圍壓對(duì)高溫后玄武巖纖維混凝土滲透率及孔隙結(jié)構(gòu)的影響

薛維培, 高 聰, 申 磊, 劉曉媛

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

玄武巖纖維強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫,摻入混凝土中能夠提高工作性能[1],因而掌握玄武巖纖維混凝土(BFRC)的性能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估具有重要意義,特別是火災(zāi)作用后BFRC的性能更受學(xué)者關(guān)注.趙燕茹等[2]針對(duì)高溫后BFRC的靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)存在溫度閾值,閾值前隨著溫度的升高,其抗壓強(qiáng)度有所增加、抗折強(qiáng)度快速降低,閾值后隨著溫度的升高,其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均明顯降低.REN等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)不同溫度下BFRC的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、臨界應(yīng)變、沖擊韌性隨著動(dòng)態(tài)荷載速率的增大而增加,表現(xiàn)出明顯的速率敏感性.樸戰(zhàn)東[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高BFRC的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度先增加后減小,軸心抗壓強(qiáng)度逐漸降低.當(dāng)前研究主要圍繞高溫后BFRC的力學(xué)性能[2-6],然而滲透性能對(duì)火災(zāi)中BFRC構(gòu)件的爆裂剝落行為存在重要影響,現(xiàn)有關(guān)于BFRC滲透性能的研究是在常溫下開展[7-8],與高溫后滲透性能存在區(qū)別;同時(shí)火災(zāi)過后構(gòu)件服役過程還將受到變荷載作用,此時(shí)對(duì)構(gòu)件耐久性評(píng)估則需考慮變荷載的影響,而滲透性能優(yōu)劣又取決于內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況.

因此,本文針對(duì)高溫后BFRC開展變圍壓作用下的滲透性能研究,通過改變?cè)囼?yàn)過程中的圍壓來模擬工程中變荷載作用,測(cè)試各級(jí)圍壓作用下BFRC的滲透率,明確滲透率隨圍壓變化規(guī)律,并對(duì)圍壓作用前后試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征進(jìn)行研究,采用圍壓敏感系數(shù)和無因次滲透率分析了變圍壓過程中BFRC滲透率的演化規(guī)律.研究結(jié)果對(duì)火災(zāi)后BFRC構(gòu)件的耐久性評(píng)估與修復(fù)具有參考價(jià)值.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與試件制備

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂,粒徑范圍為5～16mm的玄武巖,NF-F復(fù)合型外加劑[9],BC3-12型玄武巖纖維[10].為便于比較,同時(shí)制備了基準(zhǔn)組混凝土(RC),混凝土的配合比見表1.

表1 混凝土的配合比

成型150mm×150mm×150mm的立方體試塊,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,再對(duì)立方體試塊取芯,獲得φ50×100mm圓柱體,采用聲波測(cè)試儀篩選波速相近的試件進(jìn)行變圍壓作用下滲透率測(cè)試試驗(yàn).為避免水在試件內(nèi)部滲流過程中與膠凝材料進(jìn)一步水化對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的干擾,將篩選出的試件置于靜水養(yǎng)護(hù)池內(nèi)養(yǎng)護(hù)180d[11].達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后,將試件從靜水養(yǎng)護(hù)池內(nèi)取出自然晾干5d,隨后放入SX5-12型箱式電阻爐內(nèi)加熱,設(shè)置溫度t=100、300、600℃.

1.2 試驗(yàn)方案

為研究高溫對(duì)試件孔隙結(jié)構(gòu)的影響,將高溫后的試件進(jìn)行飽水處理,用MesoMR23-060V-1型核磁共振儀對(duì)其開展第1次核磁共振試驗(yàn).隨后采用TAW-2000型三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)飽水試件進(jìn)行變圍壓作用下的滲透率測(cè)試,設(shè)置圍壓C=3、4、5、6、7、8MPa,滲透水壓恒定為1.6MPa,軸壓恒定為1kN[12].試驗(yàn)開始后,進(jìn)行圍壓分級(jí)穩(wěn)壓加載,在每級(jí)圍壓作用下孔隙水流量與時(shí)間曲線呈線性增長(zhǎng)且斜率保持不變時(shí),認(rèn)為其處于穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài),保持該狀態(tài)1h以上,再調(diào)整圍壓進(jìn)入下1級(jí).當(dāng)?shù)?級(jí)圍壓達(dá)到預(yù)定值后,在試件上端施加滲透水壓、下端與大氣壓相連,滲透率測(cè)試試驗(yàn)完成后再次進(jìn)行第2次核磁共振試驗(yàn).

高溫后試件在各級(jí)圍壓作用下的滲透率K由達(dá)西定律計(jì)算：

(1)

式中：μ為滲流水黏度系數(shù);Q為水滲入試件內(nèi)的流量,m3;L為試件高度,m;A為水通過試件的橫截面面積,m2;P為滲透水壓,Pa.

