史貴臣，張騫尹，楊 帆

(1.河北拓樸建筑設(shè)計有限公司山西分公司，山西 太原 030006； 2.山西萬景源房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000； 3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

1 概述

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混凝土高溫后力學(xué)性能的研究已取得豐碩成果[1-4]，但以上研究僅局限于一次受火，近年來，因為消防不徹底、機(jī)械設(shè)備使用不當(dāng)?shù)仍蛟斐啥位馂?zāi)發(fā)生的例子不勝枚舉。已有學(xué)者對二次火災(zāi)下消防系統(tǒng)的改造提出自己的見解[5]，但關(guān)于二次火災(zāi)下混凝土殘余承載力的研究還基本處于空白階段。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻入粉煤灰和礦粉后，能改善混凝土的許多性能[6]。二者雙摻，在混凝土長期使用時可減少氯離子的滲透率[7]，抑制堿骨料反應(yīng)[8]，對混凝土的耐久性能有很大的提高；同時，二者雙摻可以較好的改善混凝土的和易性[9]，且能大幅度降低早期水泥漿體的水化熱[10]。最主要的是摻入粉煤灰和礦粉可以改善混凝土的抗高溫性能[11-12]。

基于以上原因，本文以雙摻混凝土為對象，進(jìn)行不同溫度下的二次高溫試驗，研究二次受火后其質(zhì)量損失和殘余抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，為二次火災(zāi)后混凝土的質(zhì)量評估及修復(fù)加固提供依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計及分組

本試驗混凝土配合比(質(zhì)量比)為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶水∶砂∶石=1∶0.588∶0.353∶1∶5.412∶5.765，坍落度為180 mm。依據(jù)規(guī)范制作邊長100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，強(qiáng)度計算時乘折減系數(shù)0.95，試件共分13組，每組3個，如表1所示。試件制作完成1 d后脫模，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后晾干1 d進(jìn)行高溫試驗。兩次受火間隔為28 d。

表1 混凝土試件分組及編號

2.2 試驗裝置

加熱裝置采用中國輕工業(yè)陶瓷研究所窖爐開發(fā)中心制作的GWD-02A節(jié)能電爐，如圖1(a)所示，加熱溫度可達(dá)1 100 ℃。該裝置通過如圖1(b)所示的控制柜控制爐內(nèi)溫度，并通過連接在控制柜上的K型熱電偶實現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的測量。采用10 ℃/min的升溫速率，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫120 min。

加載裝置采用YAW-3000型試驗機(jī)，該設(shè)備操作簡單，控制精確，以5 kN/s的加荷速率進(jìn)行加載。

3 試驗過程

3.1 高溫試驗現(xiàn)象

試件一次、二次受火自然冷卻后，外觀變化如圖2所示。從圖2可以看出，一次受火100 ℃的試件外觀顏色變化不明顯，同未受火一樣呈青灰色；一次300 ℃的試件顏色呈淡紅色且表面出現(xiàn)少數(shù)細(xì)小裂紋；一次受火500 ℃的試件顏色呈淺磚紅色，表面裂紋較300 ℃的試件明顯增多、變寬。對于一次受火100 ℃的試件，二次受火100 ℃，表面變化仍不太明顯，基本同常溫下一樣，二次受火300 ℃，表面顏色也呈淡紅色，但裂縫數(shù)量較僅一次受火300 ℃后稍微變多，二次受火500 ℃，試件呈磚紅色，且裂縫寬度、數(shù)量較僅一次受火500 ℃的試件稍微變大、變多，對于一次受火300 ℃的試件，二次受火100 ℃和300 ℃后，外觀顏色基本同僅一次受火300 ℃后，二次受火500 ℃后，表面磚紅色顏色變深，所有一次受火300 ℃ 的試件裂縫都隨二次受火溫度升高而逐漸變多；對于一次受火500 ℃的試件，二次受火100 ℃，300 ℃，500 ℃后，表面基本都呈深磚紅色，表面裂縫錯綜分布，同樣二次受火溫度越高，裂縫越多、越寬。

3.2 立方體受壓破壞形態(tài)

進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗時，讓其受壓面垂直于成型抹平面，受壓初期，混凝土試塊無明顯變化，隨著荷載逐漸增大，在非受壓面開始出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，且裂縫逐漸變寬、增多，最后主裂縫呈弧形上下貫通，如圖3所示。

對于一次受火的試件，混凝土基本都成片塊狀剝落，且隨溫度升高，破壞時的剝落程度加大，棱角破壞的越嚴(yán)重。對于二次受火的試件，一次受火100 ℃，再經(jīng)100 ℃后，破壞形態(tài)基本同CT1，再經(jīng)300 ℃，500 ℃后，試件開始變得松酥，混凝土也呈塊狀剝落，且溫度越高剝落越嚴(yán)重；一次受火300 ℃，再分別經(jīng)100 ℃，300 ℃，500 ℃后，隨二次受火溫度升高，混凝土越來越松酥，試件破壞時剝落程度也越來越大，且剝落的混凝土骨料與砂漿基本分離；一次受火500 ℃，再分別經(jīng)100 ℃，300 ℃，500 ℃后，混凝土非常松酥，破壞時骨料和砂漿基本完全分離，幾乎見不到塊狀的混凝土剝落。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 質(zhì)量損失率變化規(guī)律研究

記一次受火前試件平均質(zhì)量為m0，一次受火后試件平均質(zhì)量為m1，二次受火后試件平均質(zhì)量為m2，則質(zhì)量損失率計算方法如下：

(1)

(2)

