王永旗 張珂健 張玉春 陳龍飛

摘要：本文研究了C20混凝土在高溫條件下的力學性能特征參數(shù)變化規(guī)律。試驗采用的溫度范圍為100℃-800℃，對比不同高溫條件下C20混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率與損傷度。試驗結(jié)果表明，在不同的高溫條件下，C20混凝土的表面顏色及外觀有較大差異。隨著溫度的升高，C20混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率及損傷度也隨之增大。同時，C20混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：C20混凝土;波速;質(zhì)量損失率;損傷度;波速損失率

普通混凝土暴露在火災(zāi)或高溫條件時，它的性能將發(fā)生很大的改變。近年來，國內(nèi)外學者對普通混凝土在高溫條件下的性能已進行了大量的研究工作。1980年，Ellondwing、2003年，Kodur、2013年，Kizilkanat等人研究了高溫后普通混凝土的物理性質(zhì)，如密度、比熱、熱傳導率和熱膨脹系數(shù)等參數(shù)在高溫下的變化規(guī)律和反應(yīng)過程。2001年，Shoaib、2005年，余志武、2013年，羅俊禮、2013年，霍靜思等人分析了高溫后普通混凝土的力學性能，如抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、收縮性能、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度及殘余特性等參數(shù)的變化規(guī)律。

在火災(zāi)或者高溫條件下，普通混凝土將會受到不同程度的損傷，而損傷程度的測量與表征是非常重要的。檢測混凝土性質(zhì)的方法通常分為破損法和非破損法。相對于破損法來說，非破損法不會對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞，測試儀器簡單、操作方便，并且具有可對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件重復測試等優(yōu)點。其中，超聲波法因超聲波對各種材料的穿透力較強、較高的靈敏度、操作方便和檢測成本低等優(yōu)點在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

1993年，楊彥克等人較早地通過大量超聲試驗，以及對火災(zāi)混凝土構(gòu)件的溫度分布的研究，發(fā)現(xiàn)用超聲法來推求火災(zāi)混凝土構(gòu)件溫度分布是可行的。2004年，Prassianakis等人開展了研究證明超聲波作為材料的非破壞性測試方法的有效性。2004年，黃政宇等人建立了超聲波首波幅值衰減層析成像的原理和方法，發(fā)現(xiàn)首波幅值衰減反演不但能正確反映試件內(nèi)部的缺陷情況，而且比速度反演更敏感。2009年，Yang等人通過超聲波脈沖速度定量評價高溫下混凝土的殘余抗壓強度，以及殘余超聲波速度與不同配比混凝土強度、暴露溫度、暴露時間、火災(zāi)后齡期之間的關(guān)系。2011年，Lin等人采用波速作為參數(shù)，研究了水固化混凝土受高溫后殘余抗壓強度與超聲波速度的關(guān)系，研究表明混凝土的配比類型對高溫后養(yǎng)護混凝土試件的殘余強度和波速比的影響很小，并提出了預測火災(zāi)后混凝土的養(yǎng)護殘余強度的公式。2013年，陳天紅等人應(yīng)用超聲波法的相對波速和損傷度作為評價參數(shù)，對混凝土的受熱溫度、抗壓強度損失率和抗折強度損失率進行分析與評價，發(fā)現(xiàn)二次多項式和指數(shù)函數(shù)的擬合效果較好。2014年，Azimian等人用統(tǒng)計的方法總結(jié)前人對不同類型巖石的波速與UCS（單軸抗壓強度）之間的關(guān)系。2015年，Wang等人采用時頻分析方法對砂巖高溫暴露后的變形和強度特性進行了評價，驗證了超聲波評價方法的有效性。

綜上所述，前人學者針對普通混凝土在高溫下的波速變化方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，然而，目前還比較缺乏針對混凝土質(zhì)量損失率與波速損失率之間關(guān)系的研究。隨著溫度的升高，普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會發(fā)生變化，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的同時將會伴隨著質(zhì)量損失率的增加和波速的降低，本文通過研究C20混凝土在高溫條件下的力學性能特征參數(shù)變化規(guī)律，建立C20混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率的關(guān)系式，為高溫條件下混凝土的參數(shù)分析提供參考依據(jù)。

