王中強,劉政怡

(長沙理工大學，湖南 長沙 410004)

我國火災事故頻發(fā),火災往往導致嚴重的結構損壞甚至建筑物坍塌[1],給人類造成巨大的生命傷亡和社會資源損失,火災后建筑物的加固修復也成為當今社會較為關注的問題?；炷敛牧显诮ㄖY構中應用廣泛,也是高溫下受火面積最大的材料。高溫后混凝土結構的力學性能研究成果頗豐,混凝土結構失效大多源于耐久性不足[2],耐久性研究正逐漸引起學者重視。高溫引起結構抗壓強度降低,滲透性增大,導致加固后還未達到設計使用年限的一部分鋼筋混凝土結構發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土性能劣化等現(xiàn)象。了解合理科學的耐久性檢測方法和預測模型對火災后混凝土結構使用安全性能的鑒定與修復至關重要。

1 混凝土高溫后殘余強度

混凝土強度與其密實度緊密相關,而密實度影響著混凝土結構的耐久性。混凝土在高溫(或火災)后的強度是評價火災后建筑物結構承載力的重要依據(jù),一個精確的高溫后剩余強度公式對火災后混凝土強度的檢測舉足輕重,具有研究和應用價值。一般地,混凝土經(jīng)高溫后的力學特性研究表明[3]:在300 ℃～400 ℃之前,混凝土的抗壓強度不致因溫度受到較大影響;150 ℃～400 ℃的溫度范圍內(nèi),混凝土的抗壓強度還很有可能會得到不同程度的增加;400 ℃～800 ℃則被視為抗壓強度衰減的主要溫度范圍。

逄靖華等[4]學者為了得出高溫后混凝土殘余抗壓強度普適性較優(yōu)的公式,通過高溫實驗將所得結果與以下具有代表性公式進行對比分析,認為以下公式與其實驗所得數(shù)據(jù)有較高的一致性。

朱伯龍、陸洲導提出如下公式:

(1)

閻繼紅提出如下公式:

(2)

其中，Ro(T)為T℃時混凝土的殘余強度;Ro為常溫時混凝土高壓強度;D為試件靜止時間。

但由于高溫后混凝土殘余強度受到自身材料差異和實驗方法等諸多因素的影響,具體問題還是應具體分析。

為了研究影響高溫后混凝土抗壓強度的因素,梁愛莉等[5]學者以鈣質(zhì)骨料和硅質(zhì)骨料為實驗研究對象,設計了受熱溫度、強度等級、高溫后靜置時間和冷卻方式等不同的對比因素進行混凝土高溫試驗,研究表明:

1)隨溫度升高,混凝土抗壓強度整體呈下降趨勢。

2)溫度越高,鈣質(zhì)骨料相對硅質(zhì)骨料的抗熱性能的優(yōu)越性就表現(xiàn)得更加顯著。

3)對于兩種骨料的混凝土,噴水冷卻到達其強度最小值的時間要早于自然冷卻[6]。無論在自然冷卻情況還是在噴水冷卻情況下,在一定的靜置時間下,混凝土強度都會出現(xiàn)最小值。

4)一般來說,當加熱溫度較低(350 ℃以下)時,冷卻方式對升溫后混凝土強度的影響較小,而當加熱溫度較高(550 ℃以上)時,升溫后混凝土強度受冷卻方式的影響較大。

混凝土遭受高溫后突然冷卻會導致內(nèi)部結構出現(xiàn)損傷與裂縫,這是因為快速升溫降溫致使內(nèi)外溫差不均,從而產(chǎn)生溫度應力。因此不同冷卻方式下其強度或有很大差別,2000年徐彧[7]利用對比實驗數(shù)據(jù)推導了高溫后混凝土噴水冷卻與自然冷卻狀態(tài)下混凝土的抗壓強度表達式:

自然冷卻:

(3)

噴水冷卻:

(4)

得到火災后混凝土殘余強度的精準值,能使建筑物受損評估和加固修復方案更為嚴謹有效。1997年賈鋒通過實驗驗證了用回彈法檢測高溫后混凝土的抗壓強度能有效保證其精度和可靠度。2013年陳天紅[8]基于超聲波法,采用相對波速和相對幅值,并結合損傷動力學理論中所定義的損傷強度D作為評價參數(shù),用不同的函數(shù)模型擬合混凝土高溫后抗壓強度損失率。結果表明,相對波速和損傷度在評價不同類型混凝土高溫后抗壓強度損失率方面具有普遍意義,但相對振幅不應被作為衡量評估混凝土高溫后性能的參數(shù)。

2 混凝土高溫后滲透性

Mahta教授在1991年舉行的一次國際混凝土大會上明確提出鋼筋的銹蝕已經(jīng)成為目前混凝土損毀和破壞最重要的一個根本原因,由于混凝土耐久性衰退導致的資源損耗問題中,鋼筋銹蝕造成的損失就占到了40%～55%。早期學者的關注重點集中于混凝土高溫后的力學性能,配合比設計時主要的考慮因素是強度指標,往往忽略了材料微觀角度。實際上,混凝土耐久性與許多因素密切相關。例如混凝土的孔隙率大小,內(nèi)部氯離子濃度及抗碳化能力,都主要取決于材料的滲透性能。高溫后產(chǎn)生的溫度應力會加劇混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展和孔隙的連通,滲透性提升后,水和腐蝕性介質(zhì)更容易滲入,進而影響耐久性。所以研究測定混凝土滲透性與耐久性的影響,對高溫后混凝土結構鑒定與修復加固大有裨益。