計算得質(zhì)量損失率變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可以看出，一次受火質(zhì)量損失率隨溫度升高呈上升趨勢，且300 ℃和500 ℃的質(zhì)量損失率較100 ℃增長較多，這主要因為100 ℃時只有自由水的散失，300 ℃和500 ℃時除了自由水散失，結(jié)合水也會因為高溫而逸出，部分水化產(chǎn)物分解，從而質(zhì)量損失更嚴(yán)重。當(dāng)二次受火100 ℃后，不論一次受火100 ℃，300 ℃還是500 ℃，混凝土質(zhì)量損失率均為超過0.4%，當(dāng)二次受火溫度為300 ℃和500 ℃時，混凝土質(zhì)量損失率隨一次受火溫度升高而降低，這主要是因為一次受火溫度越高，自由水和結(jié)合水散失的都越嚴(yán)重，再次經(jīng)歷高溫后已基本無水分可散失，但兩種溫度下，當(dāng)一次受火100 ℃時，其質(zhì)量損失率較高，分別是未經(jīng)歷二次高溫的19.5倍和24.8倍，主要是因為一次受火100 ℃時只有少部分自由水的蒸發(fā)，而二次受火300 ℃和500 ℃時，大量自由水和結(jié)合水蒸發(fā)的同時水化產(chǎn)物也會發(fā)生分解，分解產(chǎn)生的水蒸發(fā)散失，所以二次高溫后質(zhì)量損失嚴(yán)重。

4.2 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律研究

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d且未受火的試件立方體抗壓強(qiáng)度fcu為32.12 MPa，建立二次高溫后混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與常溫混凝土抗壓強(qiáng)度fcu比值的變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5可以看出，隨二次受火溫度的升高，混凝土殘余強(qiáng)度都逐漸遞減，但遞減規(guī)律不盡相同。其中一次受火100 ℃和300 ℃后，在二次受火溫度20 ℃(常溫)～300 ℃之間時，衰減幅度較大，在300 ℃～500 ℃之間時，強(qiáng)度衰減趨于平緩；當(dāng)一次受火500 ℃后，在二次受火時，強(qiáng)度衰減非常平緩，其強(qiáng)度差值小于16.3%。這主要是因為一次受火溫度較低時，混凝土內(nèi)部因水分散失產(chǎn)生的孔隙及裂縫較少，同時水化產(chǎn)物也能基本保證不會分解，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對損傷較輕，這時遭受二次高溫，特別是二次溫度超過300 ℃，相對完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會受到更嚴(yán)重的損傷，所以強(qiáng)度下降較多；但一次受火500 ℃后，500 ℃下的混凝土內(nèi)部損傷已基本完成，因此再經(jīng)歷小于500 ℃的高溫時，強(qiáng)度衰減幅度較小。

對于相同兩個受火溫度，但受火歷程不同，試件CT3T1是CT1T3強(qiáng)度的1.2倍，試件CT5T1是CT1T5強(qiáng)度的1.1倍，試件CT5T3是CT3T5強(qiáng)度的1.1倍。從以上結(jié)果可以看出，相同兩個受火溫度，一次受火相對二次受火溫度較低者，混凝土強(qiáng)度較低，也就說明若二次受火溫度高于一次，則二次受火溫度對混凝土內(nèi)部損傷起主導(dǎo)作用，混凝土強(qiáng)度損失的更嚴(yán)重。

5 二次受火后混凝土殘余抗壓強(qiáng)度計算方法

本文結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者一次高溫后混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的計算方法[13-14]及二次受火試驗結(jié)果，提出二次受火后雙摻混凝土抗壓強(qiáng)度與受火溫度的關(guān)系如下：

(3)

本文提出的二次受火后相對抗壓強(qiáng)度擬合公式計算的結(jié)果及試驗結(jié)果對比情況如表2所示。

表2 相對抗壓強(qiáng)度試驗值與模擬值對比

繪制了試驗值和擬合值的相對抗壓強(qiáng)度對比情況如圖6所示，圖6中實線表示試驗值，虛線表示擬合值。

從表2和圖6 可以看出，對于僅一次受火，擬合結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近，差值僅在1.4%以內(nèi)，說明該公式可以很好的用于一次受火后混凝土強(qiáng)度的計算；對于一次受火100 ℃和300 ℃的試件，擬合結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近，差值在4.9%～8.0%之間，相對較理想；對于一次受火500 ℃的試件，擬合結(jié)果與試驗結(jié)果雖差別有點大，但差值未超過12.5%；所有試件擬合值均小于試驗值，這對混凝土二次受火后修復(fù)評估來說是偏安全的，因此本文提出的雙摻混凝土二次受火后強(qiáng)度預(yù)測公式具有一定的適用性。

6 結(jié)語

1)二次受火低于100 ℃時，無論一次受火100 ℃，300 ℃還是500 ℃，混凝土二次受火基本無質(zhì)量損失，損失率降低幅度在0.4%以內(nèi)；當(dāng)二次受火300 ℃和500 ℃，二次受火質(zhì)量損失率降低幅度相對較大，均超過84.5%。

2)隨二次受火溫度的升高，混凝土殘余強(qiáng)度都呈遞減的趨勢。當(dāng)一次受火溫度較低，在二次受火溫度小于300 ℃時，衰減幅度較大，超過300 ℃時，強(qiáng)度衰減趨于平緩；特別是一次受火500 ℃后，在二次受火時，強(qiáng)度衰減值小于16.3%。

3)本文提出的二次高溫后混凝土強(qiáng)度計算公式其計算結(jié)果與試驗結(jié)果相差較小，公式計算簡單，安全可靠，可為二次高溫后混凝土的評估修復(fù)工作提供依據(jù)。