劉熾豪,吳 波,陳嘉健,吳沛林,王 健

(1.佛山科學技術學院 土木工程系,廣東 佛山 528200;2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣東 廣州 510000;3. 香港大學 土木工程系,香港 999077;4. 中山大學 土木工程學院,廣東 廣州 510000)

據(jù)應急管理部消防救援局報道,2020年全國接報火災共25.2萬起,全國平均每兩至三分鐘就有一起火災發(fā)生[1],頻發(fā)的火災事故令混凝土結構耐高溫性能的研究愈益迫切。為探索混凝土結構的耐高溫性能,學者們開展了一系列的研究,發(fā)現(xiàn)混凝土結構在高溫下產(chǎn)生性能劣化的主要原因有:混凝土內(nèi)部蒸氣壓[2-5]、溫度應力[2,6-7]、水化產(chǎn)物熱分解[8-10]以及外加荷載耦合作用[7,11]。關于混凝土結構的耐高溫性能研究目前已經(jīng)相對充足,混凝土自身因高溫導致的劣化理論也已經(jīng)相對成熟,然而過往研究中普遍只考慮混凝土結構基體因高溫導致的性能劣化,而并未考慮抹灰層對混凝土的保護作用。在房屋建筑中,混凝土表面通常會采用抹面砂漿進行抹灰。在實際火災中,混凝土結構表面的砂漿抹灰層會在一定程度上起保護作用,然而目前關于抹灰層對混凝土結構耐高溫性能提升作用的研究甚少,因此有必要探討抹灰層對混凝土耐高溫性能的影響。

1 試驗

1.1 混凝土試樣制備

1.1.1 混凝土材料

1)水泥:海螺普通硅酸鹽42.5等級水泥。

2)砂:佛山產(chǎn)地河砂。

3)粗骨料:粒徑10～30 mm的石灰?guī)r。

4)減水劑:聚羧酸液態(tài)減水劑。

1.1.2 混凝土制備及養(yǎng)護

混凝土材料配合比見表1,水灰質量比為0.34?；炷猎嚇訛?00 mm標準件,試樣一次性澆筑于模內(nèi)并放置振動臺上振搗均勻。在澆筑的過程中取3個混凝土試樣,并在其試樣中心及某一棱線中點預埋熱電偶。待試樣室溫放置24 h成型后拆模,浸泡于水箱中養(yǎng)護28 d。

表1 混凝土材料配合比

依次在混凝土試樣的6個面上進行抹灰,抹灰砂漿按照JGJ/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設計規(guī)程》[12]推薦的M20強度等級水泥砂漿配制。抹灰層的厚度分別為0 mm(M0組)、10 mm(M10組)以及20 mm(M20組)。

1.2 耐高溫試驗

耐高溫試驗采用上海喆鈦機械制造有限公司生產(chǎn)的一體式電阻爐,電阻爐的額定功率為12 kW、額定溫度為1 050 ℃。待試樣養(yǎng)護完畢后,放置電阻爐中,當爐膛升溫(升溫速率10 ℃/min)至目標溫度(200、400、600和800 ℃)后恒溫1 h。隨后關閉電阻爐并取出試樣,待試樣冷卻至室溫后去除試樣表面的抹灰層并觀察表面裂縫,稱質量計算混凝土試樣的剩余質量比率。

1.3 超聲波脈沖速度試驗

超聲波脈沖速度試驗采用智博聯(lián)ZBL-U510型非金屬超聲波檢測儀,通過對測的方式測定混凝土試樣的超聲波脈沖速度,試驗規(guī)范采用CECS 02—2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規(guī)程》。

1.4 紅外溫升試驗

采用德圖865型紅外熱像儀拍攝高溫后混凝土的紅外熱像,用紅外線燈泡作為外加熱源,檢測時試樣與外加熱源的距離為200 mm。試樣開始加熱及加熱2 min時各拍攝一張紅外熱像,通過分析、處理紅外熱像得出不同加熱溫度下試樣的紅外溫升。

1.5 抗壓強度試驗

抗壓強度試驗按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行,加載速度為0.5 MPa/s,加載至試樣最終破壞,并記錄最終加載值。

