不同高溫作用下混凝土的損傷破壞研究

林乙玄

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

隨著現(xiàn)代建筑工程建設(shè)要求的不斷提高，對(duì)混凝土在不同環(huán)境下的變化特征進(jìn)行研究意義重大。工程巖體中含有大量不同類型的結(jié)構(gòu)面，如裂隙、節(jié)理、層理甚至大的斷層等。這些結(jié)構(gòu)面缺陷在很大程度上降低了巖體的強(qiáng)度，在外荷載作用下易導(dǎo)致裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通，也決定了裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。工程實(shí)踐表明，巖體工程的失穩(wěn)破壞與裂紋的孕育、萌生、擴(kuò)展和貫通密切相關(guān)。因此，開展裂隙巖石強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展特征研究具有重要意義。近些年，針對(duì)裂隙巖體裂紋擴(kuò)展已進(jìn)行了大量研究，但由于巖石中預(yù)制裂隙較困難，目前主要集中于巖石類相似模型材料的研究，如石膏材料、混凝土等。

前期影響混凝土性能的因素主要有配合比、養(yǎng)護(hù)條件、壓實(shí)度、水灰比、水泥種類等。后期影響混凝土性能的因素比較復(fù)雜。例如，復(fù)雜的自然條件，高溫能夠影響水泥與骨料之間的黏結(jié)性能，可以利用數(shù)值模擬的方法研究高溫對(duì)混凝土的影響。高原地區(qū)的建筑物經(jīng)常遭受凝凍災(zāi)害，凍結(jié)后的混凝土性能發(fā)生變化，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在某些特定環(huán)境下，由于鋼筋極易腐蝕生銹，會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生不利影響，需要混凝土具有抗酸抗腐蝕性能。另外，在實(shí)際工程中，火災(zāi)是最常見、對(duì)混凝土影響最大的因素。為了研究火災(zāi)對(duì)混凝土的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫環(huán)境下的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，并研究其力學(xué)性能后發(fā)現(xiàn)，300℃和500℃是混凝土性能發(fā)生較大變化的兩個(gè)臨界溫度?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，對(duì)建筑物采用不同的冷卻方式，其對(duì)混凝土的性能影響也不同。高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)裂紋擴(kuò)展，因此，研究不同溫度及冷卻方式對(duì)混凝土的影響十分重要。

目前，眾多學(xué)者對(duì)高溫作用后及不同冷卻方式下混凝土的力學(xué)性能做了大量研究，取得了豐碩的研究成果。本文主要研究不同溫度及冷卻方式對(duì)混凝土性能的影響，運(yùn)用核磁、電鏡掃描等技術(shù)手段從微觀的角度探究了影響混凝土性能的原因，并對(duì)其聲發(fā)射現(xiàn)象的規(guī)律進(jìn)行分析。

1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷的研究

結(jié)合實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，混凝土是各類工程施工中常用的材料，尤其是在建筑工程施工中，混凝土的功能與作用是毋庸置疑的。但在實(shí)際施工中，由于不同溫度和冷卻的作用，會(huì)給混凝土帶來(lái)一定的損傷，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)孔隙和裂縫。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土合理保護(hù)，需要對(duì)不同高溫作用下的混凝土進(jìn)行損傷破壞研究。

混凝土具有微觀、細(xì)觀和宏觀等不同層次的結(jié)構(gòu)，以往主要是研究混凝土的宏觀層次，將混凝土均勻化為宏觀均質(zhì)連續(xù)材料，不去考慮混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，這樣是不全面的。所以，從細(xì)觀角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)混凝土材料的力學(xué)特性是由內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及其變化所形成的。為了明確混凝土結(jié)構(gòu)在不同高溫作用下的損傷破壞情況，需要對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行分析，這樣才能保證混凝土結(jié)構(gòu)的合理研究?；炷潦且环N典型的非均質(zhì)材料，在多種尺度下都表現(xiàn)出了非均質(zhì)的特點(diǎn)，所以，就不能將其作為一種均質(zhì)材料進(jìn)行研究。

在高溫作用下，混凝土的損傷可以用字母D表示。為了獲取混凝土的破壞曲面方程，先假設(shè)混凝土受到非力學(xué)因素的影響，造成損傷，之后的抗拉強(qiáng)度可以表示為受損前的抗拉強(qiáng)度與損傷D之間的函數(shù)，從而得到公式（1）：

結(jié)合上述公式（1）的基本情況，再對(duì)抗壓強(qiáng)度f(wàn)c和D的函數(shù)進(jìn)行分析，得到公式（2）：

再對(duì)兩個(gè)方程進(jìn)行整合，最終得到公式（3）：

結(jié)合上述內(nèi)容，就能得到高溫作用下混凝土的破壞損傷公式。實(shí)際的分析中需要結(jié)合上述公式的基本內(nèi)容，進(jìn)行進(jìn)一步分析為后續(xù)的不同高溫作用下混凝土的損傷破壞研究奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件準(zhǔn)備

