黃國棟,張戎令,2,張瑞穩(wěn),李 華,郭海貞
(1.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,甘肅蘭州 730070;2.蘭州交通大學道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,甘肅蘭州 730070)
近年來,建筑火災(zāi)事故頻繁發(fā)生,火災(zāi)已成為建筑工程的重大安全隱患之一。建筑物一旦發(fā)生火災(zāi),其內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)迅速升高,造成混凝土力學性能退化,將直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。國內(nèi)外學者對普通混凝土和高強混凝土高溫力學性能研究得出:混凝土經(jīng)高溫作用后力學性能的衰退與高溫作用時間、溫度、冷卻方式、養(yǎng)護方式、受熱后靜置時間等因素有關(guān)[1-2];鋼纖維和聚丙烯纖維不僅可以抑制混凝土的高溫爆裂,而且可以提高混凝土在高溫后的殘余抗壓強度[3-4];噴水冷卻試件內(nèi)有新水化物生成,對混凝土抗壓強度相對有利[5];高溫后大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度退化率低于普通混凝土[6]。
以往研究成果多基于28 d 齡期以上的高溫混凝土,現(xiàn)實生活中可能在混凝土早齡期發(fā)生火災(zāi)導致其經(jīng)受高溫損傷。目前,對早齡期混凝土高溫作用后力學性能的試驗研究較少。因此,本文研究單摻10%粉煤灰和單摻10%礦粉的早齡期混凝土經(jīng)歷不同高溫后其殘余抗壓強度和質(zhì)量燒失率隨齡期和溫度的變化規(guī)律。
水泥采用哈密天山水泥有限責任公司生產(chǎn)的天山牌P·Ⅱ52.5 型硅酸鹽水泥,其技術(shù)指標見表1;粗骨料為碎石,采用5~10 mm 和10~20 mm 2 種粒徑范圍的石子以3∶7的質(zhì)量比搭配,壓碎指標屬于Ⅰ類;細骨料采用河沙,細度模數(shù)為2.8,屬于中砂,含泥量為1.4%,表觀密度為2 642 kg/m3,空隙率為37.1%;礦物摻和料采用Ⅰ級粉煤灰和S95 級礦粉,其技術(shù)指標分別見表2、表3;減水劑采用聚羧酸高性能減水劑,用量為膠凝材料質(zhì)量的1.3%;拌和用水采用自來水。
表1 P·Ⅱ52.5型硅酸鹽水泥技術(shù)指標
表2 粉煤灰技術(shù)指標 %
表3 礦粉技術(shù)指標
制備了2 種類型的C50 混凝土試件,水膠比均為0.34,分別摻10%粉煤灰的混凝土(FC)和摻10%礦粉的混凝土(KC),配合比見表4。試件成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,混凝土入模并振搗密實后抹平表面,靜置在常溫室內(nèi),24 h后拆模并放置于養(yǎng)護室內(nèi)進行標準養(yǎng)護。
表4 混凝土配合比 kg·m-3
1.3.1 高溫試驗
首先,將混凝土試件標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期取出,擦拭表面水分,稱取高溫前的質(zhì)量。然后將試件放入SX2-12-10 型箱式電阻爐內(nèi)進行高溫試驗。爐膛尺寸為500 mm×300 mm×200 mm,功率為12 kW,最高溫度可達1 200 ℃,控制精度±1 ℃。本型號電阻爐配有溫度控制儀,爐膛內(nèi)溫度可自動調(diào)控,達到目標溫度后恒溫6 h(以保證試件內(nèi)部均勻受熱),然后停止加熱,取出試件放置在室內(nèi)自然冷卻至室溫。
本試驗加熱溫度按GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》[7]中標準時間-溫度曲線設(shè)定。該曲線公式為:T=T0+345lg(8t+1)。其中:T為火災(zāi)溫度;T0為常溫,取20℃;t為火災(zāi)時間。計算得出加熱到目標溫度300,500,700 ℃時分別需要1,3,12 min。
1.3.2 抗壓強度試驗
按GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[8]中要求進行試驗。