2 結(jié)果與分析

2.1 圍壓對(duì)滲透率的影響

圖1為不同圍壓下RC和BFRC試件的滲透率.由圖1可見：

圖1 不同圍壓下RC和BFRC試件的滲透率Fig.1 Permeability of RC and BFRC specimens under different confining pressures

(1)RC和BFRC試件的滲透率均隨圍壓增加呈下降趨勢(shì),符合負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減規(guī)律,試驗(yàn)曲線與擬合曲線吻合度高.圍壓加載初期(3～5MPa),滲透率下降速度最快;圍壓繼續(xù)增加(5～7MPa),滲透率下降速度變緩;最終當(dāng)圍壓為7～8MPa時(shí),滲透率趨于平穩(wěn).這主要是圍壓增大使得試件的滲流通道被壓密,致使其滲透率降低.圍壓加載初期,試件內(nèi)部存在大量孔隙[13],而這些孔隙是組成滲流通道的重要部分,初始孔隙多、隙寬大,更容易受圍壓影響,故在加載初期滲透率下降速度最快;隨著圍壓的增加,較小的孔隙被壓密,剩余孔隙數(shù)量減小且隙寬變窄,滲透率下降速度逐漸變緩;當(dāng)圍壓加載至特定水平時(shí),試件內(nèi)部可被壓密孔隙達(dá)到最大數(shù)量且隙寬最窄,滲透率便不再受圍壓變化影響,趨于平穩(wěn)發(fā)展.

(2)同組試件經(jīng)不同高溫處理后,初始滲透率隨溫度升高而增大.以RC試件為例,100、300、600℃高溫后初始滲透率分別為10.052×10-19、4.311×10-18、8.247×10-18m2.這是因?yàn)?00℃時(shí)試件內(nèi)水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠由于受熱脫去一部分化合水或結(jié)晶水,水蒸發(fā)逸出時(shí)產(chǎn)生的微小孔洞,使?jié){體結(jié)構(gòu)較為松散;600℃時(shí)試件內(nèi)C-S-H凝膠中大量化合水或結(jié)晶水喪失,顆粒間結(jié)合力松弛,漿體結(jié)構(gòu)松散[14],因此滲透率增大.

(3)相同溫度下,BFRC試件初始滲透率低于RC試件,當(dāng)溫度由100℃上升至600℃時(shí),2組試件初始滲透率依次相差48.16%、33.89%、1.57%.600℃高溫后,隨著圍壓增加BFRC試件滲透率逐漸大于RC試件,差距范圍在1.85%～16.18%.這是因?yàn)樾鋷r纖維能抑制混凝土內(nèi)部原有缺陷擴(kuò)展并有效延緩新孔隙出現(xiàn),進(jìn)而提高基體密實(shí)性,致使?jié)B流通道減少,故BFRC試件滲流能力較弱.而當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí),此時(shí)非常接近玄武巖纖維使用溫度極限(650℃),玄武巖纖維增強(qiáng)基體密實(shí)性效果逐步減弱甚至喪失,故2組試件滲透率非常接近.

2.1.1圍壓敏感系數(shù)

為了定量描述各級(jí)圍壓作用下試件滲透率變化情況,引入圍壓敏感系數(shù)ξ：

(2)

式中：K0為初始滲透率,m2.

圖2為圍壓敏感系數(shù)擬合曲線.由圖2可見：(1)圍壓敏感系數(shù)ξ隨圍壓增大呈減小趨勢(shì),且服從負(fù)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律.(2)根據(jù)ξ值的大小,將整個(gè)過程分為敏感區(qū)(3MPa≤C≤5MPa)、過渡區(qū)(5MPa

圖2 圍壓敏感系數(shù)擬合曲線Fig.2 Fitting curves of confining pressure sensitive coefficient

2.1.2無因次滲透率

為減少因試件自身差異造成的影響,對(duì)所得滲透率進(jìn)行歸一化處理,定義無因次滲透率λ為：

(3)

式中：Ki為各級(jí)圍壓作用下滲透率,m2.

圖3為無因次滲透率擬合曲線.由圖3可見：隨著圍壓的增加,RC和BFRC的無因次滲透率均先快速下降、再緩慢降低、最終趨于平穩(wěn);當(dāng)圍壓從3MPa加載至5MPa時(shí),100、300、600℃下,RC試件的無因次滲透率依次降低了40.62%、61.71%、74.34%,BFRC試件的無因次滲透率依次降低了26.65%、57.14%、68.91%,可見在圍壓敏感區(qū)范圍內(nèi)隨著溫度的升高,無因次滲透率呈增加趨勢(shì),2組試件無因次滲透率降幅的差距越來越小.這是因?yàn)?00℃下圍壓作用對(duì)試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)最小,且該級(jí)溫度要遠(yuǎn)小于玄武巖纖維的使用溫度極限,故此時(shí)玄武巖纖維能夠很好地發(fā)揮出抑制孔隙結(jié)構(gòu)劣化的作用,宏觀表現(xiàn)為初始滲透率低且滲透率下降速度慢;隨著溫度的升高,尤其在600℃時(shí)非常接近玄武巖纖維使用溫度極限,從而使得玄武巖纖維逐漸失去抑制孔隙結(jié)構(gòu)劣化的作用,故其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育程度,與RC較為接近.

