高性能水泥基灌漿料高溫后抗壓強(qiáng)度退化規(guī)律

袁廣林， 李 青， 李慶濤， 張倩茜

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.大地工程開發(fā)（集團(tuán)）有限公司 選煤設(shè)計(jì)研究院，天津 300381）

近年來，高性能水泥基灌漿料由于超早強(qiáng)、大流動(dòng)度、無收縮以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固工程.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高性能水泥基灌漿料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，取得了一定的成果［1］，并得以應(yīng)用［2－4］，同時(shí)中國也已經(jīng)正式頒布實(shí)施有關(guān)水泥基灌漿料的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［5－6］.但對(duì)高性能水泥基灌漿料高溫后的性能研究尚未見相關(guān)報(bào)道.而建筑火災(zāi)的頻繁發(fā)生［7－8］，對(duì)采用高性能水泥基灌漿料的結(jié)構(gòu)受火后性能進(jìn)行評(píng)估，使得開展水泥基灌漿料高溫后力學(xué)性能的研究具有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

水泥基灌漿料遭受高溫后，其表觀特征和力學(xué)性能都將發(fā)生改變，而這些改變受很多因素的影響，如養(yǎng)護(hù)方式、火災(zāi)最高溫度、高溫持續(xù)時(shí)間、高溫后的冷卻方式及靜置時(shí)間等.考慮到現(xiàn)場施工條件、受火情況和滅火方式的復(fù)雜性，本文通過對(duì)摻水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、受火溫度、靜置時(shí)間及冷卻方式均不同的水泥基灌漿料試塊進(jìn)行試驗(yàn)，來研究高溫后水泥基灌漿料力學(xué)性能的變化規(guī)律，從而為今后高性能灌漿料加固結(jié)構(gòu)受火后的性能評(píng)估提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試塊制作與分組

試驗(yàn)選用的水泥基灌漿料為某公司生產(chǎn)的CGM－1加固型高強(qiáng)無收縮灌漿料，成分為水泥、細(xì)骨料、外加劑及礦物摻和料，骨料粒徑大于4.75mm，1d膨脹率為0.002%.

試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮3種摻水率（12%，14%，16%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、4個(gè)受熱溫度（150，300，450，600℃）、6個(gè)靜置時(shí)間點(diǎn)（1，3，7，14，28，56d）和2種冷卻方式（自然冷卻和噴水冷卻），制作高溫試塊144組，每組3塊；另制作3組常溫試塊進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).試塊尺寸均為100mm×100mm×100mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，取出放置14d后進(jìn)行高溫試驗(yàn).常溫下，摻水率為12%，14%，16%的灌漿料28d立方體抗壓強(qiáng)度分別為74.2，67.8，59.5MPa.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加熱設(shè)備采用中國礦業(yè)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與材料實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的GWD－05型專用高溫加熱爐.連接在高溫計(jì)上的熱電偶用來測量爐內(nèi)溫度，通過控制儀實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的自動(dòng)控制.

試驗(yàn)升溫速度約10℃／min，達(dá)到目標(biāo)溫度后保持90min，然后取出試塊，對(duì)其進(jìn)行自然冷卻或噴水冷卻，冷卻至常溫，在室內(nèi)分別放置1，3，7，14，28，56d后進(jìn)行加載試驗(yàn).

加載試驗(yàn)采用 WE－1000A型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速度控制在3～5kN／s.

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

水泥基灌漿料試塊由室溫分別加熱到150，300，450，600℃，經(jīng)歷自然冷卻或噴水冷卻后，灌漿料試塊的表面特征發(fā)生了一系列變化：隨著受火溫度的升高，試塊表面顏色由原色依次變?yōu)榇u紅色、暗紅色、灰白色，自然冷卻或噴水冷卻情況下試塊顏色接近，噴水冷卻較自然冷卻略微泛白；在溫度t≤150℃時(shí)，試塊表面幾乎無裂紋，當(dāng)達(dá)到300℃時(shí)，試塊表面出現(xiàn)非常有限的幾條細(xì)小裂紋，但當(dāng)溫度達(dá)到450，600℃時(shí)，表面裂紋明顯增多，且逐漸連通，溫度越高，裂紋寬度相對(duì)越大，并且發(fā)現(xiàn)摻水率為12%試塊的高溫裂縫少于摻水率為14%，16%的試塊.同時(shí)，隨著溫度的升高，水泥基灌漿料試塊質(zhì)量損失現(xiàn)象越來越明顯，600℃高溫后試塊明顯變輕，其表面也呈現(xiàn)出較明顯的疏松狀況.試驗(yàn)現(xiàn)象具體見表1.

