不同冷卻方式下蒸壓輕質(zhì)混凝土高溫劣化損傷試驗(yàn)研究

李龍鈺， 馬芹永*， 袁璞， 王靜峰， 沈萬玉

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 淮南 232001； 2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心， 淮南 232001；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 合肥 230009； 4. 安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司， 合肥 238076)

現(xiàn)如今，建筑能耗占比隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長而日益升高，因此節(jié)能建材的創(chuàng)新工作愈加受到關(guān)注[1]。建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí)建筑材料會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷，故要求建筑材料具有良好的隔熱耐火性能。Ramagiri等[2]研究發(fā)現(xiàn)隨著處理溫度升高，混凝土強(qiáng)度損失更大。超聲波法是一種無損檢測(cè)方式，可用于診斷火災(zāi)后混凝土內(nèi)部損傷情況。龔建清等[3]利用超聲參數(shù)精準(zhǔn)評(píng)估高溫后混凝土的損傷度，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部損傷隨溫度提升增多，抗壓強(qiáng)度損失率增大。萬勝武等[4]研究表明，混凝土殘余強(qiáng)度隨加熱溫度升高而降低；冷水冷卻時(shí)，混凝土的化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部裂縫發(fā)展更復(fù)雜，強(qiáng)度退化也更復(fù)雜。鄭鈺濤等[5]發(fā)現(xiàn)伴隨溫度提升，噴水冷卻試件質(zhì)量損失比自然冷卻試件質(zhì)量損失小，縱波波速、抗壓強(qiáng)度均降低，峰值應(yīng)變明顯增加，彈性降低，溫度超過400 ℃，噴水冷卻試件的降低幅度更大。張磊[6]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界環(huán)境導(dǎo)致材料劣化時(shí)，會(huì)在破壞過程中釋放出一定的能量。

蒸壓輕質(zhì)混凝土(autoclaved lightweight concrete，ALC)是一種用于建筑非承重內(nèi)墻板的一種新型建材，具有節(jié)能、環(huán)保、耐火、造價(jià)低、質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，故主要研究ALC試件在火災(zāi)高溫下的劣化損傷。吸水性影響ALC抗?jié)B透能力、施工性能及裂縫延展。劉慶等[7]研究表明，隨著溫度升高,混凝土抗毛細(xì)吸水性能下降,噴水冷卻后使得試塊毛細(xì)吸水能力顯著增大。Hager等[8]研究發(fā)現(xiàn)高溫使得混凝土性能劣化嚴(yán)重，耐久性下降，內(nèi)部損傷增大，抗?jié)B透性能下降。

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[9]對(duì)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間給出規(guī)定:對(duì)于非承重墻體材料的耐火極限為1 h。由于燃燒物種類不同、建筑物的密閉性、燃燒過程中可燃物及氧氣供給的減少，建筑火災(zāi)溫度一般處于200～800 ℃。因此將ALC試件在不同溫度(100、200、300、400、500、600、700、800 ℃)下恒溫處理1 h，通過自然冷卻和噴淋冷卻兩種方式冷卻到室溫，進(jìn)行超聲無損檢測(cè)試驗(yàn)、靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)、毛細(xì)吸水試驗(yàn)，探討溫度、冷卻方式對(duì)其質(zhì)量損失率、縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、能量耗散、毛細(xì)吸水性的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料選用安徽富煌鋼構(gòu)公司提供的ALC板材，其強(qiáng)度等級(jí)為A3.5，干密度級(jí)別為B05，干密度不超過525 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)不超過0.14 W/(m·K)。

1.2 試件制作

試驗(yàn)儀器為取芯機(jī)、切割機(jī)、雙面打磨機(jī)、SX-5-12 箱式電阻爐、NM-4A非金屬聲波檢測(cè)儀、WDW-100型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。對(duì)ALC板材進(jìn)行取芯、切割處理成Ф50 mm×100 mm的圓柱體試件(Ф為直徑)。打磨試件表面，誤差不超過±2 mm，兩端水平角度誤差小于等于0.25°。