一、試驗設(shè)計

（一）試塊制備

試塊采用P.O42.5硅酸鹽水泥與0.025cm-0.05cm的細河沙骨料，W/C為0.78，水泥、細骨料、水與減水劑四者的比例確定為1：3.54：1.28：0.008?？山普J為各相同性。

混凝土試件經(jīng)24h帶模養(yǎng)護后，常溫下養(yǎng)護28天。試驗共設(shè)計了27個立方體試塊（100mm×100mm×100mm）。每組溫度下，有3個試塊（例如，800℃編號分別為800-1、800-2和800-3），其中3塊為對照組。

（二）溫度設(shè)定

高溫試驗儀器采用箱式電爐，電爐最高溫度可達1200℃，最大升溫速率為15℃/min-20℃/min，平均10℃/min，略低于標準升溫速率。高溫試驗利用電爐進行加熱。

試驗設(shè)定100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃八種溫度等級，到達設(shè)定溫度后，保溫2h后停止加熱，使試件自然冷卻至室溫。對比試驗前后外觀、質(zhì)量及波速變化。

二、結(jié)果與分析

（一）試驗現(xiàn)象

在試驗中觀察到，當溫度加熱至100℃-200℃時，從爐門冒出少量水霧，這是混凝土中的游離水蒸發(fā)所引起的。在400℃-500℃溫度范圍內(nèi)，爐門出現(xiàn)大量略帶刺激性氣味的水霧，此時，混凝土水化產(chǎn)物中的化合水逐漸析出。而當溫度達到600℃后，隨著加熱時間的增加，混凝土中的大部分水分已失去，水霧基本消失。其中，當混凝土被加熱至450℃-600℃時，會聽到試件中發(fā)出細小爆裂的聲音。同時，試驗中也觀察到，對于常溫下的混凝土，發(fā)射器發(fā)出的脈沖聲音較厚實且無回音;而對于高溫條件下的混凝土，發(fā)射器發(fā)出的脈沖聲音較為沙啞、沉悶，回音現(xiàn)象嚴重，并且所受溫度越高越明顯。

在不同的溫度下，混凝土試件表面的顏色及試件表面的裂縫、疏松程度呈現(xiàn)不同的特點?；炷猎嚰芨邷刈饔貌⒗鋮s至室溫后的外觀特征，整體如圖1所示：

其中，試塊“1”、“2”、“3”為常溫條件下的混凝土試塊，用于參照對比。從圖1中可以看出，隨著溫度的增加，試塊顏色由灰白色逐漸變深成為灰褐色，其中，400℃顏色最深，而隨著溫度的繼續(xù)增加，顏色逐漸褪色變?yōu)榱涟咨?。在相同溫度下，試塊的表面顏色大致相當。觀察試塊的外觀，發(fā)現(xiàn)當溫度在500℃以下時，試塊外觀基本保持完好，沒有明顯的裂縫和脫落。當溫度達到600℃以上時，會出現(xiàn)明顯裂縫和脫落現(xiàn)象：當溫度為600℃時，混凝土試塊出現(xiàn)明顯的長裂縫，溫度上升到700℃時，混凝土試塊出現(xiàn)條明顯的T型裂縫，隨著溫度繼續(xù)升高達到800℃時，混凝土試塊出現(xiàn)數(shù)條細裂縫，試塊表面脫落十分嚴重。

（二）質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系

混凝土在受到高溫后，其質(zhì)量會有損失，主要包括水分的蒸發(fā)、C-S-H凝膠的脫水分解、Ca（OH）2、CaCO3的分解以及混凝土表面爆裂或剝落帶來的質(zhì)量損失。因此，混凝土高溫下的質(zhì)量損失率在一定程度上反應(yīng)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。將高溫試驗前的混凝土試件稱重，高溫試驗結(jié)束后，清除試件表面的碎屑、浮灰后測其質(zhì)量。

