高溫后混凝土力學(xué)性能及微觀特性研究

郭 強(qiáng)，吳守軍，張 博(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，混凝土用量不斷增加，人口的集中居住也導(dǎo)致建筑火災(zāi)的頻繁發(fā)生。雖然混凝土是一種熱惰性材料，但當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，混凝土內(nèi)部的一系列物理及化學(xué)變化會(huì)削弱其力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致構(gòu)件喪失承載能力進(jìn)而引起建筑物坍塌，危及人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

目前已有許多學(xué)者對(duì)高溫后混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究[1-5]。其中，賈彬[1]、陳宗平[2]等研究了高溫后的混凝土的力學(xué)特性及本構(gòu)方程；翟越[3]的研究則揭示了溫度及冷卻方式對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響；Chen Bing[4]等對(duì)比研究了高溫后早齡期混凝土與普通齡期混凝土的性能；Li Zhiwu[5]從靜態(tài)及動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面研究了高溫后的混凝土的力學(xué)性能。但這些研究未對(duì)引起混凝土性能劣化的內(nèi)在微觀變化作出研究。

高溫對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，已有少量研究[6,7]，如尤作凱[6]的研究表明600 ℃以上混凝土可以觀測(cè)到氣孔、貫穿裂縫和結(jié)構(gòu)變得疏松等現(xiàn)象。但試驗(yàn)中用于微觀結(jié)構(gòu)變化觀測(cè)的樣品取自高溫、并經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)后的大樣塊，取樣時(shí)難以避免高溫后混凝土產(chǎn)生的裂縫發(fā)生變化，而且由于不同溫度對(duì)混凝土微結(jié)構(gòu)的影響有差異，會(huì)導(dǎo)致取樣時(shí)引起的裂縫變化程度不同；而且，該研究中主要關(guān)注了水泥漿體的微觀變化，未關(guān)注水泥漿體與骨料界面變化。金祖權(quán)等[7]的研究指出骨料與凈漿在高溫作用下的變形差異導(dǎo)致了混凝土漿集界面區(qū)裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。但該研究并未涉及含粗骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化。從上述研究看，目前有關(guān)高溫對(duì)混凝土影響的研究有待進(jìn)一步改進(jìn)微觀分析，并進(jìn)一步建立微觀結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)性能變化的內(nèi)在聯(lián)系。

本文擬通過(guò)高溫作用后混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及微觀結(jié)構(gòu)分析，從微觀層面揭示高溫對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際工程建設(shè)提供一定參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)澆筑C30混凝土，使用的水泥為盾石牌32.5R普通硅酸鹽水泥，粗骨料為卵石，最大粒徑20 mm，細(xì)骨料為渭河沖砂，細(xì)度模數(shù)2.79，屬中砂，拌和水采用楊凌地區(qū)自來(lái)水，表1為每立方米混凝土的配合比。

表1 混凝土的配合比Tab.1 Mix proportion of the concrete

試驗(yàn)使用高溫電爐對(duì)混凝土進(jìn)行加熱，電爐爐膛尺寸300 mm×300 mm×350 mm，額定功率30 kW，最高溫度可達(dá)1 600 ℃。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

為研究高溫對(duì)混凝土力學(xué)性能影響，共制作4組立方體試塊組及4組棱柱體試塊組，每組3塊，立方體試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體試塊尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。將其中一組作為常溫下對(duì)照組，其余3組分別經(jīng)400、600、800 ℃作用2 h后再進(jìn)行研究。

為便于微觀結(jié)構(gòu)觀察和消除大樣塊切割引起試塊內(nèi)部裂縫的變化，微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣品采用直徑為30 mm，高度為10 mm的圓柱狀澆筑C30混凝土。進(jìn)行高溫試驗(yàn)前，將在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后的柱試樣的端面依次采用120、240、400和600號(hào)的磨光，然后依次采用粒度為5、2.5、1、0.5 μm金剛石拋光液拋光，以避免后期拋光對(duì)樣品微觀形貌產(chǎn)生影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)FEI Q45進(jìn)行高溫作用前后樣品微觀形貌變化觀察。

將養(yǎng)護(hù)好的試樣放入烘箱內(nèi)烘干其內(nèi)部自由水，烘干時(shí)間5 d，烘箱溫度設(shè)定為80 ℃。高溫試驗(yàn)時(shí)，將電爐升溫至設(shè)計(jì)溫度后放入試塊(由于有熱負(fù)荷此時(shí)爐內(nèi)溫度會(huì)下降)，待爐內(nèi)溫度再次升至設(shè)計(jì)溫度時(shí)開始計(jì)時(shí)，加熱至2 h后取出試塊，在室溫下自然冷卻24 h以上再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2 高溫作用后試件顏色及表面狀態(tài)

混凝土試件在經(jīng)受高溫后，試件顏色及表面會(huì)發(fā)生變化。試件的顏色及表面隨受熱溫度的變化情況見表2。

表2 試件的顏色及表面隨受熱溫度的變化情況Tab.2 The changing of color and surface with temperature

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見圖1。

圖1 立方體抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系圖Fig.1 The relationship between cube compressive strength and temperature