（1）試驗(yàn)使用混凝土試件為10塊、常溫組2塊；300℃試件4塊（水冷2塊、氣冷2塊）；500℃試件4塊（水冷和氣冷各2塊）。

（2）經(jīng)過溫度處理的試件命名用數(shù)字+字母，數(shù)字表示溫度，字母表示冷卻方式，如300℃氣冷試件用300-A表示。

（3）混凝土中材料配合比為m（細(xì)砂）∶m（水泥）∶m（水）=2∶1∶0.4。其中，水泥為基準(zhǔn)水泥、砂為標(biāo)準(zhǔn)砂、水為普通自來(lái)水。

（4）混凝土澆筑完成后，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至少28d，試件尺寸為100mm（高）×50mm（直徑）圓柱形試件。

（5）高溫前將混凝土試件上下兩端面用磨平機(jī)磨平，保證兩端面的平行度符合試驗(yàn)要求。

（6）試驗(yàn)前，需準(zhǔn)備好基本材料和設(shè)備?？梢詫?duì)混凝土進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)工作，確保混凝土處理得當(dāng)，滿足實(shí)際使用需求；必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，以確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，從而降低設(shè)備隱患，確保試驗(yàn)設(shè)備滿足試驗(yàn)的基本要求。

（7）由于環(huán)境對(duì)混凝土的影響，必須控制環(huán)境，保證合適的室內(nèi)溫度，以保證環(huán)境的合理性，降低環(huán)境給對(duì)試驗(yàn)的負(fù)面影響，保證混凝土試件試驗(yàn)效果，滿足試驗(yàn)的基本要求。

（8）試塊經(jīng)過處置后必須具備試驗(yàn)?zāi)芰?。通過對(duì)試塊基本狀況的研究，發(fā)現(xiàn)試塊符合實(shí)際試驗(yàn)的要求，能保證試驗(yàn)質(zhì)量，確保不同高溫作用下混凝土的損傷破壞研究，提升試驗(yàn)效果。另外，需要注意外界因素對(duì)試驗(yàn)的影響，要保證試驗(yàn)質(zhì)量，確保試驗(yàn)符合實(shí)際要求。

2.2 加熱設(shè)備及過程

（1）試驗(yàn)采用1 200℃快速升溫箱式電阻爐進(jìn)行升溫。

（2）將養(yǎng)護(hù)好的混凝土真空飽水后，使用核磁共振儀測(cè)定試件的T2譜；測(cè)定完成后放入烘干機(jī)中烘干至試件質(zhì)量不再變化；待試件中的水分完全去除后放入高溫爐。

（3）試驗(yàn)中混凝土試件的處理溫度分別為300℃和500℃（為了研究火災(zāi)對(duì)混凝土的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)處于高溫環(huán)境下的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，并研究了其力學(xué)性能后發(fā)現(xiàn)，300℃和500℃是混凝土性能發(fā)生較大變化的兩個(gè)臨界溫度），高溫箱式電阻爐升溫速率為6℃/min，待試件達(dá)到預(yù)定溫度后恒溫2h。

（4）高溫作用后試件的冷卻方式分為空氣冷卻和澆水冷卻兩種?？諝饫鋮s即高溫后將試件取出放在空氣中自然冷卻；澆水冷卻即高溫后將試件放入預(yù)先準(zhǔn)備好的100L水中快速冷卻20min后取出，再放入烘干機(jī)內(nèi)烘干。

（5）將高溫過后的試件真空飽水后，再次測(cè)定其T2譜，烘干后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

單軸壓縮試驗(yàn)是采用DSZ-1000應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，該試驗(yàn)系統(tǒng)所能施加的最大軸向力為1 000 kN。試驗(yàn)過程采用位移加載控制，加載速率為0.05mm/min。加載前，在試件上下端面放置剛性墊塊，并在試件兩端涂抹凡士林，以減小端部摩擦效應(yīng)。試驗(yàn)前，在試件表面貼上聲發(fā)射探頭，在試驗(yàn)過程中同步采集聲發(fā)射現(xiàn)象。

3 結(jié)果及分析

3.1 不同冷卻方式下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

不同高溫和冷卻方式下混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。隨著溫度的升高，混凝土的強(qiáng)度先增大后減小。300℃空氣冷卻時(shí)，峰值強(qiáng)度明顯增大。隨著溫度的升高，峰值應(yīng)變逐漸增大，彈性變形階段的曲線越平緩，彈性模量越小。常溫時(shí)，混凝土的破壞形式主要表現(xiàn)為拉剪破壞。300-A組混凝土破壞形式表現(xiàn)為突然的脆性劈裂破壞，峰后延展性不明顯；300-W組混凝土的峰值強(qiáng)度明顯低于300-A組的峰值強(qiáng)度，略低于常溫下的混凝土峰值強(qiáng)度；溫度為500℃時(shí)，混凝土壓密階段的應(yīng)變明顯增大，說(shuō)明混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了較多微小裂隙和孔隙。