1.6 紅外光譜試驗

為終止混凝土碎片的水化反應,試驗采用無水乙醇浸泡混凝土碎片3 d。浸泡完畢,將混凝土碎片置于干燥箱中烘干(加熱溫度為40 ℃)至恒質量,并研磨過74 μm篩。紅外光譜儀采用天津港東科技公司生產(chǎn)的FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀,分辨率為4.0 cm-1,掃描波數(shù)為400～4 000 cm-1。試驗采用KBr壓片法。

2 結果與討論

2.1 外觀形貌

混凝土試樣加熱后的外觀形貌見圖1。由圖1可知:當溫度達到400 ℃時,M0組開始產(chǎn)生裂縫;當溫度達到600 ℃時,M10與M20組才開始產(chǎn)生裂縫,同時試樣頂點發(fā)生破碎,并且在相同溫度下抹灰層厚度與混凝土試樣開裂的程度呈負相關。高溫會導致混凝土試樣的開裂,甚至會導致粗骨料的裸露、剝落,除此之外,高溫還會導致粗骨料的顏色由灰黑色轉變?yōu)榛野咨?/p>

圖1 混凝土試樣加熱后外觀形貌

2.2 剩余質量比率

混凝土試樣加熱后剩余質量比率見表2。由表2可發(fā)現(xiàn):混凝土剩余質量主要受目標溫度控制[13],當溫度<400 ℃時,質量損失主要來自自由水的蒸發(fā)以及小部分的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠結合水蒸發(fā);當溫度≥400 ℃時,質量損失則主要來自C-S-H凝膠、Ca(OH)2以及CaCO3高溫分解[14]。混凝土剩余質量除了受溫度影響也受抹灰層的厚度影響,相同溫度下混凝土剩余質量隨抹灰層的厚度增大而增大。

表2 混凝土試樣加熱后剩余質量比率

2.3 耐高溫試驗實測溫度

圖2為在800 ℃耐高溫試驗過程中混凝土試樣表面與中心點實測溫度曲線。由圖2可知:由于混凝土的導熱效應,混凝土試樣中心點與表面的溫差在加熱過程中最高可達280 ℃,在降溫過程中溫差最高可達260 ℃。這是因為混凝土自身的導熱系數(shù)會影響其各點的升溫以及降溫,同時混凝土試樣表面的抹灰層厚度也會影響其各點的升溫以及降溫。隨著抹灰層厚度的增大,混凝土試樣表面與中心點溫度曲線愈趨平緩,除此以外,試樣表面與中心點的最高溫度也隨著抹灰層厚度的增大而降低。

圖2 混凝土試樣表面與中心點溫度變化曲線

2.4 超聲波脈沖速度

混凝土試樣加熱后測得的超聲波脈沖速度結果見表3。混凝土試樣經(jīng)歷高溫后測得的超聲波脈沖速度變化規(guī)律與剩余質量比率變化規(guī)律類似,混凝土試樣的超聲波脈沖速度會隨著溫度的上升而降低[15-16]。超聲波脈沖速度的下降表明高溫會導致混凝土試樣內(nèi)部產(chǎn)生微損傷或裂縫,這是由加熱過程中產(chǎn)生孔隙蒸氣壓以及水化產(chǎn)物的熱分解導致的。除此以外,混凝土試樣在自然冷卻的過程中,由于存在較大的溫度梯度,試樣內(nèi)部會承受較大的溫度應力,從而進一步促使裂縫發(fā)展。

由表3可知:在相同溫度下,混凝土試樣的超聲波脈沖速度會隨著砂漿抹灰層厚度的增大而增大,說明抹灰層在升溫以及降溫的過程中可以延緩混凝土的損傷或裂縫產(chǎn)生。由圖2也同樣能看出:抹灰層越厚,試樣的峰值溫度就越小,抹灰層一方面降低了峰值溫度,另一方面使得試樣升溫以及降溫的曲線變緩,因此抹灰層可有效緩解混凝土試樣的高溫劣化。