圖3 無因次滲透率擬合曲線Fig.3 Fitting curves of dimensionless permeability

2.2 圍壓對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圍壓作用前后T2譜分布曲線如圖4所示.T2譜分布曲線中：橫坐標(biāo)弛豫時(shí)間T2越長(zhǎng),孔隙半徑越大;縱坐標(biāo)信號(hào)幅度值越高,相應(yīng)孔隙半徑下的孔隙數(shù)量越多[15]；T2譜面積為核磁共振孔隙度，等于或略小于有效孔隙度，可用來表征孔隙結(jié)構(gòu)變化.

圖4 圍壓作用前后T2譜分布曲線Fig.4 T2 spectrum distribution curve before and after confining pressure

2.2.1T2譜變化情況

由圖4可見：圍壓作用前經(jīng)過不同高溫?fù)p傷后試件的T2譜分布曲線均出現(xiàn)3個(gè)波峰,從左往右依次命名為峰1、峰2、峰3,分別表示小尺寸孔隙、中尺寸孔隙、大尺寸孔隙[16];隨著溫度的升高,試件內(nèi)孔隙數(shù)量呈增加趨勢(shì),峰1對(duì)應(yīng)孔隙半徑下的孔隙數(shù)量增幅最大;同時(shí),T2譜分布曲線整體向右偏移,說明孔隙半徑增大;100℃作用下,RC試件的信號(hào)幅度值依次為102.04、13.05、15.14,BFRC試件的信號(hào)幅度值依次為98.91、10.97、10.65,兩者分別相差3.07%、15.94%、29.66%,這說明摻入玄武巖纖維能夠有效阻止混凝土內(nèi)部中、大尺寸孔隙發(fā)展;300℃后,BFRC試件的信號(hào)幅度值略大于RC試件,說明此時(shí)玄武巖纖維抑制混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)展的效果逐漸減弱.

由圖4還可見：圍壓作用后T2譜分布曲線同樣出現(xiàn)3個(gè)波峰,但是峰3的波峰峰值明顯降低,說明大尺寸孔隙在圍壓加載過程中壓密程度最大,且卸載后恢復(fù)率低;圍壓作用后T2譜分布曲線較圍壓作用前整體向左偏移,說明試件內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)向中、小尺寸孔隙發(fā)展,水在試件內(nèi)的滲流通道變窄,故圍壓作用后滲透率呈下降趨勢(shì);經(jīng)歷100、300、600℃高溫后,RC試件在圍壓作用前后T2譜面積依次變化了92.16%、83.09%、78.79%,BFRC試件的T2譜面積依次變化了97.42%、5.45%、82.93%,可見圍壓對(duì)試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)改變有著重要影響.

2.2.2孔隙半徑變化情況

圖5為圍壓作用前后孔隙半徑分布曲線.為了對(duì)圍壓作用前后孔隙半徑變化進(jìn)行細(xì)分,參照Lutz提出的孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)[17],對(duì)圖5開展了不同溫度損傷后的RC和BFRC試件孔隙特征分段統(tǒng)計(jì),得到圍壓作用前后孔隙半徑分布,結(jié)果見表2.

由表2可見：RC和BFRC試件在圍壓作用前主要由微孔和介孔2類孔隙組成,且以較小的微孔分布為主,圍壓作用后也表現(xiàn)出同樣的特征,但是微孔所占比例得到進(jìn)一步提高,平均占比由圍壓前81.07%增加至圍壓后92.24%.結(jié)合圖5中孔隙半徑分布曲線比較可知,圍壓后孔隙半徑分布曲線整體向左偏移,說明圍壓作用使得介孔孔隙被壓密并向微孔孔隙過渡,同時(shí)試件內(nèi)原有微孔孔隙也被壓密縮小,使得圍壓后介孔孔隙數(shù)量減少、微孔孔隙數(shù)量增多,滲透率呈減少趨勢(shì).

圖5 圍壓作用前后孔隙半徑分布曲線Fig.5 Pore radius distribution curve before and after confining pressure

表2 圍壓作用前后孔隙半徑分布

3 結(jié)論

(1)圍壓加載過程中,玄武巖纖維混凝土(BFRC)滲透率呈負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減,高溫后試件初始滲透率隨溫度升高呈增大趨勢(shì).與基準(zhǔn)混凝土(RC)相比,在100、300、600℃高溫后BFRC的初始滲透率降低了48.16%、33.89%、1.57%,即隨著溫度的升高,BFRC和RC的滲透率差距逐步縮小.

(2)根據(jù)圍壓敏感系數(shù)將整個(gè)加載過程分為敏感區(qū)、過渡區(qū)和不敏感區(qū),敏感區(qū)內(nèi)滲透率隨圍壓變化降低幅度最大.

(3)圍壓作用使得BFRC內(nèi)部原有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,即隨著圍壓增大BFRC孔隙尺寸變小、孔隙數(shù)量降低,由于孔隙是水在試件內(nèi)部滲流的主要通道,故圍壓增大,滲透率降低.