表1 高溫后立方體試塊外觀特征一覽表Table 1 Check list of apparent phenomena after exposure to high temperature

1.4 試件破壞特征

不同溫度下的灌漿料立方體試塊加載后破壞形態(tài)與混凝土類似，最終試塊破壞形成兩個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F形破壞面.原因是試塊受壓時(shí)，灌漿料試塊的橫向變形受到試塊與壓力機(jī)墊板間摩擦力的約束，形成“套箍”作用.在此作用下，試塊與墊板的接觸面局部處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，故形成兩個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F形破壞面.

和普通混凝土相比，灌漿料的破壞表現(xiàn)出更為明顯的脆性.對(duì)于試驗(yàn)溫度t≤300℃的試塊，其破壞形態(tài)與常溫試塊差別很小，中心強(qiáng)度很高，隨著溫度的升高，逐漸表現(xiàn)出一定的塑性.當(dāng)最高溫度達(dá)到450～600℃時(shí)，試塊上下端的裂縫和邊角缺損情況漸趨嚴(yán)重，細(xì)骨料與膠凝材料剝離現(xiàn)象明顯，核心部分面積逐漸減小，經(jīng)噴水冷卻后試塊的破壞更為嚴(yán)重.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 摻水率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

以受火后靜置14d的水泥基灌漿料為例，不同摻水率條件下水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)見圖1.

圖1 不同摻水率條件下試塊抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.1 Relation of compressive strength with temperature under different water addition ratio

由圖1可以看出，在自然冷卻條件下，摻水率為14%，16%的灌漿料試塊的抗壓強(qiáng)度與摻水率為12%的灌漿料相比，抗壓強(qiáng)度最大差值均出現(xiàn)在450℃，分別相差16.2，23.6MPa；在噴水冷卻條件下，摻水率為14%的試塊抗壓強(qiáng)度與摻水率為12%的試塊相比最大差值出現(xiàn)在450℃時(shí)，相差19.4MPa，摻水率為16%的試塊抗壓強(qiáng)度與摻水率為12%的試塊相比最大差值出現(xiàn)在600℃，相差23.3MPa.導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是：摻水率為12%的灌漿料試塊在受火溫度高于300℃時(shí)產(chǎn)生的裂縫較摻水率為14%，16%的試塊少，因此在受火溫度超過300℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于后兩者的抗壓強(qiáng)度.

依據(jù)上述分析結(jié)果，下文主要分析水泥基灌漿料摻水率為12%時(shí)，受火溫度、靜置時(shí)間與冷卻方式對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響.

2.2 受火溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

水泥基灌漿料在摻水率為12%的條件下，其抗壓強(qiáng)度與受火溫度的關(guān)系如圖2所示.由圖2可以看出，隨著溫度的升高，經(jīng)歷不同冷卻方式灌漿料抗壓強(qiáng)度的總體變化趨勢(shì)是下降的.在自然冷卻條件下，當(dāng)溫度由150℃升至450℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降較緩慢；在噴水冷卻條件下，溫度從常溫升至450℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)先降低后有一定恢復(fù)的趨勢(shì).總體來看，在兩種冷卻方式下，當(dāng)受火溫度超過450℃時(shí)，由于水泥水化產(chǎn)物的嚴(yán)重破壞，灌漿料抗壓強(qiáng)度下降較明顯.