表3 混凝土試樣加熱后超聲波脈沖速度

2.5 紅外溫升

紅外熱像檢測作為一種無損檢測手段,可以較好地檢測出混凝土表面開裂的位置以及開裂程度[17]。除此以外,更有學者指出可以利用紅外熱像法測得混凝土表面紅外溫升,并建立紅外溫升與抗壓強度之間的關系,最終實現(xiàn)混凝土高溫強度預測[18-19]。經(jīng)歷高溫后混凝土表面會出現(xiàn)不同程度的裂縫,最終體現(xiàn)為特定熱源、照射距離以及照射時間下混凝土表面紅外溫升會隨著耐高溫試驗加熱溫度的增大而增大。因此,本次試驗除了利用超聲波脈沖速度評價混凝土的裂縫發(fā)展程度,還利用紅外溫升評價混凝土的劣化程度。

混凝土試樣加熱后紅外溫升見表4,紅外熱像見圖3。由于混凝土在耐高溫試驗中會產(chǎn)生一系列的微裂縫,因此在相同熱源照射下,試驗加熱溫度越高混凝土表面的紅外溫升越大。由表4與圖3可知:溫度≤400 ℃的混凝土試樣表面紅外溫升增大速度較慢,而溫度≥600 ℃的混凝土試樣表面紅外溫升增大速度較快。

由表4與圖3還可知:溫度和抹灰層厚度均會在一定程度上改變混凝土的紅外溫升?；炷恋募t外溫升隨著抹灰層厚度的增大而減小,這是因為抹灰層降低了混凝土的峰值溫度與升溫、降溫速率,最終延緩混凝土試樣的裂縫產(chǎn)生。

表4 混凝土試樣加熱后紅外溫升

圖3 混凝土試樣加熱后紅外熱像

2.6 抗壓強度

Karakurt等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強度隨著溫度上升而持續(xù)下降,當加熱溫度<450 ℃時混凝土抗壓強度損失并不明顯,當加熱溫度≥450 ℃時混凝土抗壓強度下降明顯。周駿等[21]指出混凝土在經(jīng)歷高溫后易開裂失效。Uysal等[22]與Roufael等[23]均指出混凝土抗壓強度在400 ℃之前無明顯變化,當溫度超過400 ℃時混凝土抗壓強度明顯下降。對加熱后的混凝土試樣進行抗壓強度試驗,結果見表5。由表5可知：試驗現(xiàn)象與上述學者們的結論基本一致，混凝土試樣的抗壓強度隨著溫度上升持續(xù)下降,當溫度<400 ℃時M0抗壓強度下降較為平緩,當溫度≥400 ℃時M0抗壓強度明顯下降,當溫度達到600 ℃時,M0組抗壓強度僅為常溫時的52.9%。

表5 混凝土試樣加熱后抗壓強度

除了加熱溫度會影響混凝土的抗壓強度,抹灰層也可以改變混凝土加熱后的抗壓強度。衛(wèi)安豹[24]通過有限元分析指出抹灰層可以阻隔外部能量的輸入,延緩鋼筋混凝土柱溫度上升并降低柱體強度損失。劉陽等[25]通過分析試驗數(shù)據(jù)指出與無抹灰層混凝土試塊相比,帶抹灰層混凝土試塊抗壓強度較高。由表5還可知:當溫度<400 ℃時抹灰層厚度對混凝土抗壓強度影響并不明顯;而當溫度≥400 ℃時抹灰層厚度對延緩混凝土高溫劣化作用明顯;當溫度達到600 ℃時M10和M20組的抗壓強度較M0組的分別高23.65%和50.94%;當溫度達到800 ℃時M10和M20組的抗壓強度較M0組的分別高46.72%和161.63%。試驗結果表明,抹灰層可以降低混凝土的熱損傷,符合過往學者的結論。

通過分析超聲波脈沖速度以及紅外溫升變化可知,抹灰層能延緩因高溫導致的混凝土裂縫發(fā)展,混凝土試樣經(jīng)歷高溫后的抗壓強度也相應隨著抹灰層厚度的增大而上升,這表明抹灰層在一定程度上可以延緩混凝土因高溫產(chǎn)生裂縫導致的混凝土抗壓強度損失。

通過表5回歸分析擬合得出相關系數(shù)R2=0.955的混凝土試樣耐高溫試驗后的抗壓強度與加熱溫度、抹灰層厚度的關系式,如式(1)所示。

(1)