圖1 不同冷卻方式下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 混凝土強(qiáng)度和變形特征

對(duì)混凝土的宏觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行匯總分析，峰值應(yīng)力、彈性模量、峰值應(yīng)變等參數(shù)受不同冷卻方式的變化如圖2所示。

圖2 混凝土宏觀參數(shù)及變化規(guī)律

（1）圖2-a為不同高溫和冷卻方式下峰值強(qiáng)度的變化，其峰值強(qiáng)度有明顯區(qū)別。300-A組試件峰值強(qiáng)度較常溫組升高，500-W組試件峰值強(qiáng)度較常溫組降低。說(shuō)明一定范圍內(nèi)的高溫對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有提升作用。當(dāng)溫度為300℃時(shí)，水冷卻較氣冷卻的平均峰值強(qiáng)度降低了42%； 溫度為500℃時(shí)，水冷卻較氣冷卻平均峰值強(qiáng)度降低了39%，說(shuō)明對(duì)混凝土的損傷水冷卻比氣冷卻更大。（2）圖2-b為不同高溫和冷卻方式下峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變的變化規(guī)律，峰值應(yīng)變是混凝土抵抗外部荷載變形的能力，也是混凝土破壞的一種征兆。從圖中可以看出隨著溫度的升高混凝土的峰值應(yīng)變呈增大趨勢(shì)。（3）圖2-c為不同溫度和冷卻方式下混凝土彈性模量的變化，常溫組彈性模量平均值為14.5GPa。300-A組較常溫組彈性模量有一定提升，其余組均有不同程度的降低，500-W組彈性模量平均值為3.8GPa，較常溫組降低達(dá)73%。300-A組混凝土試件在壓縮過程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性特征，在彈性階段隨著應(yīng)力的上升變形增加幅度較小，500-W組試件在壓縮過程中隨著應(yīng)力的上升變形快速增加，塑性特征明顯增強(qiáng)。

3.3 核磁共振T2分布變化

應(yīng)用核磁共振技術(shù)，對(duì)不同冷卻方式下的試件進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。從圖3中可以看出，常溫下T2譜最左側(cè)第一個(gè)峰幅值較大，第二、第三個(gè)峰幅值較小，說(shuō)明混凝土試件中主要是小孔隙，大、中孔隙較少。在經(jīng)300℃和500℃高溫后，混凝土T2譜最左側(cè)的第一個(gè)峰幅值出現(xiàn)了大幅度增長(zhǎng)，第二、第三個(gè)峰幅值變化不大，說(shuō)明高溫后混凝土以小孔隙發(fā)育為主，大、中孔隙擴(kuò)展趨勢(shì)較緩。由此可見，同一冷卻方式下，溫度越高，小孔隙對(duì)應(yīng)峰值增長(zhǎng)幅度越大；同一溫度下，T2譜小孔隙對(duì)應(yīng)峰值水冷卻比氣冷卻更高。

圖3 不同冷卻方式混凝土T2譜分布變化

3.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖4為不同高溫和不同冷卻方式下混凝土試件的破壞及內(nèi)部情況。

圖4 加載后的混凝土試樣

（1）內(nèi)部情況。常溫下試件中的水泥和細(xì)骨料層次分明，結(jié)構(gòu)清晰，能夠較好地區(qū)分骨料和水泥。經(jīng)300℃氣冷卻和水冷卻后的試件內(nèi)部顏色呈暗灰色，水泥與骨料分辨度降低，水冷卻試件分辨度比氣冷卻更低，用手觸摸無(wú)細(xì)沙感。500℃作用后，試件整體暗鈍無(wú)光，氣冷卻試件用手觸摸表面有輕微的細(xì)沙感，水冷卻試件用手觸摸有明顯的細(xì)沙感。（2）破壞情況。常溫狀態(tài)下的混凝土試件破壞形式主要是張拉破壞，試件表面有細(xì)小的豎向裂紋，仍然有一定的承載能力。當(dāng)溫度升高到300℃時(shí)，破壞形式為拉剪破壞，試件表面裂紋較大并有部分表皮脫落。當(dāng)溫度為500℃時(shí)，試件破壞程度較大，表皮脫落現(xiàn)象明顯，有數(shù)條較大的裂紋相互交匯，試件破壞面較清晰。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)300℃高溫空氣冷卻后，混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度提升，脆性特征明顯；經(jīng)500℃高溫遇水冷卻后，混凝土表現(xiàn)出明顯的塑性特征。

（2）高溫作用后，混凝土內(nèi)部主要以小孔隙發(fā)育為主，一定范圍內(nèi)的高溫會(huì)提高水泥與骨料表面之間的黏結(jié)性，對(duì)混凝土的承載能力有提升作用。

（3）當(dāng)溫差過大時(shí)，混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，外部水浸入裂紋導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)混凝土產(chǎn)生的損傷遠(yuǎn)大于空氣冷卻。