冷卻方式對高溫后玄武巖纖維混凝土靜態(tài)力學(xué)性能的影響

宋世興 SONG Shi-xing

（中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司，南京 210033）

0 引言

纖維混凝土因可通過添加不同纖維的方式達(dá)到改變混凝土的各方面的性能而被廣泛應(yīng)用于當(dāng)代混凝土建筑與結(jié)構(gòu)中[1]。其中，玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡稱BF）混凝土因具有熱穩(wěn)定性好、彈性模量高、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點而被頻繁應(yīng)用于建筑的防火設(shè)計中[2]。當(dāng)代建筑不可避免的面臨火災(zāi)風(fēng)險。火災(zāi)發(fā)生時，火焰灼燒產(chǎn)生的高達(dá)400~600℃的高溫嚴(yán)重威脅著混凝土結(jié)構(gòu)建筑的安全穩(wěn)定性，研究高溫對混凝土的影響對火災(zāi)救援及災(zāi)后評估具有重要意義[3]。研究表明，高溫對混凝土的力學(xué)性能具有顯著的影響，并且這種影響與混凝土的組分及加熱方式有一定的聯(lián)系[4]。在實際火災(zāi)救援過程中，受到火焰灼燒的混凝土不可避免的會與救援過程中所使用的水及其他快速降溫滅火材料有一定的接觸，受滅火材料的影響，受到火焰灼燒的混凝土表面溫度會快速下降。盡管高溫后混凝土力學(xué)性能的問題得到了足夠的重視[5]，并得到了豐富的成果，然而，這些研究多是針對于加熱溫度及加熱方式對混凝土材料力學(xué)性能的影響，而對于受高溫影響的混凝土材料在冷卻過程中力學(xué)性能的變化卻沒有得到充分的研究，對于冷卻方式對高溫后混凝土材料力學(xué)性能的影響需要進(jìn)一步探索。本文對經(jīng)過不同溫度等級高溫處理的BF混凝土進(jìn)行不同冷卻方式（自然冷卻/水中冷卻）的處理，利用TWD-2000液壓機(jī)對冷卻后的BF混凝土進(jìn)行無側(cè)限靜態(tài)壓縮實驗，探索冷卻方式對高溫后BF混凝土的靜態(tài)力學(xué)特性的影響。

1 實驗概況

1.1 實驗方案

C30混凝土被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等工程實踐中，本文選擇C30混凝土及以C30混凝土為標(biāo)準(zhǔn)的高性能BF混凝土為研究對象。為了探索冷卻方式對高溫后BF混凝土靜態(tài)力學(xué)性能的影響，對經(jīng)過不同冷卻方式（自然冷卻/水中冷卻）和不同溫度高溫（200℃、400℃、600℃、800℃）處理后的BF混凝土進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測試實驗，為了便于對比，設(shè)置了相同工況下的C30普通混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能測試實驗作為對照組。

1.2 試件加工

參考相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)[6]中給出的C30混凝土的配合比（表1和表2）及制作方法，配置C30普通混凝土及C30BF混凝土。根據(jù)規(guī)范要求，對初步制作的混凝土試塊進(jìn)行取芯、切割、打磨處理[7]，進(jìn)一步加工成?75mm×100mm圓柱體試件，加工過程如圖1所示。

表1 C30普通混凝土配合比 （單位：kg/m3）

表2 C30BF混凝土配合比 （單位：kg/m3）

圖1 混凝土試件加工過程

1.3 混凝土試件的高溫處理

為了確保試件在高溫處理過程中均勻受熱，利用xw7L-12型陶瓷馬弗爐對C30普通混凝土試件及C30BF混凝土試件進(jìn)行高溫加熱處理。設(shè)置升溫速率為0.5℃/min，參考文獻(xiàn)[8]設(shè)置目標(biāo)溫度為200℃、400℃、600℃、800℃，達(dá)到目標(biāo)溫度后，恒溫保存2h并對加熱后的試件進(jìn)行不同方式的冷卻（自然冷卻/水中冷卻）處理。

2 結(jié)果與分析

不同冷卻方式下高溫后C30普通混凝土及BF混凝土靜態(tài)強(qiáng)度變化情況如圖2、圖3所示。從圖2可以看出，溫度和冷卻方式均對BF混凝土的強(qiáng)度存在較大的影響，可以分成兩個溫度變化階段觀察溫度對BF混凝土強(qiáng)度的影響：在由常溫加熱至200℃時，BF混凝土的強(qiáng)度隨著加熱溫度等級的提升而不斷增大，即高溫對強(qiáng)度產(chǎn)生強(qiáng)化作用；從200℃開始，BF混凝土的強(qiáng)度開始隨著加熱溫度等級的提升而不斷減小，即高溫對強(qiáng)度產(chǎn)生劣化作用。以上規(guī)律與邵蔚等[9]進(jìn)行的高溫后沙漠砂混凝土力學(xué)性能實驗的現(xiàn)象相一致。通過與相同條件下高溫后C30普通混凝土的靜態(tài)變化情況進(jìn)行對比可以看出，盡管添加玄武巖纖維無法避免高溫對混凝土強(qiáng)度的劣化作用，但是添加玄武巖纖維緩解了混凝土試件在高溫影響下的強(qiáng)度劣化現(xiàn)象，如在同等自然冷卻條件下，加熱溫度等級為400℃的BF混凝土的強(qiáng)度為34.6MPa，相對于常溫條件下的強(qiáng)度下降了7.73%，而相同條件下的C30普通混凝土的強(qiáng)度下降了24.12%。

