袁廣林， 李 青， 李慶濤， 張倩茜

（1.中國礦業(yè)大學 江蘇省土木工程環(huán)境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008；3.大地工程開發(fā)（集團）有限公司 選煤設計研究院，天津 300381）

近年來，高性能水泥基灌漿料由于超早強、大流動度、無收縮以及施工方便等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑結構加固工程.國內外學者對高性能水泥基灌漿料的力學性能進行了研究，取得了一定的成果［1］，并得以應用［2－4］，同時中國也已經(jīng)正式頒布實施有關水泥基灌漿料的應用技術規(guī)范［5－6］.但對高性能水泥基灌漿料高溫后的性能研究尚未見相關報道.而建筑火災的頻繁發(fā)生［7－8］，對采用高性能水泥基灌漿料的結構受火后性能進行評估，使得開展水泥基灌漿料高溫后力學性能的研究具有重要意義和工程應用價值.

水泥基灌漿料遭受高溫后，其表觀特征和力學性能都將發(fā)生改變，而這些改變受很多因素的影響，如養(yǎng)護方式、火災最高溫度、高溫持續(xù)時間、高溫后的冷卻方式及靜置時間等.考慮到現(xiàn)場施工條件、受火情況和滅火方式的復雜性，本文通過對摻水率（質量分數(shù)，下同）、受火溫度、靜置時間及冷卻方式均不同的水泥基灌漿料試塊進行試驗，來研究高溫后水泥基灌漿料力學性能的變化規(guī)律，從而為今后高性能灌漿料加固結構受火后的性能評估提供參考.

1 試驗

1.1 試塊制作與分組

試驗選用的水泥基灌漿料為某公司生產(chǎn)的CGM－1加固型高強無收縮灌漿料，成分為水泥、細骨料、外加劑及礦物摻和料，骨料粒徑大于4.75mm，1d膨脹率為0.002%.

試驗設計考慮3種摻水率（12%，14%，16%）（質量分數(shù)，下同）、4個受熱溫度（150，300，450，600℃）、6個靜置時間點（1，3，7，14，28，56d）和2種冷卻方式（自然冷卻和噴水冷卻），制作高溫試塊144組，每組3塊；另制作3組常溫試塊進行對比試驗.試塊尺寸均為100mm×100mm×100mm，標準養(yǎng)護28d，取出放置14d后進行高溫試驗.常溫下，摻水率為12%，14%，16%的灌漿料28d立方體抗壓強度分別為74.2，67.8，59.5MPa.

1.2 試驗方法

試驗加熱設備采用中國礦業(yè)大學建筑結構與材料實驗室研發(fā)的GWD－05型專用高溫加熱爐.連接在高溫計上的熱電偶用來測量爐內溫度，通過控制儀實現(xiàn)爐內溫度的自動控制.

試驗升溫速度約10℃／min，達到目標溫度后保持90min，然后取出試塊，對其進行自然冷卻或噴水冷卻，冷卻至常溫，在室內分別放置1，3，7，14，28，56d后進行加載試驗.

加載試驗采用 WE－1000A型液壓式壓力試驗機，加載速度控制在3～5kN／s.

1.3 試驗現(xiàn)象

水泥基灌漿料試塊由室溫分別加熱到150，300，450，600℃，經(jīng)歷自然冷卻或噴水冷卻后，灌漿料試塊的表面特征發(fā)生了一系列變化：隨著受火溫度的升高，試塊表面顏色由原色依次變?yōu)榇u紅色、暗紅色、灰白色，自然冷卻或噴水冷卻情況下試塊顏色接近，噴水冷卻較自然冷卻略微泛白；在溫度t≤150℃時，試塊表面幾乎無裂紋，當達到300℃時，試塊表面出現(xiàn)非常有限的幾條細小裂紋，但當溫度達到450，600℃時，表面裂紋明顯增多，且逐漸連通，溫度越高，裂紋寬度相對越大，并且發(fā)現(xiàn)摻水率為12%試塊的高溫裂縫少于摻水率為14%，16%的試塊.同時，隨著溫度的升高，水泥基灌漿料試塊質量損失現(xiàn)象越來越明顯，600℃高溫后試塊明顯變輕，其表面也呈現(xiàn)出較明顯的疏松狀況.試驗現(xiàn)象具體見表1.

表1 高溫后立方體試塊外觀特征一覽表Table 1 Check list of apparent phenomena after exposure to high temperature

1.4 試件破壞特征

不同溫度下的灌漿料立方體試塊加載后破壞形態(tài)與混凝土類似，最終試塊破壞形成兩個對頂?shù)慕清F形破壞面.原因是試塊受壓時，灌漿料試塊的橫向變形受到試塊與壓力機墊板間摩擦力的約束，形成“套箍”作用.在此作用下，試塊與墊板的接觸面局部處于三向受壓應力狀態(tài)，故形成兩個對頂?shù)慕清F形破壞面.

