和每組各試塊氯離子擴(kuò)散系數(shù)的平均值.參照混凝土滲透性評(píng)價(jià)劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]，圖6同時(shí)給出了不同滲透性的劃分.從圖6中可以看出：1）常溫下高強(qiáng)混凝土具有低的氯離子滲透性；高溫后第1，2，3組試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值分別較常溫時(shí)增加了545%，183%和67%，且第1組逼近高滲透性，表明高溫后高強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透能力嚴(yán)重退化.2）隨著防火涂料厚度增加，高溫后氯離子擴(kuò)散系數(shù)的平均值逐漸降低；當(dāng)厚度從15mm增加至20mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值迅速下降，降低幅度約56%；當(dāng)厚度≥30mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值趨于相等且接近常溫?cái)?shù)值.這表明防火涂料不僅可抑制高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂，同時(shí)還可明顯減少高溫后高強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透能力的退化.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)防火涂料厚度≥30mm時(shí)，高溫4h以?xún)?nèi)第4，5組試塊的表面平均溫度都低于200℃，一方面此溫度環(huán)境對(duì)試塊構(gòu)成了類(lèi)似蒸養(yǎng)的作用，混凝土水化更為徹底使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步致密，抗氯離子滲透能力有所提高[5，11，17]；另一方面試塊表層自由水喪失使得少量孔洞連通，導(dǎo)致混凝土的抗氯離子滲透能力又有所降低 .兩方面因素共同作用致使高溫后第4，5組試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值與未經(jīng)高溫處理的對(duì)比組試塊基本相當(dāng).

圖5 各組試塊的斷面白色沉淀Fig.5 White precipitation of each group specimens

圖6 各組氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.6 Chloride ion permeability coefficient of each groups

當(dāng)防火涂料厚度為20mm和25mm時(shí)，高溫4 h以?xún)?nèi)第2，3組試塊的表面平均溫度低于400℃，此溫度環(huán)境下混凝土內(nèi)部凝膠水的喪失以及內(nèi)部相連產(chǎn)物的剝離（化學(xué)成分為CH的產(chǎn)物與未水化水泥顆粒的脫離），導(dǎo)致內(nèi)部孔洞部分連通，抗氯離子滲透能力降低[5，11，17]，這與高溫后第2，3組試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大是吻合的.

當(dāng)防火涂料厚度等于15mm時(shí)，高溫4h以?xún)?nèi)第1組試塊的表面平均溫度已超過(guò)500℃，此溫度環(huán)境下混凝土的內(nèi)部結(jié)晶水喪失，凝膠（C—S—H）脫水分解，以及水泥石和粗骨料熱膨脹差異導(dǎo)致的界面破壞，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)始松散，抗氯離子滲透能力顯著降低[5，11，17]，這與高溫后第1組試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯增大是一致的.但此時(shí)該組試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)仍未進(jìn)入高滲透性區(qū)間，這是因?yàn)榉阑鹜苛系拇嬖谑沟没炷猎馐?00℃以上高溫作用的時(shí)間相對(duì)較短（約0.5h）.

4 文獻(xiàn)比較

表3為本文研究工作與部分文獻(xiàn)的比較.從表3中可以看出：

1）常溫下高強(qiáng)混凝土普遍具有低、中氯離子滲透性；當(dāng)溫度達(dá)到600～800℃并恒溫1～4h后，高強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透能力嚴(yán)重退化，普遍具有高滲透性.

2）升溫至800℃并恒溫3h后，本文第4，5組高強(qiáng)混凝土的氯離子滲透性仍然保持低位水平，第1，2，3組高強(qiáng)混凝土也只具有中等氯離子滲透性，且第2，3組還處于中區(qū)偏下水平，甚至低于常溫下C50混凝土的氯離子滲透性[（1.69～1.75）×10－12m2／s[6－7，9]].

通過(guò)上述分析，從抑制高強(qiáng)混凝土高溫爆裂和降低高溫后高強(qiáng)混凝土氯離子滲透性?xún)煞矫婵紤]并顧及經(jīng)濟(jì)性，我們建議實(shí)際工程中高強(qiáng)混凝土構(gòu)件表面106－2型防火涂料的厚度取20mm為宜.

表3 本文研究工作與部分文獻(xiàn)的比較Tab.3 Comparison of tests in this paper with researches in some literatures

5 結(jié) 論

1）常溫下高強(qiáng)混凝土具有低的氯離子滲透性，高溫后高強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透能力嚴(yán)重退化，普遍具有高滲透性.

2）防火涂料厚度從15mm增至20mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值迅速下降；厚度≥30mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值趨于相等且接近常溫?cái)?shù)值.

3）防火涂料厚度為20mm或25mm時(shí)，氯離子滲透性處于中區(qū)偏下水平，甚至低于常溫下C50混凝土的氯離子滲透性.

4）建議實(shí)際工程中高強(qiáng)混凝土構(gòu)件表面106－2型防火涂料的厚度取20mm為宜.

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