高強(qiáng)混凝土高溫后的紅外熱像檢測

吳慧萍，杜紅秀，成聰慧，閻蕊珍

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原030024)

高強(qiáng)混凝土在實(shí)際建筑工程中具有廣泛的應(yīng)用，然而由于高強(qiáng)混凝土自身結(jié)構(gòu)致密，滲透性低，在火災(zāi)作用下容易發(fā)生爆裂，會(huì)使得構(gòu)件承載力大幅下降。因此，合理評估火災(zāi)后建筑的承載力和安全性，提出經(jīng)濟(jì)適用的修復(fù)加固方法，對建筑具有重大意義［1-4］。有研究表明，在高強(qiáng)混凝土中摻入適宜長度、直徑和數(shù)量的聚丙烯纖維，可以提高其抗壓強(qiáng)度，而且有利于改善其高溫性能［5］。羅素蓉等［6］通過纖維自密實(shí)混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果表明，在自密實(shí)混凝土中摻入纖維，將有助于早期抗裂性能的提高。

紅外熱像是一種新型無損檢測方法，它提供了一種檢測與評估火災(zāi)混凝土的新技術(shù)［7-8］。本文采用紅外熱像技術(shù)，檢測分析了不同溫度作用后的混凝土試塊(包括摻纖維和不摻纖維兩種類型)的損傷情況，通過研究高溫后素混凝土和摻聚丙烯纖維混凝土試塊紅外熱像的變化規(guī)律，得到了混凝土試塊紅外熱像平均溫升與實(shí)際受火溫度和抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系。

1 紅外熱像檢測原理

實(shí)際上，紅外熱成像是被檢測物體表面的溫度分布圖。圖1 所示就是紅外系統(tǒng)的成像原理。在高溫作用下，混凝土?xí)霈F(xiàn)開裂、疏松等破壞?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)λ、密度ρ、比熱容c 等會(huì)由于受火溫度、受火時(shí)間的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致被測物體表面溫度和發(fā)射率不同，從而影響混凝土的紅外輻射分布，形成不同的紅外熱圖像［9-11］。通過對這些紅外熱像圖的分析，就可推斷混凝土的損傷情況。

圖1 紅外系統(tǒng)成像原理Fig.1 Principle of imaging infrared system

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)水泥采用P.O52.5 普通硅酸鹽水泥;粗骨料為粒徑5 ～16 mm 的碎石;細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.96、級配良好的豆羅砂;纖維選用長度8 mm、直徑25 μm、摻量為1.8 kg/m3的束狀單絲聚丙烯纖維，熔點(diǎn)約170 ℃，抗拉強(qiáng)度＞400 MPa，彈性模量＞3.5 GPa，比重0.91［12］;硅灰采用?？衔⒐璺?，28d 活性指數(shù)119.9%;粉煤灰為磨細(xì)粉煤灰Ⅰ級，細(xì)度為8.2%，需水量為95%，28 d 活性指數(shù)71.1%;?；郀t礦渣粉采用S95 級礦渣微粉，流動(dòng)度比為124%，7 d 活性指數(shù)82.97%，28 d 活性指數(shù)104.16%;減水劑為聚羧酸高效減水劑。

2.2 試件設(shè)計(jì)

試件采用C80 標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊(150 mm×150 mm×150 mm)，共54 塊，分不摻纖維和摻纖維兩種。將C80 高強(qiáng)混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，置室內(nèi)自然干燥。采用SRJX 型箱式電阻爐加熱，加熱溫度分別為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃8 個(gè)等級，并有3 個(gè)未加熱(20 ℃)的試塊作為對比，取出試塊在空氣中自然冷卻。試驗(yàn)共分18 組，每組3 個(gè)試件(每個(gè)溫度等級下加熱3 個(gè)試塊)。

2.3 紅外熱像檢測方法

試驗(yàn)采用TH9100 WV 型紅外熱像儀攝取不同受熱溫度下試塊的紅外熱像圖。檢測時(shí)，輻射率設(shè)置為0.92。外部加熱源為紅外線燈泡，與混凝土試塊之間的距離為1 m，加熱和散熱時(shí)間都為3 min(常溫的拍一張，然后隔30 s 拍一張)。采集圖像后，分析處理數(shù)據(jù)，得出試塊平均溫升值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 紅外熱像檢測結(jié)果與分析

摻聚丙烯纖維前后的高強(qiáng)混凝土試塊的紅外熱像如圖2、圖3 所示。由于受火溫度不同及摻加聚丙烯纖維的影響，使試塊的破壞程度存在差異，在外部加熱條件相同的情況下，混凝土試塊的熱像圖會(huì)具有不同的特征。