和普通混凝土相比，灌漿料的破壞表現(xiàn)出更為明顯的脆性.對于試驗溫度t≤300℃的試塊，其破壞形態(tài)與常溫試塊差別很小，中心強度很高，隨著溫度的升高，逐漸表現(xiàn)出一定的塑性.當最高溫度達到450～600℃時，試塊上下端的裂縫和邊角缺損情況漸趨嚴重，細骨料與膠凝材料剝離現(xiàn)象明顯，核心部分面積逐漸減小，經(jīng)噴水冷卻后試塊的破壞更為嚴重.

2 試驗結果分析

2.1 摻水率對抗壓強度的影響

以受火后靜置14d的水泥基灌漿料為例，不同摻水率條件下水泥基灌漿料抗壓強度變化趨勢見圖1.

圖1 不同摻水率條件下試塊抗壓強度與溫度的關系Fig.1 Relation of compressive strength with temperature under different water addition ratio

由圖1可以看出，在自然冷卻條件下，摻水率為14%，16%的灌漿料試塊的抗壓強度與摻水率為12%的灌漿料相比，抗壓強度最大差值均出現(xiàn)在450℃，分別相差16.2，23.6MPa；在噴水冷卻條件下，摻水率為14%的試塊抗壓強度與摻水率為12%的試塊相比最大差值出現(xiàn)在450℃時，相差19.4MPa，摻水率為16%的試塊抗壓強度與摻水率為12%的試塊相比最大差值出現(xiàn)在600℃，相差23.3MPa.導致這種現(xiàn)象的原因是：摻水率為12%的灌漿料試塊在受火溫度高于300℃時產(chǎn)生的裂縫較摻水率為14%，16%的試塊少，因此在受火溫度超過300℃時，其抗壓強度要遠高于后兩者的抗壓強度.

依據(jù)上述分析結果，下文主要分析水泥基灌漿料摻水率為12%時，受火溫度、靜置時間與冷卻方式對其抗壓強度的影響.

2.2 受火溫度對抗壓強度的影響

水泥基灌漿料在摻水率為12%的條件下，其抗壓強度與受火溫度的關系如圖2所示.由圖2可以看出，隨著溫度的升高，經(jīng)歷不同冷卻方式灌漿料抗壓強度的總體變化趨勢是下降的.在自然冷卻條件下，當溫度由150℃升至450℃時，其抗壓強度下降較緩慢；在噴水冷卻條件下，溫度從常溫升至450℃時，其抗壓強度均出現(xiàn)先降低后有一定恢復的趨勢.總體來看，在兩種冷卻方式下，當受火溫度超過450℃時，由于水泥水化產(chǎn)物的嚴重破壞，灌漿料抗壓強度下降較明顯.

圖2 試塊抗壓強度與溫度的關系Fig.2 Relation of compressive strength with temperature

以冷卻后靜置7d為例，來分析水泥基灌漿料抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律.在自然冷卻條件下，當受火溫度為150，300，450，600℃時，試塊的抗壓強度分別為常溫試塊的82.7%，77.1%，69.5%，50.8%.當受火溫度t≤150℃時，試塊內自由水的蒸發(fā)使得試塊內部形成毛細裂縫和孔隙，造成材料抗壓強度下降較快；當150℃＜t≤450℃時，隨著溫度的升高，試塊抗壓強度退化速率有所減緩.造成這一現(xiàn)象的主要原因是在150℃＜t≤450℃時，隨著受火溫度提高，骨料和水泥凝膠體的體積有所膨脹，填補或部分填補了毛細裂縫和孔隙，骨料咬合作用也有所增強，故抗壓強度降低幅度減緩；之后繼續(xù)升溫，C－S－H 凝膠開始大量分解，Ca（OH）2脫水分解生成CaO，而石英在500℃以上高溫時也由穩(wěn)定的α型石英轉變?yōu)棣滦褪?，導致體積快速膨脹，內部裂縫大量增加，使得強度降低較快.在噴水冷卻條件下，當受火溫度為150，300，450，600℃時，試塊的抗壓強度分別為常溫試塊的84.0%，64.5%，74.7%，73.8%.在t＝300℃時，出現(xiàn)抗壓強度的一個低谷值，原因是試塊遭受高溫后突然噴水冷卻，造成灌漿料試塊外表面溫度驟然降低，導致水泥基灌漿料強度下降.在t≤150℃時，由于受火溫度較低，噴水冷卻雖因水的存在而造成外表面溫度降低，但內外溫度差較小，故對試塊內部造成損傷較小.而當150℃＜t≤300℃時，灌漿料試塊體積膨脹，高溫增強的骨料咬合作用由于水的提供又會減弱，所以在t＝300℃時，出現(xiàn)抗壓強度的一個低谷值.當t超過300℃時，Ca（OH）2大量分解生成CaO，在噴水冷卻的條件下CaO吸水重新生成Ca（OH）2，然后和空氣中的CO2作用生成CaCO3，從而使高溫后灌漿料強度有所恢復.但當達到600℃時，由于高溫破壞嚴重，試塊強度很難恢復，所以強度仍然較低.

2.3 靜置時間對抗壓強度的影響

以摻水率為12%的水泥基灌漿料為例，在兩種冷卻方式條件下其抗壓強度與高溫后靜置時間的關系見圖3.