圖2 試塊抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.2 Relation of compressive strength with temperature

以冷卻后靜置7d為例，來分析水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律.在自然冷卻條件下，當(dāng)受火溫度為150，300，450，600℃時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度分別為常溫試塊的82.7%，77.1%，69.5%，50.8%.當(dāng)受火溫度t≤150℃時(shí)，試塊內(nèi)自由水的蒸發(fā)使得試塊內(nèi)部形成毛細(xì)裂縫和孔隙，造成材料抗壓強(qiáng)度下降較快；當(dāng)150℃＜t≤450℃時(shí)，隨著溫度的升高，試塊抗壓強(qiáng)度退化速率有所減緩.造成這一現(xiàn)象的主要原因是在150℃＜t≤450℃時(shí)，隨著受火溫度提高，骨料和水泥凝膠體的體積有所膨脹，填補(bǔ)或部分填補(bǔ)了毛細(xì)裂縫和孔隙，骨料咬合作用也有所增強(qiáng)，故抗壓強(qiáng)度降低幅度減緩；之后繼續(xù)升溫，C－S－H 凝膠開始大量分解，Ca（OH）2脫水分解生成CaO，而石英在500℃以上高溫時(shí)也由穩(wěn)定的α型石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣滦褪?，?dǎo)致體積快速膨脹，內(nèi)部裂縫大量增加，使得強(qiáng)度降低較快.在噴水冷卻條件下，當(dāng)受火溫度為150，300，450，600℃時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度分別為常溫試塊的84.0%，64.5%，74.7%，73.8%.在t＝300℃時(shí)，出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的一個(gè)低谷值，原因是試塊遭受高溫后突然噴水冷卻，造成灌漿料試塊外表面溫度驟然降低，導(dǎo)致水泥基灌漿料強(qiáng)度下降.在t≤150℃時(shí)，由于受火溫度較低，噴水冷卻雖因水的存在而造成外表面溫度降低，但內(nèi)外溫度差較小，故對(duì)試塊內(nèi)部造成損傷較小.而當(dāng)150℃＜t≤300℃時(shí)，灌漿料試塊體積膨脹，高溫增強(qiáng)的骨料咬合作用由于水的提供又會(huì)減弱，所以在t＝300℃時(shí)，出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的一個(gè)低谷值.當(dāng)t超過300℃時(shí)，Ca（OH）2大量分解生成CaO，在噴水冷卻的條件下CaO吸水重新生成Ca（OH）2，然后和空氣中的CO2作用生成CaCO3，從而使高溫后灌漿料強(qiáng)度有所恢復(fù).但當(dāng)達(dá)到600℃時(shí)，由于高溫破壞嚴(yán)重，試塊強(qiáng)度很難恢復(fù)，所以強(qiáng)度仍然較低.

2.3 靜置時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

以摻水率為12%的水泥基灌漿料為例，在兩種冷卻方式條件下其抗壓強(qiáng)度與高溫后靜置時(shí)間的關(guān)系見圖3.

圖3 試塊抗壓強(qiáng)度與靜置時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relation of compressive strength with standing time

由圖3（a）可知，對(duì)于自然冷卻的試塊，當(dāng)t≤450℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度在靜置前期波動(dòng)比較明顯，當(dāng)t＝150，300，450℃時(shí)，都在靜置3～7d內(nèi)出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的最小值，該最小值在以上3種受火溫度下分別為常溫下試塊抗壓強(qiáng)度 的 81.7%，77.1%，69.5%.在達(dá)到最低點(diǎn)后，其抗壓強(qiáng)度開始緩慢回升，以后漸趨平穩(wěn).在靜置56d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別為常溫試塊的86.0%，86.9%，85.4%.當(dāng)t＝600℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的增加波動(dòng)不大，在靜置56d時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度為常溫試塊的41.4%.這是因?yàn)楫?dāng)600℃時(shí)材料破壞嚴(yán)重，自然冷卻條件下試塊強(qiáng)度嚴(yán)重降低且很難恢復(fù)，所以試塊抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的增加而持續(xù)下降.