1.3 試驗(yàn)方法

將取芯后的混凝土試件置于(105±5) ℃的烘箱中24 h，將烘干后的試件置于(20±1) ℃、相對(duì)濕度(60±5)%的環(huán)境中24 h，測(cè)定試件質(zhì)量后進(jìn)行高溫試驗(yàn)，對(duì)照組為常溫20 ℃。高溫試驗(yàn)在SX-5-12 箱式電阻爐中進(jìn)行，每10 min記一次溫度，得到其升溫曲線。達(dá)到設(shè)計(jì)溫度(100、200、300、400、500、600、700、800 ℃)后恒溫處理1 h。然后將部分試塊取出通過水管噴淋冷卻到室溫，另一部分試塊自然冷卻到室溫后取出。

稱得試驗(yàn)處理后試件質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失率。采用NM-4A非金屬聲波檢測(cè)儀進(jìn)行超聲無損檢測(cè)，通過計(jì)算得到縱波波速。采用量程為1 000 kN的萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行ALC靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，加載速度取為0.1 kN/s，分析抗壓強(qiáng)度變化、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、彈性模量變化及能量耗散等。

按照HygrothermalPerformanceofBuildingMaterialsandProducts-DeterminationofWaterAbsorptionCoefficientbyPartialImmersion(ISO 15148)[10]進(jìn)行試驗(yàn)，用石蠟密封試件, 保證水分在試件內(nèi)一維遷移，將密封好的試件放入電熱鼓風(fēng)箱中烘干, 取出冷卻至室溫后稱重, 精確到0.1 g。將試件放入水溫為(20±1) ℃的恒溫水槽中，加水至距離試件頂部5 mm處，并在吸水7 d 時(shí)取出，擦干試件吸水面并稱重。計(jì)算得到最大毛細(xì)吸水量，用以描述混凝土的毛細(xì)吸水性。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件表觀現(xiàn)象

不同冷卻方式下ALC高溫后表觀形貌如圖1所示。對(duì)于自然冷卻試件，表面無裂紋起皮，20～100 ℃時(shí)，試件表面為淺青色；200～400 ℃時(shí)，試件變灰白色；500～700 ℃時(shí)，試件變灰黃色；800 ℃時(shí)，試件外觀呈灰黃色。對(duì)于噴淋冷卻試件，剛從電阻

圖1 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的表觀形貌Fig.1 Apparent morphology of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

爐中取出的試件通過水管噴淋降溫時(shí)，有明顯的“滋滋”聲，并有白色煙霧散發(fā)，ALC試件變成淺粉色，冷卻至室溫后變?yōu)榍嗷疑?00 ℃處理后的試件表面有微小裂隙產(chǎn)生，600 ℃處理后試件經(jīng)過噴淋冷卻后表面有微小裂隙，而800 ℃處理后試件表面有微小裂隙蔓延，此時(shí)噴淋冷卻對(duì)經(jīng)過高溫處理后的試件產(chǎn)生了二次損傷。

2.2 試件質(zhì)量損失

試件的質(zhì)量損失率如圖2所示。300 ℃前隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)部分疏松，自由水蒸發(fā)，質(zhì)量損失增長較快；300～400 ℃，結(jié)合水部分散失，質(zhì)量損失速度減慢；400～600 ℃時(shí)結(jié)合水大量散失，質(zhì)量損失增加；600～800 ℃時(shí)因?yàn)榛炷羶?nèi)部的CaCO3在高溫下分解成CaO和CO2，CO2氣體逸出導(dǎo)致質(zhì)量損失。對(duì)于噴淋冷卻試件，經(jīng)冷卻處理并自然通風(fēng)晾干后，300 ℃前其質(zhì)量損失明顯小于自然冷卻的試件，是因?yàn)樽杂伤舭l(fā)導(dǎo)致的細(xì)微孔隙里被水分重新填充；300～400 ℃，結(jié)合水部分散失，質(zhì)量損失速度增加；400～500 ℃時(shí)質(zhì)量不減反增，因?yàn)樗c高溫處理后的試件發(fā)生化合反應(yīng)，產(chǎn)生如Ca(OH)2等結(jié)晶體，彌補(bǔ)了部分高溫加熱時(shí)的質(zhì)量損失；600～800 ℃時(shí)，大部分的水化產(chǎn)物已經(jīng)分解，重新補(bǔ)充在混凝土空隙里的水分大多已被蒸發(fā)，導(dǎo)致質(zhì)量下降速度加快，與自然冷卻試件的質(zhì)量損失差距減小。