圖3 試塊抗壓強度與靜置時間的關系Fig.3 Relation of compressive strength with standing time

由圖3（a）可知，對于自然冷卻的試塊，當t≤450℃時，其抗壓強度在靜置前期波動比較明顯，當t＝150，300，450℃時，都在靜置3～7d內出現(xiàn)抗壓強度的最小值，該最小值在以上3種受火溫度下分別為常溫下試塊抗壓強度 的 81.7%，77.1%，69.5%.在達到最低點后，其抗壓強度開始緩慢回升，以后漸趨平穩(wěn).在靜置56d時，其抗壓強度分別為常溫試塊的86.0%，86.9%，85.4%.當t＝600℃時，其抗壓強度隨靜置時間的增加波動不大，在靜置56d時，試塊抗壓強度為常溫試塊的41.4%.這是因為當600℃時材料破壞嚴重，自然冷卻條件下試塊強度嚴重降低且很難恢復，所以試塊抗壓強度隨靜置時間的增加而持續(xù)下降.

由圖3（b）可知，對于噴水冷卻的試塊，其抗壓強度在靜置1d時出現(xiàn)最小值，該最小值在t＝150，300，450，600℃時為常溫試塊抗壓強度的76.1%，71.0%，63.9%，48.5%.其原因是噴水冷卻造成灌漿料試塊外表面溫度驟然降低，內外溫度差產(chǎn)生不均勻的溫度場，對試塊造成材料的損傷，這種損傷在1d時未能得到恢復，因此在此時出現(xiàn)最小值.在靜置前期試塊抗壓強度波動比較明顯，材料強度有所恢復，這是由于隨時間的推移，水分的參與使材料中Ca（OH）2和CaO吸收水分并結合空氣中的CO2進一步生成CaCO3，從而強度得以提高.在經(jīng)過短暫波動后，強度再次回落，以后漸趨平穩(wěn).最終在靜置56d后，4種受火溫度下試塊的抗壓強度分別達到常溫試塊的75.6%，64.0%，80.7%，59.2%.

2.4 冷卻方式對抗壓強度的影響

由圖2中靜置時間為28d，摻水率為12%的水泥基灌漿料高溫后抗壓強度與冷卻方式的關系可以看出，當t＝150℃時，自然冷卻與噴水冷卻條件下試塊的抗壓強度分別是67.0，62.4MPa，為常溫下立方體試塊抗壓強度的90.3%，84.1%；當t＝300℃時，自然冷卻與噴水冷卻條件下試塊的抗壓強度分別是67.8，65.2MPa，為常溫下立方體試塊抗壓強度的91.4%，87.9%；隨著受火溫度的升高，當t＝450℃時，經(jīng)歷自然冷卻與噴水冷卻之后的試塊抗壓強度分別是66.2，69.1MPa，為常溫下立方體試塊抗壓強度的89.2%，93.1%；溫度繼續(xù)升高至600℃，試塊嚴重破壞，經(jīng)歷自然冷卻后，試塊抗壓強度是37.9MPa，為常溫試塊的51.1%，經(jīng)歷噴水冷卻后，試塊的抗壓強度為47.9MPa，恢復至常溫試塊的64.6%.

由圖2還可以看出，在靜置時間相同的條件下，當受火溫度不太高時（不大于300℃），噴水冷卻對試塊強度的恢復作用有限；在受火溫度較高（不小于450℃）時，隨受火溫度的升高，噴水冷卻對試塊的強度恢復作用較明顯.產(chǎn)生這種情況的原因是：當受火溫度不太高時，高性能水泥基灌漿料的水泥水化產(chǎn)物損傷較輕，但噴水冷卻造成溫度驟降，由此造成其內部結構進一步損傷，而噴水冷卻中水分的參與對受火后灌漿料的強度恢復影響不大.隨著受火溫度的升高（不小于450℃），高性能水泥基灌漿料的水泥水化產(chǎn)物破壞更加嚴重，與自然冷卻相比，在噴水冷卻條件下，水分的參與可使生成的Ca（OH）2和空氣中的CO2作用生成CaCO3，強度恢復較明顯，導致在經(jīng)歷較高溫度后噴水冷卻灌漿料的強度超過了自然冷卻灌漿料的強度.

3 結論

（1）在自然冷卻與噴水冷卻條件下，摻水率為12%的水泥基灌漿料受火后的抗壓強度明顯高于摻水率為14%和16%的水泥基灌漿料.

（2）水泥基灌漿料受高溫或火災作用后，其立方體抗壓強度隨溫度的升高總體呈下降趨勢.

（3）受火災作用后水泥基灌漿料抗壓強度在前期波動比較大，隨著時間的推移逐漸趨于穩(wěn)定.自然冷卻情況下在高溫后3～7d出現(xiàn)抗壓強度最小值，噴水冷卻情況下在高溫后1d左右出現(xiàn)抗壓強度最小值.

（4）在靜置時間相同的條件下，當受火溫度不太高時（不大于300℃），噴水冷卻對試塊強度的恢復作用有限；在受火溫度較高時，隨受火溫度的升高，噴水冷卻對試塊的強度恢復作用較明顯.

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