不同齡期試件經(jīng)受高溫后質(zhì)量燒失率與溫度的關(guān)系見圖1??芍?種試件不同齡期質(zhì)量燒失率均隨著溫度的升高總體呈線性增長,并且相同齡期質(zhì)量燒失率隨溫度升高增長趨勢相近。這是因為混凝土試件孔隙內(nèi)含有大量的自由水,隨著溫度的升高自由水逐漸蒸發(fā),從而導致質(zhì)量燒失率增長。當溫度升至一定值時水分嚴重損失,水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2等分解脫水,使得質(zhì)量燒失率進一步增長。溫度繼續(xù)升高,骨料中白云石、碳酸鈣等開始分解,骨料不再穩(wěn)定。2種試件溫度達到700 ℃時質(zhì)量燒失率均達到7%左右。試件28 d 的質(zhì)量燒失率增長出現(xiàn)異常,總體不呈線性增長,但試件質(zhì)量燒失率仍隨著溫度的升高而增大。
圖1 不同齡期試件經(jīng)受高溫后質(zhì)量燒失率與溫度的關(guān)系
不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關(guān)系見圖2。
圖2 不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關(guān)系
由圖2 可知:①相同齡期時2 種試件殘余抗壓強度隨溫度升高變化趨勢基本一致。②7 d 齡期時2 種試件的殘余抗壓強度均隨著溫度升高呈先增大后減少的趨勢,其臨界溫度為300 ℃。FC 和KC 試件臨界溫度下的抗壓強度分別為47.6,50.1 MPa,比常溫時抗壓強度(39.9,41.4 MPa)分別提高了19%和21%。這是因為7 d 齡期時水泥水化程度相對較低,300 ℃高溫使得混凝土試件內(nèi)部大量的水分蒸發(fā),而試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實,部分水蒸汽會留在混凝土試件內(nèi)部,促進未水化的水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng),從而提高混凝土試件的殘余抗壓強度。③14,21,28 d齡期時試件殘余抗壓強度均隨著溫度的升高呈先平緩下降,后快速下降的趨勢。500 ℃高溫時,14,21,28 d 齡期 FC 試件殘余抗壓強度分別降至常溫時的92%,83%,63%,KC 試件分別降至常溫時的89%,78%,62%;700 ℃高溫時2 種試件殘余抗壓強度均降至常溫時的30%~40%,基本喪失承載力。這是因為500 ℃高溫時混凝土試件內(nèi)部嚴重失水,使得試件內(nèi)部出現(xiàn)更多孔隙及裂紋,其殘余抗壓強度降低。700 ℃高溫時混凝土試件內(nèi)部水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠和Ca(OH)2晶體基本分解,試件內(nèi)部損壞嚴重,導致其殘余抗壓強度迅速下降。
根據(jù)文獻[3,6]對混凝土試件28 d 齡期高溫作用后試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和擬合結(jié)果,再結(jié)合本文試驗結(jié)果,對2 種混凝土試件的殘余抗壓強度與溫度的關(guān)系進行擬合。殘余抗壓強度?cu,T可表示為
式中:a,b,c均為回歸系數(shù);20 ℃≤T≤700 ℃。
采用最小二乘法擬合出不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度的關(guān)系。
FC試件經(jīng)受高溫后各齡期擬合公式依次為
KC試件經(jīng)受高溫后各齡期擬合公式依次為
1)2 種混凝土試件不同齡期的質(zhì)量燒失率均隨著溫度的升高總體呈增大趨勢,并且相同齡期增長趨勢相近。
2)相同齡期時2種混凝土試件的殘余抗壓強度隨溫度升高變化趨勢基本一致。700 ℃高溫時2 種混凝土試件各齡期殘余抗壓強度均降至常溫時的30%~40%,基本喪失承載力。
3)通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,給出了2 種早齡期混凝土試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強度與溫度關(guān)系式,可供實際工程中早齡期混凝土經(jīng)受高溫后性能分析評價提供參考。