圖2 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的質(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss rate of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.3 試件縱波波速

當(dāng)混凝土的高溫?fù)p傷較小時(shí),非線性超聲檢測(cè)對(duì)高溫?fù)p傷更敏感,可用來評(píng)估高溫?fù)p傷特性[11]。不同溫度、不同冷卻方式處理后試件的縱波波速變化如圖3所示。

可以看出，300 ℃前，高溫作用使得試件內(nèi)部水分蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)變密實(shí)，縱波波速逐漸增加；300～500 ℃，混凝土內(nèi)部達(dá)到使水泥石中起骨架作用的晶體發(fā)生脫水分解反應(yīng)的溫度，進(jìn)一步促進(jìn)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)致密性下降，聲波通過混凝土?xí)r被發(fā)射吸收，縱波波速降低，噴淋冷卻相對(duì)于自然冷卻使得試件內(nèi)部膨脹而外部受冷急劇收縮，導(dǎo)致內(nèi)外變形相差較多，嚴(yán)重加劇內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，縱波波速下降更明顯；600～800 ℃，較高溫度足以引起混凝土內(nèi)部水化物發(fā)生脫水分解而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，縱波波速繼續(xù)下降，冷卻方式造成的影響逐漸減小。

圖3 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的縱波波速Fig.3 Longitudinal wave velocity of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.4 力學(xué)性能指標(biāo)

2.4.1 抗壓強(qiáng)度相對(duì)值

為了更直觀地反映不同溫度與冷卻方式對(duì)ALC力學(xué)性能的影響程度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量綱歸一化處理，通過將不同溫度與冷卻方式下的ALC力學(xué)性能與基準(zhǔn)組力學(xué)性能對(duì)比分析，ALC抗壓強(qiáng)度的量綱歸一化處理結(jié)果如圖4所示。

對(duì)于自然冷卻試件，在200 ℃前，高溫處理使得熱量傳遞過程中對(duì)混凝土內(nèi)部未水化完全的水泥熟料有促進(jìn)水化作用，從而導(dǎo)致強(qiáng)度有少許提高；300～700 ℃由于ALC內(nèi)部水分蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土收縮開裂并形成大量的毛細(xì)裂縫，ALC承受壓力時(shí)應(yīng)力處集中分布，使ALC抗壓強(qiáng)度近似于線性降低，700 ℃時(shí)降至61%；700～800 ℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度減緩，此時(shí)ALC內(nèi)部未達(dá)到使水化物分解的溫度，內(nèi)外溫差引起裂紋延展，導(dǎo)致強(qiáng)度損失，800 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度降至56%。對(duì)于噴淋冷卻試件，在300 ℃前，噴淋水分促進(jìn)混凝土內(nèi)部未水化完全的水泥熟料發(fā)生水化，從而導(dǎo)致強(qiáng)度有少許提高；300～600 ℃噴淋冷卻使試塊內(nèi)部膨脹而外部受冷急劇收縮，內(nèi)外溫差過大，嚴(yán)重加劇材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，比自然冷卻導(dǎo)致ALC強(qiáng)度下降幅度大，600 ℃時(shí)降至64%。600～800 ℃噴淋冷卻試件較自然冷卻試件強(qiáng)度損失大些，但隨著受熱溫度的增加，溫度的影響逐漸減小。

圖4 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的抗壓強(qiáng)度相對(duì)值Fig.4 Relative value of compressive strength of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.4.2 彈性模量

依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[12]，混凝土彈性模量的計(jì)算公式為

Ec=(Fa-F0)Ln/(AΔn)

(1)

式(1)中：Ec為混凝土彈性模量；Fa為應(yīng)力為1/3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的荷載；F0表示應(yīng)力為 0.5 MPa時(shí)的初始荷載Ln為測(cè)量表距；A為試件承壓面積；Δn為從F0加荷到Fa時(shí)試件的變形差。