由圖1可以看出混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨著溫度升高持續(xù)降低，原始混凝土和在400、600、800 ℃作用2 h后的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值分別為55.2、37.9、25.9、16.9 MPa。而且強(qiáng)度-位移曲線的峰值點(diǎn)逐漸向右向下移動(dòng)，曲線形狀趨于扁平。

高溫作用后棱柱體抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 棱柱體抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系圖Fig.2 The relationship between prism compressive strength and temperature

從圖2可知：高溫后棱柱體抗壓強(qiáng)度曲線亦隨溫度升高逐漸趨于扁平，表明溫度越高，混凝土性能劣化越厲害。而原始混凝土和在400、600、800 ℃作用2 h后的混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值分別為42.4、23.8、13.2、3.9 MPa。

對(duì)比立方體抗壓試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高溫前后，棱柱體抗壓強(qiáng)度下降更多，800 ℃時(shí)棱柱體抗壓強(qiáng)度幾乎消失殆盡,這有可能是棱柱體試塊較立方體試塊尺寸更大，內(nèi)部初始缺陷更多造成的。

3.2 溫度對(duì)混凝土微觀形貌的影響

圖3是試樣經(jīng)過(guò)不同溫度高溫作用2 h前后的微觀形貌照片?？梢钥闯?，未經(jīng)高溫作用的原始素混凝土中，水泥漿體與骨料緊密結(jié)合，整個(gè)混凝土內(nèi)部觀察不到明顯的裂縫。在400 ℃下作用2 h后，水泥漿體與骨料之間出現(xiàn)裂縫，漿體中局部可以觀察到裂縫，同時(shí)漿體變得疏松，可以觀察到小的孔洞；600 ℃下作用2 h后，水泥漿體與骨料之間裂縫寬度顯著增大，漿體中普遍可以觀察到裂縫，即出現(xiàn)整體網(wǎng)狀裂縫，且漿體中的微小孔洞變大；同時(shí)漿體疏松程度增大，局部出現(xiàn)較大的粉狀顆粒。800 ℃下作用2 h后，裂縫進(jìn)一步變大，水泥漿體與骨料之間無(wú)明顯黏合，漿體疏松明顯。

圖3 試樣經(jīng)過(guò)不同溫度高溫作用2 h前后的微觀形貌照片F(xiàn)ig.3 Micro-morphologies of the samples before and after exposed to different temperatures for 2 h

混凝土的強(qiáng)度來(lái)源于水泥漿體，在組成特定情況下，水泥漿體中的孔隙愈多，強(qiáng)度愈低；水泥漿體與骨料黏結(jié)越好，混凝土的強(qiáng)度越高。在高溫后，水泥漿體中的微小孔洞隨溫度升高而增大；骨料與水泥漿體黏合面出現(xiàn)裂縫，溫度升高黏合面裂縫逐漸擴(kuò)展為彼此連貫的整體網(wǎng)狀裂縫；因此隨著溫度的升高，混凝土的力學(xué)性能持續(xù)降低。而在800 ℃下作用2 h后，裂縫進(jìn)一步變大，水泥漿體與骨料之間無(wú)明顯黏合，漿體疏松明顯，因此力學(xué)性能出現(xiàn)非常顯著地劣化。

4 結(jié) 論

(1)高溫作用后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律一致，隨溫度的升高，抗壓強(qiáng)度均下降；就強(qiáng)度-位移曲線而言，隨著溫度升高，曲線逐漸趨于扁平，其峰值點(diǎn)呈向下向右移動(dòng)的趨勢(shì)。

(2)高溫作用下，隨著溫度的升高混凝土微觀形貌的變化主要表現(xiàn)在：原始素混凝土水泥漿體密實(shí)、無(wú)明顯孔洞，水泥漿體與骨料之間黏合緊密，觀察不到裂縫；400 ℃水泥漿體與骨料之間出現(xiàn)裂縫，600 ℃水泥漿體與骨料之間裂縫寬度顯著增大，漿體中普遍可以觀察到裂縫，即出現(xiàn)整體網(wǎng)狀裂縫，且漿體中的微小孔洞變大，水泥漿體局部出現(xiàn)較大的粉狀顆粒；800 ℃水泥漿體與骨料之間完全脫落，漿體疏松明顯。

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[1] 賈 彬, 楊 帆, 陶俊林，等. 混凝土高溫力學(xué)特性及本構(gòu)方程[J]. 混凝土, 2014,(4):25-32.

[2] 陳宗平, 王歡歡, 陳宇良. 高溫后混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 混凝土, 2015,(1):13-17.

[3] 翟 越, 艾曉芹, 鄧子辰，等. 受火溫度和冷卻方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,41(11):75-80.

[4] Chen Bing, Li Chunling, Chen Longzhu. Experimental study of mechanical properties of normal-strength concrete exposed to high temperatures at an early age[J]. Fire Safety Journal, 2009,44:997-1 002.

[5] Li Zhiwu, Xu Jinyu, Bai Erlei. Static and dynamic mechanical properties of concrete after high temperature exposure[J]. Materials Science and Engineering A, 2012,544:27-32.

[6] 尤作凱. 高溫后混凝土微觀結(jié)構(gòu)演化及RC梁性能研究[D]. 北京：北京建筑大學(xué), 2013.

[7] 金祖權(quán),孫 偉,侯保榮，等. 混凝土的高溫變形與微結(jié)構(gòu)演化[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,40(3):619-623.