質(zhì)量損失率按式（1）計算：

式中，GS為高溫后試件質(zhì)量損失百分率（%）;W1為高溫前混凝土質(zhì)量（g）;W2為高溫后混凝土質(zhì)量（g）。

試驗表明：混凝土試塊在300℃以下質(zhì)量損失率在5%以下，此時試塊質(zhì)量的損失是自由水的蒸發(fā);400℃-600℃質(zhì)量損失率迅速增加，這個階段，質(zhì)量損失主要來自于C-S-H凝膠的脫水分解、Ca（OH）2的分解;600℃-800℃質(zhì)量損失率大致維持不變是因為混凝土內(nèi)部的結(jié)晶水基本已經(jīng)分解完畢，質(zhì)量損失的一部分來自于混凝土表面的脫落。

（三）波速損失率與溫度的關(guān)系

高溫條件下混凝土將發(fā)生一系列物理化學反應(yīng)，而超聲波對這種變化反應(yīng)十分敏感，高溫條件下混凝土超聲波速度的變化直接反映了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化?；炷两?jīng)受不同的高溫后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化（如水泥漿的疏松，裂縫的出現(xiàn)、擴展等）呈現(xiàn)出不同的特點，混凝土整體性的破壞導致超聲波在混凝土中的傳播速度下降。因此，可以通過測試不同溫度下超聲波在混凝土中的傳播速度，得出波速損失率與溫度之間的關(guān)系，可直接用于進一步分析評定混凝土的火災(zāi)損傷程度。

超聲波變化率按式（2）計算：

式中，PS為高溫后波速損失率;P0為高溫前混凝土試塊波速（km/s）;P為高溫后混凝土試塊波速（km/s）。

試驗表明：隨著溫度增加，混凝土試塊波速逐漸下降，當?shù)陀?00℃時，混凝土波速下降比例≤30%，當溫度達到800℃時，此時波速只有高溫前波速的30%。隨著溫度增加混凝土試塊損傷度越來越大，混凝土損傷等級也越來越嚴重。

（四）質(zhì)量損失率與波速損失率的關(guān)系

隨著溫度的升高，試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會發(fā)生改變，改變的同時將會伴隨著質(zhì)量損失率的增加和波速的降低，二者之間必然存在著關(guān)系。圖2為混凝土波速損失率隨質(zhì)量損失率的變化關(guān)系。通過試驗結(jié)果的對比分析，可以看出高溫條件下混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率之間呈線性關(guān)系，如可由下式表示：

三、結(jié)語

本文研究了C20混凝土在高溫條件下的力學性能特征參數(shù)變化規(guī)律。試驗采用的溫度范圍為200-800℃，對比不同高溫條件下C20混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率與損傷度，得到以下結(jié)論：

（1）隨著溫度的升高，混凝土表面的顏色由灰白色逐漸變深成為灰褐色。其中，溫度為400℃時顏色最深，而隨著溫度的繼續(xù)升高，顏色逐漸褪色變?yōu)榱涟咨?。同時，發(fā)現(xiàn)當溫度在500℃以下時，試塊外觀基本保持完好，沒有明顯的裂縫和脫落，當溫度達到600℃以上時，試塊會出現(xiàn)明顯裂縫和脫落現(xiàn)象。

（2）隨著溫度的升高，混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率及損傷度也隨之增大。

（3）在不同高溫條件下，混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

參考文獻：

余志武，丁發(fā)興，羅建平.高溫后不同類型混凝土力學性能試驗研究[J].安全與環(huán)境學報，2005，5（5）：1-6.

羅俊禮，徐志勝，郭信君，張焱.隧道襯砌混凝土管片高溫爆裂及火災(zāi)損傷試驗研究[J].安全與環(huán)境學報，2013，13（5）：159-164.

霍靜思，王鵬，禹琦.水灰比對高溫下混凝土力學性能影響試驗研究[J].安全與環(huán)境學報，2013，13（4）：199-206.

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黃政宇，黃靚，繆侖.混凝土超聲波幅值衰減層析成像研究[J].鐵道科學與工程學報，2004，1（2）：35-38.

陳天紅.應(yīng)用超聲波法評價不同類型混凝土高溫后性能[D].秦皇島：燕山大學，2013.

作者簡介：

王永旗，男，高級工程師。

陳龍飛（通訊作者），男，講師。

基金項目：

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費理工科科技創(chuàng)新項目（2682017CX082），建筑消防工程技術(shù)公安部重點實驗室開放課題（KFKT2016ZD04）。