不摻纖維的混凝土試塊在不同溫度作用下的紅外熱像如圖2 所示。隨著受火溫度的升高，圖像的顏色逐漸發(fā)生變化，由剛開始的綠色變成淺紅色，500 ℃以后變成紅色甚至發(fā)白。對比圖2(c)、(d)圖和圖2(a)、(b)圖可以看出，500 ℃、700 ℃高溫作用下的熱像圖，與常溫、300 ℃的較低溫度作用下的熱像圖相比，圖像溫度有了顯著提高。這是因?yàn)檩^高的受火溫度，會(huì)使試塊受到更加嚴(yán)重的破壞，會(huì)在表面產(chǎn)生更多裂縫(有的甚至貫通整個(gè)試塊)，在表面這些裂縫薄弱處形成熱堆積，因此熱像溫度升高比較快，并且加熱的時(shí)間越長，熱像圖溫度升高越快。試塊在停止加熱后紅外圖像溫度逐漸降低。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度在400 ℃以下時(shí)，紅外熱像圖溫升較慢，溫度在400 ℃以上時(shí)，熱像圖溫度有了明顯提高。這表明總體上試塊的破壞程度隨著受火溫度的升高越來越嚴(yán)重，而400 ℃以后更加顯著。

圖2 不摻聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土的紅外熱像圖Fig.2 Infrared image of high－strength concrete without polypropylene fiber

摻加聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土試塊在不同受火溫度下的紅外熱像如圖3 所示。隨著受火溫度的升高，圖像的顏色由剛開始的黃色、淺紅色，變成紅色甚至發(fā)白，這與素混凝土的熱像圖變化趨勢大致相同。圖2 和圖3 都表明隨著受火溫度的升高，相應(yīng)熱像圖溫度也明顯升高，試塊的破壞程度越來越嚴(yán)重。

圖2 和圖3 不同的是，由于摻加聚丙烯纖維的影響，對比紅外熱圖像(圖2 和圖3)可以發(fā)現(xiàn)，摻加聚丙烯纖維的混凝土試塊的紅外熱像在300 ℃顏色就變紅。在相同試驗(yàn)時(shí)刻圖3 溫度都比圖2 高，這是由于混凝土中的纖維在受到高溫作用后融化，在纖維融化處留下孔洞、縫隙等缺陷，在這些位置產(chǎn)生熱堆積，因此相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)刻的熱像溫度較高。結(jié)果表明，混凝土中摻入聚丙烯纖維后，增大了混凝土的含氣量，造成混凝土密實(shí)度下降［13］，使試塊表面缺陷增多。

應(yīng)用熱像儀自帶的分析軟件計(jì)算了每組3 塊試塊不同受火溫度下3 min 的紅外熱像平均溫升值，并用壓力試驗(yàn)機(jī)測定了抗壓強(qiáng)度，然后求出不同試驗(yàn)溫度下抗壓強(qiáng)度與常溫下抗壓強(qiáng)度的比值(fcut/fcu)，即抗壓強(qiáng)度比(見表1)。

圖3 摻聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的紅外熱像圖Fig.3 Infrared image of high－strength concrete with polypropylene

表1 高強(qiáng)混凝土試塊紅外熱像檢測結(jié)果Tab.1 Results of high-strength concrete infrared thermal image

由表1 可知，隨著受火溫度的升高，素混凝土和聚丙烯纖維混凝土的紅外熱像平均溫升基本上處于上升趨勢。不摻纖維的試塊，在400 ℃以下，熱像平均溫升變化不大，在400 ℃以上，熱像平均溫升明顯上升。摻纖維的試塊，熱像平均溫升上升較顯著。素混凝土和聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度比基本上處于下降趨勢，但200°C 和300°C 時(shí)，強(qiáng)度變化不大，且有小幅度回升，這是因?yàn)樵谳^低的受火溫度下，混凝土中的游離水不斷蒸發(fā)使水泥粘結(jié)更加緊密，起到了類似于蒸汽養(yǎng)護(hù)的作用，有利于水泥進(jìn)一步水化，另外混凝土中凝膠體的低溫脫水加強(qiáng)了其與骨料的結(jié)合，從而使其強(qiáng)度增加，一定程度上抵消了由于骨料和水泥石—骨料聯(lián)系的破壞導(dǎo)致的強(qiáng)度損失［14］。