目前國內(nèi)外常用的滲透性試驗方法有三種:1)透氣性能試驗,如氬氣滲透試驗。2)透液性能試驗,即常用的透水試驗。3)離子擴散性能試驗，如氯離子擴散試驗。

2.1 孔隙率及吸水性

陳曉婷等[9]學者為避免水在實驗過程中使水泥繼續(xù)水化影響試驗結果,以純酒精代替水測量混凝土高溫前后孔隙率的變化。研究表明,高溫環(huán)境會加劇混凝土材料內(nèi)部裂紋的發(fā)展和孔隙貫通,外界的侵蝕性介質(zhì)更容易進入混凝土內(nèi)部而影響材料耐久性。證實了孔隙率可以作為評定高溫后混凝土耐久性的重要指標。

混凝土材料的力學性能一般在300 ℃～400 ℃高溫之后才有較大變化,因此目前高溫研究多為300 ℃以上的溫度段。姜福香等設計四種不同配合比的混凝土構件,在相對較低的高溫下(150 ℃～300 ℃),通過高溫前后混凝土吸水性能的變化來揭示其耐久性變化規(guī)律。如圖1所示,混凝土材料在經(jīng)受150 ℃高溫后,吸水系數(shù)迅速增大,耐久性明顯降低。試驗后學者得出結論,對火災后混凝土結構進行耐久性評估時,不應只關注其中心溫度較高區(qū)域而忽略了臨近較低高溫范圍。

2.2 氯離子濃度

混凝土孔隙率在經(jīng)受高溫后逐漸增大,當通過孔隙結構進入鋼筋表面的氯離子濃度增加或達到某個數(shù)值時,會造成鋼筋鈍化薄膜的破壞,從而直接引起鋼筋的銹蝕、膨脹,最終致使混凝土結構破壞。高潤東等[10]學者通過RCM法(快速氯離子遷移系數(shù)法,通過侵入深度導出氯離子擴散系數(shù))、電通量法測試高溫后混凝土抗氯離子滲透性能并得出結論:溫度升高,氯離子滲透性能隨之增加, 800 ℃時最為顯著。電通量法與RCM法相比,對溫度更加敏感,所得數(shù)據(jù)受溫度影響大。因此采用RCM法測定的氯離子遷移系數(shù)可以更準確地反映高溫對混凝土孔隙結構的影響規(guī)律。

2.3 碳化

在現(xiàn)代城市建筑物中,一般大氣環(huán)境和火災高溫后,引起鋼筋銹蝕的主要原因是混凝土碳化。混凝土中的高pH值能使鋼筋在其表面生成密實的鈍化膜,防止鋼筋銹蝕。結構經(jīng)受高溫后內(nèi)部孔隙率增大,空氣中的CO2通過結構裂縫擴散至內(nèi)部,加速消耗混凝土中的堿性物質(zhì),最終導致pH值降低,鋼筋脫鈍銹蝕。

資偉等[11]利用快速碳化試驗研究了不同因素對高溫后混凝土抗碳化能力的影響:隨著受熱溫度和時間的增加,碳化深度逐漸加大;高溫噴水冷卻會使混凝土結構出現(xiàn)因溫度驟降而產(chǎn)生的溫度應力裂縫,因此噴水冷卻的碳化深度通常遠超過自然冷卻;抗壓強度越大,材料密實性越好,侵蝕性介質(zhì)不易從孔隙通道侵入,混凝土碳化速度相對較慢。

自然冷卻:

(5)

噴水冷卻:

(6)

(7)

盧明杰[12]在高溫試驗中發(fā)現(xiàn)混凝土加速碳化初期pH值已經(jīng)下降,但此時噴灑酚酞試液碳化深度不明顯,利用火災后混凝土內(nèi)部pH值推測殘余OH-離子濃度來衡量其抗碳化能力較為準確。

3 結語

1)400 ℃～800 ℃高溫后,混凝土的殘余強度大幅降低,由于受自身材料及環(huán)境等眾多因素影響,已有的混凝土高溫后殘余強度計算公式并不適用于所有情況。超聲法以其無損、可靠度高的特點在檢測高溫后殘余強度中得到廣泛應用,它的相對波速和損傷度指標具有普適性[13]。

2)混凝土耐久性降低主要是因為各種侵蝕性物質(zhì)滲入結構內(nèi)部并發(fā)生反應,滲透性能是評價耐久性的一個重要指標。高溫后混凝土力學性能與耐久性不構成線性關系,研究其耐久性時不應忽略臨近混凝土高溫區(qū)的較低溫區(qū)。

3)混凝土耐久性在火災后建筑物結構修復中逐漸得到重視,建議在高溫后耐久性研究中,考慮各種影響因素的相互作用,以獲得比單一因素更全面的科研結論。