式中:t1為加熱溫度,℃;t2為抹灰層厚度,mm;y為耐高溫試驗后的抗壓強度,MPa。

由回歸分析可知,混凝土抹灰層厚度、加熱溫度和抗壓強度的相關性較高,可為混凝土火災后的抗壓強度損失預測提供參考。

2.7 紅外光譜分析

在耐高溫試驗中混凝土抗壓強度隨著目標溫度的上升而下降,主要影響因素為:混凝土內(nèi)部蒸氣壓、溫度應力以及水化產(chǎn)物的分解。為探究高溫對水泥水化產(chǎn)物的影響,試驗選取不同溫度下的M0碎片進行傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析,結果見圖4。圖4中984、680和452 cm-1分別為Si—O(C-S-H凝膠)平面內(nèi)彎曲振動峰、Al—O—Si振動峰以及Si—O平面內(nèi)彎曲振動峰;3 436 cm-1和1 648 cm-1均為C-S-H凝膠結合水的特征峰[26-27]。由圖4可知:當溫度<400 ℃時,5個特征峰強度除了1 648 cm-1以外均沒有發(fā)生明顯的劣化;當溫度≥400 ℃時,所有特征峰強度均隨著溫度的上升而下降。這表明當溫度<400 ℃時,C-S-H凝膠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài);當溫度≥400 ℃時,C-S-H凝膠的穩(wěn)定性下降并開始發(fā)生熱分解。

圖4 不同溫度下混凝土試樣FT-IR光譜

由圖4還可知:C-S-H凝膠在溫度<400 ℃時保持非常穩(wěn)定的狀態(tài),并未出現(xiàn)明顯的特征峰下降,然而混凝土在溫度<400 ℃時強度已經(jīng)出現(xiàn)劣化,這表明混凝土在溫度<400 ℃時發(fā)生劣化的主要原因并非水化產(chǎn)物的熱分解,而是由于高溫蒸氣壓和溫度應力引起的裂縫發(fā)展;當溫度≥400 ℃時,C-S-H凝膠開始大量脫水并發(fā)生熱分解,導致C-S-H凝膠的穩(wěn)定性被破壞,對混凝土試樣的抗壓強度產(chǎn)生不良影響。隨著C-S-H凝膠的熱分解,混凝土試樣的裂縫發(fā)展程度增大,具體體現(xiàn)為紅外溫升的上升以及超聲波脈沖速度的持續(xù)下降,最終導致混凝土試樣的抗壓強度急劇下降。

3 結論

1)混凝土試樣在400 ℃以下并不會產(chǎn)生明顯裂縫;當爐膛溫度超過600 ℃時,混凝土試樣會產(chǎn)生相對明顯的裂縫,而開裂程度隨著抹灰層厚度的增大而減小。

2)在溫度<400 ℃時,C-S-H凝膠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài);當溫度≥400 ℃時,C-S-H凝膠的穩(wěn)定性下降,并開始發(fā)生熱分解。

3)混凝土在經(jīng)歷不同目標溫度的耐高溫試驗后均出現(xiàn)了劣化,當溫度達到600 ℃時,混凝土抗壓強度僅常溫時抗壓強度的52.9%。

4)在耐高溫試驗中,抹灰層可以有效降低混凝土的峰值溫度以及升溫、降溫速率,延緩因高溫蒸氣壓、溫度應力以及C-S-H凝膠熱分解導致的抗壓強度劣化。

5)通過數(shù)據(jù)擬合可以發(fā)現(xiàn),混凝土試樣抗壓強度與加熱溫度、抹灰層厚度之間具有高相關性(R2=0.955),可為混凝土結構或構件的火災后抗壓強度預測提供參考。

6)在溫度<400 ℃時,抹灰層對混凝土抗壓強度的影響并不顯著；當溫度≥400 ℃時,抹灰層能顯著延緩高溫環(huán)境下的抗壓強度下降。在溫度為600 ℃時,M10和M20組的抗壓強度分別比M0組的高23.65%和50.94%;在溫度為800 ℃時,分別比M0組的高46.72%和161.63%。

7)由于抹灰層在高溫條件下可以在一定程度上緩解因高溫導致的熱損傷,因此,關于混凝土建筑結構的耐高溫研究與設計應該考慮抹灰層的保護作用,不宜單純考慮混凝土基體的耐高溫性能。

致謝

本工作受到佛山智慧型海洋與陸地工程技術研發(fā)中心的支持。在此致以衷心的感謝!