圖2 不同冷卻方式下高溫后BF混凝土靜態(tài)強(qiáng)度變化情況

圖3 不同冷卻方式下高溫后C30普通混凝土靜態(tài)強(qiáng)度變化情況

除了溫度的影響，冷卻方式同樣對BF混凝土的強(qiáng)度有明顯的影響，通過對比不同冷卻方式下高溫后BF強(qiáng)度的變化情況，水中冷卻條件下的BF混凝土強(qiáng)度與溫度等級呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與自然冷卻的情況相比，并沒有出現(xiàn)加熱溫度對試件強(qiáng)度“強(qiáng)化”的現(xiàn)象。此以外，相同加熱溫度等級下，水冷條件下BF混凝土的強(qiáng)度劣化的速率是大于自然冷卻條件下的，如在自然冷卻條件下，加熱溫度等級為400℃的BF混凝土的強(qiáng)度為34.6MPa，相對于常溫條件下的強(qiáng)度下降了7.73%，而相同加熱等級水中冷卻的玄武巖試件的強(qiáng)度相對于常溫條件下的強(qiáng)度下降了39.27%。以上現(xiàn)象可以通過溫度差[10]的相關(guān)理論進(jìn)行解釋，高溫加熱后的混凝土試件外表面遇水后發(fā)生急速冷卻，混凝土的內(nèi)部和外部存在明顯的熱程差，試件內(nèi)外部在冷卻過程中的體積縮小程度和速率不一致，導(dǎo)致試件內(nèi)部孔隙、骨料間隙、裂紋的發(fā)育與擴(kuò)張，進(jìn)而影響混凝土試件的強(qiáng)度。此外，高溫加熱條件后的混凝土試件遇水后會發(fā)生的二次水化反應(yīng)同樣會加劇混凝土試件強(qiáng)度的劣化。

不同工況下BF混凝土試件靜態(tài)實驗破壞形態(tài)如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，在靜態(tài)荷載作用下，不同加熱溫度等級下的試件的破壞方式并不完全相同：未經(jīng)溫度處理的試件在無側(cè)限約束靜態(tài)荷載作用下先產(chǎn)生“V”型裂紋，后發(fā)生裂紋的連接與貫通直至破壞；高溫加熱后的試件在相同加載條件下開始出現(xiàn)剪切破壞的特征，并且隨著加熱溫度等級的提升，逐漸出現(xiàn)劈裂破壞的特征；加熱溫度等級800℃條件下，試件破壞情況加劇，僅殘留錐形破壞面。除此以外，試件的破壞后顆粒形態(tài)表現(xiàn)出了明顯的溫度效應(yīng)，隨著加熱溫度等級的提升，試件破壞后碎塊大小不斷減小，碎塊數(shù)量不斷增加。

圖4 自然冷卻條件下高溫后BF混凝土靜態(tài)壓縮實驗破壞形態(tài)

圖5 水中冷卻條件下高溫后BF混凝土靜態(tài)壓縮實驗破壞形態(tài)

相對于自然冷卻條件，水中冷卻條件下高溫后BF混凝土試件的破壞形態(tài)（圖5）表現(xiàn)出更為明顯的溫度效應(yīng)，除此以外，破壞形式較為統(tǒng)一，基本以劈裂破壞為主。除此以外，不同冷卻方式下BF混凝土破壞程度和裂紋擴(kuò)展方式也有明顯區(qū)別：在自然冷卻條件下，試件的破壞主要由持續(xù)發(fā)育的微裂紋和骨料間隙相互貫通造成；在水中冷卻條件下，出現(xiàn)了較為明顯的外表面局部剝落現(xiàn)象，隨著荷載的增加，剝落區(qū)域不斷擴(kuò)大，直至與內(nèi)部持續(xù)發(fā)育的裂隙貫通進(jìn)而導(dǎo)致試件的最終破壞。聯(lián)系不同冷卻條件下高溫后BF混凝土試件靜態(tài)強(qiáng)度變化特征，內(nèi)外熱程差仍然是造成該現(xiàn)象的主要原因，在水中冷卻條件下，試件外表面的冷卻速度遠(yuǎn)高于試件內(nèi)部，試件內(nèi)外部的熱程差造成不均勻的體積收縮變化，進(jìn)而導(dǎo)致外表面的剝落及試件的失穩(wěn)。

3 結(jié)語

①溫度和冷卻方式均對高溫后BF混凝土的強(qiáng)度存在較大的影響，水中冷卻條件下的BF混凝土強(qiáng)度與溫度等級呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與自然冷卻的情況相比，并沒有出現(xiàn)加熱溫度對試件強(qiáng)度“強(qiáng)化”的現(xiàn)象。在相同條件下，水冷條件下BF混凝土的強(qiáng)度劣化的速率大于自然冷卻條件下的BF混凝土強(qiáng)度劣化的速率。

②在無側(cè)限靜態(tài)荷載作用下，隨著加熱溫度等級的提升，自然冷卻條件下BF混凝土試件破壞后碎塊大小不斷減小，碎塊數(shù)量不斷增加。水中冷卻條件下高溫后BF混凝土試件的破壞形式較為統(tǒng)一，基本以劈裂破壞為主，破壞后碎塊大小及數(shù)量相對于自然冷卻的情況具有更明顯的溫度效應(yīng)。