由圖3（b）可知，對(duì)于噴水冷卻的試塊，其抗壓強(qiáng)度在靜置1d時(shí)出現(xiàn)最小值，該最小值在t＝150，300，450，600℃時(shí)為常溫試塊抗壓強(qiáng)度的76.1%，71.0%，63.9%，48.5%.其原因是噴水冷卻造成灌漿料試塊外表面溫度驟然降低，內(nèi)外溫度差產(chǎn)生不均勻的溫度場，對(duì)試塊造成材料的損傷，這種損傷在1d時(shí)未能得到恢復(fù)，因此在此時(shí)出現(xiàn)最小值.在靜置前期試塊抗壓強(qiáng)度波動(dòng)比較明顯，材料強(qiáng)度有所恢復(fù)，這是由于隨時(shí)間的推移，水分的參與使材料中Ca（OH）2和CaO吸收水分并結(jié)合空氣中的CO2進(jìn)一步生成CaCO3，從而強(qiáng)度得以提高.在經(jīng)過短暫波動(dòng)后，強(qiáng)度再次回落，以后漸趨平穩(wěn).最終在靜置56d后，4種受火溫度下試塊的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到常溫試塊的75.6%，64.0%，80.7%，59.2%.

2.4 冷卻方式對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2中靜置時(shí)間為28d，摻水率為12%的水泥基灌漿料高溫后抗壓強(qiáng)度與冷卻方式的關(guān)系可以看出，當(dāng)t＝150℃時(shí)，自然冷卻與噴水冷卻條件下試塊的抗壓強(qiáng)度分別是67.0，62.4MPa，為常溫下立方體試塊抗壓強(qiáng)度的90.3%，84.1%；當(dāng)t＝300℃時(shí)，自然冷卻與噴水冷卻條件下試塊的抗壓強(qiáng)度分別是67.8，65.2MPa，為常溫下立方體試塊抗壓強(qiáng)度的91.4%，87.9%；隨著受火溫度的升高，當(dāng)t＝450℃時(shí)，經(jīng)歷自然冷卻與噴水冷卻之后的試塊抗壓強(qiáng)度分別是66.2，69.1MPa，為常溫下立方體試塊抗壓強(qiáng)度的89.2%，93.1%；溫度繼續(xù)升高至600℃，試塊嚴(yán)重破壞，經(jīng)歷自然冷卻后，試塊抗壓強(qiáng)度是37.9MPa，為常溫試塊的51.1%，經(jīng)歷噴水冷卻后，試塊的抗壓強(qiáng)度為47.9MPa，恢復(fù)至常溫試塊的64.6%.

由圖2還可以看出，在靜置時(shí)間相同的條件下，當(dāng)受火溫度不太高時(shí)（不大于300℃），噴水冷卻對(duì)試塊強(qiáng)度的恢復(fù)作用有限；在受火溫度較高（不小于450℃）時(shí)，隨受火溫度的升高，噴水冷卻對(duì)試塊的強(qiáng)度恢復(fù)作用較明顯.產(chǎn)生這種情況的原因是：當(dāng)受火溫度不太高時(shí)，高性能水泥基灌漿料的水泥水化產(chǎn)物損傷較輕，但噴水冷卻造成溫度驟降，由此造成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步損傷，而噴水冷卻中水分的參與對(duì)受火后灌漿料的強(qiáng)度恢復(fù)影響不大.隨著受火溫度的升高（不小于450℃），高性能水泥基灌漿料的水泥水化產(chǎn)物破壞更加嚴(yán)重，與自然冷卻相比，在噴水冷卻條件下，水分的參與可使生成的Ca（OH）2和空氣中的CO2作用生成CaCO3，強(qiáng)度恢復(fù)較明顯，導(dǎo)致在經(jīng)歷較高溫度后噴水冷卻灌漿料的強(qiáng)度超過了自然冷卻灌漿料的強(qiáng)度.

3 結(jié)論

（1）在自然冷卻與噴水冷卻條件下，摻水率為12%的水泥基灌漿料受火后的抗壓強(qiáng)度明顯高于摻水率為14%和16%的水泥基灌漿料.

（2）水泥基灌漿料受高溫或火災(zāi)作用后，其立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高總體呈下降趨勢(shì).

（3）受火災(zāi)作用后水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度在前期波動(dòng)比較大，隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定.自然冷卻情況下在高溫后3～7d出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度最小值，噴水冷卻情況下在高溫后1d左右出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度最小值.

（4）在靜置時(shí)間相同的條件下，當(dāng)受火溫度不太高時(shí)（不大于300℃），噴水冷卻對(duì)試塊強(qiáng)度的恢復(fù)作用有限；在受火溫度較高時(shí)，隨受火溫度的升高，噴水冷卻對(duì)試塊的強(qiáng)度恢復(fù)作用較明顯.

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