如圖5所示，隨著溫度升高，兩種冷卻方式處理后試件的彈性模量均呈降低趨勢(shì)。300 ℃作用前，噴淋冷卻試件的彈性模量大于自然冷卻試件，此時(shí)試件與噴淋水分反應(yīng)，彌補(bǔ)了部分的高溫?fù)p傷。作用溫度大于300 ℃時(shí)，噴淋水分對(duì)試件造成二次損傷，ALC內(nèi)外溫差較大，ALC產(chǎn)生更多微裂紋，噴淋冷卻試件的彈性模量較自然冷卻試件更小，且差距隨著溫度提升而增大。然而溫度對(duì)ALC試件性能影響遠(yuǎn)大于冷卻方式的影響。700 ℃時(shí)，噴淋冷卻試件的彈性模量與自然冷卻試件相差僅4.07%，800 ℃時(shí)兩種冷卻方式處理后ALC的彈性模量僅相差4.04%。

圖5 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的彈性模量Fig.5 Elastic modulus of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

不同溫度與冷卻方式下ALC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，可以分為壓密階段、彈塑性階段、破壞階段、殘余階段。

溫度不高于300 ℃時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常溫時(shí)較為相似，噴淋冷卻試件相對(duì)于自然冷卻試件的峰值應(yīng)變較小，彈塑性階段斜率較高，彈性較好；300 ℃高溫后，試件所受高溫?fù)p傷逐漸加劇，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀隨溫度提升逐漸扁平，峰值應(yīng)變?cè)黾?，彈性模量降低，峰值點(diǎn)向右下方移動(dòng)，噴淋冷卻試件相對(duì)于自然冷卻試件峰值應(yīng)變更大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀更加扁平，延性與韌性較高。

圖6 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的 ALC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

(1)OA壓密階段：該階段ALC試件逐漸壓密，應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對(duì)平緩，試件內(nèi)部微裂紋被壓實(shí)。ALC試件的斜率隨著溫度升高減小，噴淋冷卻試件相對(duì)于自然冷卻試件的斜率較小，峰值應(yīng)變總體增大。

(2)AB彈塑性階段：從壓密階段結(jié)束到 70%～80%破壞荷載時(shí)ALC處于彈塑性階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，其內(nèi)部裂紋穩(wěn)定發(fā)育、擴(kuò)展。ALC試件的斜率隨著溫度升高減小，噴淋冷卻試件相對(duì)于自然冷卻試件的斜率較大，峰值應(yīng)變總體增大。

(3)BC破壞階段：當(dāng)施加軸向荷載增大至80%～100%破壞荷載時(shí)，ALC試件裂縫逐漸擴(kuò)展并形成貫通裂縫，該階段應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力下降。

(4)CD殘余階段：不同溫度與冷卻方式下ALC應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段拐點(diǎn)之后，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力逐漸減小，ALC的殘余應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的20%～40%。

2.6 能量耗散

作為一種輕質(zhì)多孔混凝土，蒸壓輕質(zhì)混凝土的吸能能力很好，其變形破壞過程伴隨著能量的積聚和耗散。如圖7所示，在加載的過程中，假設(shè)與外界的熱交換忽略不計(jì)，壓力機(jī)對(duì)蒸壓輕質(zhì)混凝土試件所做的功為材料吸收的總能量為U，彈性變形階段存儲(chǔ)的可釋放彈性應(yīng)變能為Ue，內(nèi)部損傷及塑性變形耗散的能量為Ud,由熱力學(xué)第一定律可得

U=Ud+Ue

(2)

峰值點(diǎn)彈性應(yīng)變能代表了ALC的儲(chǔ)能極限，反映了ALC抵抗破壞的能力，將彈性能耗比K定義為耗散能與彈性應(yīng)變能之比，來反映ALC受力變形破壞全過程中儲(chǔ)能與耗能比例關(guān)系，可表示為[13]

(3)

如圖8所示，100 ℃前，ALC被壓密實(shí)，微裂紋閉合，初始變形較小，峰值彈性能耗比緩慢增長；100～200 ℃，自由水蒸發(fā)，微裂縫減少，ALC內(nèi)部損傷度降低，彈性應(yīng)變能提高，峰值彈性能耗比降低。200～800 ℃，高溫使得混凝土內(nèi)部損傷逐漸增大，內(nèi)部裂縫產(chǎn)生并不斷延展到表面，能量大量耗散，峰值彈性能耗比提高，自然冷卻試件峰值彈性能耗比近似于線性增長，對(duì)于噴淋冷卻試件，200～500 ℃，因?yàn)橥獠拷?jīng)受高溫作用后，噴淋的水分對(duì)試件造成了二次損傷，內(nèi)外溫差也產(chǎn)生了大量微裂縫，使得峰值彈性能耗比較自然冷卻試件增長速度提升約15%。500～800 ℃，高溫對(duì)ALC已造成較大的影響，冷卻方式影響程度逐漸減小。

σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變；Ue為單位試塊所儲(chǔ)存的可釋放彈性應(yīng)變能，kPa；Ud為為單位試塊耗散能，kPa；Ei為卸載彈性模量，MPa；σi為主應(yīng)力，MPa；εi為主應(yīng)力方向上的應(yīng)變圖7 能量耗散分析Fig.7 Energy dissipation analysis

圖8 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的峰值彈性能耗比Fig.8 Peak elastic energy consumption ratio of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.7 毛細(xì)吸水性

經(jīng)試驗(yàn)處理后ALC試件的最大毛細(xì)吸水量與溫度、冷卻方式的關(guān)系分別如圖9所示。對(duì)于自然冷卻試件，在400 ℃前，水分蒸發(fā)，ALC內(nèi)部變密實(shí)，結(jié)構(gòu)未受到太大損傷，最大毛細(xì)吸水量增長緩慢；400～600 ℃階段，高溫使得ALC試件脫水收縮，內(nèi)部有許多無法排出的蒸汽壓力，試件發(fā)生脹裂，微裂紋增多，ALC性能降低，損傷大幅增加，最大毛細(xì)吸水量增長迅速；600～800 ℃階段，水泥漿體受熱分解，結(jié)合水大量蒸發(fā)，形成了額外的空隙，大部分的水化產(chǎn)物已經(jīng)分解，游離出去的部分CaO與水蒸氣結(jié)合再次生成Ca(OH)2晶體，導(dǎo)致混凝土內(nèi)體積增大，更加變密實(shí)，但同時(shí)微裂紋延展，骨料與基體之間的膠結(jié)作用降低，損傷進(jìn)一步加大，最大毛細(xì)吸水量繼續(xù)提高，但增速降低。

圖9 不同溫度下兩種冷卻方式處理后的ALC的最大毛細(xì)吸水量Fig.9 Maximum capillary water absorption of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

對(duì)于噴淋冷卻后的試件，300 ℃前，噴淋的水分在ALC內(nèi)部降溫明顯，并形成水膜，使得ALC內(nèi)部損傷較自然冷卻試件小，毛細(xì)吸水性變化不大；300～700 ℃階段，噴淋冷卻對(duì)試件造成了二次損傷，產(chǎn)生較多的微裂縫，致使相較自然冷卻試件，其最大毛細(xì)吸水量大幅增加，不同冷卻方式對(duì)ALC毛細(xì)吸水性能影響較大；700～800 ℃階段，高溫使得試件內(nèi)部產(chǎn)生較大損傷，各項(xiàng)性能下降明顯，不同冷卻方式對(duì)ALC造成的影響逐漸降低。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同冷卻方式下ALC試件進(jìn)行試驗(yàn)研究及機(jī)理分析，得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)于自然冷卻試件，隨著溫度增加，質(zhì)量損失近似于線性增長。對(duì)于噴淋冷卻試件，300 ℃前其質(zhì)量損失明顯小于自然冷卻的試件；300～400 ℃，結(jié)合水部分散失，質(zhì)量損失速度增加；400～500 ℃時(shí)質(zhì)量增加；600～800 ℃時(shí)質(zhì)量下降速度加快。

(2)對(duì)于自然冷卻試件，溫度提升，水分蒸發(fā)，微裂縫增多，損傷增大，縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量逐漸降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸變扁平，峰值應(yīng)變不斷增大，毛細(xì)吸水性能提高。

(3)對(duì)于噴淋冷卻試件，300 ℃前因?yàn)閲娏芩痔畛涞揭蚋邷匾鸬奈⒘芽p中，其縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量略有提高；300～700 ℃，噴淋冷卻造成的二次損傷使得縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量大幅降低；700～800 ℃時(shí)，不同冷卻方式對(duì)ALC造成的影響逐漸降低，縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量降低，但降幅有所減小。