300 ℃以后，混凝土中的C-S-H 凝膠和Ca(OH)2開始脫水，Ca(OH)2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO，使Ca(OH)2原來結(jié)晶完整的片狀結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生裂縫。水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹產(chǎn)生的裂縫不斷增多。500 ℃時(shí)，混凝土中的化學(xué)組分在高溫作用下分解，微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成大量界面裂縫。C-S-H 凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開始破壞，使混凝土強(qiáng)度急劇下降，抗壓強(qiáng)度下降為原來的50%。600 ℃以后，強(qiáng)度損失率更是達(dá)到75%左右，強(qiáng)度損失嚴(yán)重。這是由于水泥中未水化的顆粒和骨料中的石英成分晶體化，骨料發(fā)生相變和熱分解，混凝土體積產(chǎn)生巨大的膨脹，界面裂縫快速發(fā)展［9］。

與素混凝土相比，摻纖維的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度變化不大，但是其高溫性能得到了改善。這是因?yàn)楦邷刈饔孟?，一旦溫度超過聚丙烯纖維的熔點(diǎn)(約170 ℃)時(shí)，纖維就會(huì)汽化，在混凝土中留下孔道，有利于釋放混凝土內(nèi)由于溫度升高產(chǎn)生的水蒸汽和熱量，改善了高溫性能［15］。

3.2 回歸分析

摻聚丙烯纖維前后的高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同的受火溫度作用后，建立紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系(圖4，圖5)，得到回歸公式如下:

①紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度的關(guān)系:

不摻纖維的高強(qiáng)混凝土平均溫升與受火溫度的關(guān)系:

摻纖維的高強(qiáng)混凝土平均溫升與受火溫度的關(guān)系:

②紅外熱像平均溫升與混凝土抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系:

不摻纖維的高強(qiáng)混凝土平均溫升與抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系:

摻纖維的高強(qiáng)混凝土平均溫升與抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系:

式中:x 為混凝土的紅外熱像平均溫升(℃);y1，y2分別為混凝土的受火溫度(℃);fcu1(T)/fcu1、fcu2(T)/fcu2分別為混凝土受火后與未受火的抗壓強(qiáng)度比(%);R2為自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)。

圖4 高強(qiáng)混凝土(HSC)平均溫升與受火溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship of temperature rise and fire temperature of high-strength concrete(HSC)

圖5 HSC 平均溫升與抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系Fig.5 Relationship of temperature rise and compressive strength of HSC

通過上述分析可知，相關(guān)系數(shù)R2數(shù)值較高，表明高強(qiáng)混凝土的平均熱像溫升與受火溫度回歸結(jié)果較好。通過檢測構(gòu)件的紅外熱像平均溫升，建立構(gòu)件表面平均溫升與受火溫度、抗壓強(qiáng)度比之間的回歸方程，就可以求得構(gòu)件實(shí)際受火溫度，推測其損傷強(qiáng)度，從而鑒定火災(zāi)后混凝土的火災(zāi)溫度、結(jié)構(gòu)損傷程度，有利于及時(shí)修復(fù)災(zāi)后建筑物。

4 結(jié) 論

①摻聚丙烯纖維前后的高強(qiáng)混凝土試塊在不同溫度作用后的紅外熱像圖及抗壓強(qiáng)度比的變化規(guī)律大體相同，隨著受火溫度的升高，紅外熱像溫度升高，而抗壓強(qiáng)度降低，表明試塊損傷趨于嚴(yán)重。

②不摻纖維的高強(qiáng)混凝土試塊在受火溫度低于400°C 時(shí)損傷不嚴(yán)重，熱像平均溫升上升幅度小，強(qiáng)度稍有下降。受火溫度在500°C 以上時(shí)，熱像溫度明顯升高，強(qiáng)度大幅下降，試塊損傷嚴(yán)重;聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土試塊隨著受火溫度的升高，熱像平均溫升的上升趨勢和抗壓強(qiáng)度的下降趨勢都比較明顯，損傷嚴(yán)重。

③摻聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土紅外熱像溫度比素混凝土高，表明加入纖維后使試塊表面缺陷有所增加。

④迄今，摻纖維的高強(qiáng)混凝土高溫?fù)p傷的研究成果較少。因此，有必要對纖維混凝土遭受火災(zāi)作用的結(jié)構(gòu)損傷開展進(jìn)一步的研究。通過對紅外熱像儀攝取的紅外熱像圖分析，建立了摻纖維的高強(qiáng)混凝土熱像平均溫升與受火溫度、抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系分別如下:y2=1261.8x2-7528.9x+11199，fcu2(T)/fcu2=-168.4x2+1043.2x-1517.6，這可用于鑒定混凝土的受火溫度及推定損傷程度，便于提出經(jīng)濟(jì)適用的修復(fù)加固方法。

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