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        水利工程高性能混凝土高溫劣化試驗研究

        2022-10-31 06:14:46
        廣西水利水電 2022年5期
        關鍵詞:劣化高性能峰值

        周 歡

        (廣西水利電力職業(yè)技術學院,南寧 530023)

        0 前言

        高性能混凝土(High Performance Concrete,簡稱“HPC”)因具有強度高、耐久性好等優(yōu)點在建筑行業(yè)得到了廣泛的應用,但是,其脆性易爆裂、耐火性差等缺點也一直是阻礙其發(fā)展的重要原因。近年來,HPC 不僅大量應用于大跨度橋梁、隧道和高層建筑工程,在水庫大壩工程中也得到了廣泛的應用[1,2]。水庫大壩在施工過程和竣工后使用過程均有發(fā)生火災的可能,火災發(fā)生時形成的高溫環(huán)境對混凝土力學性能與耐久性能存在很大的劣化作用[3]。相比于普通混凝土,在火災發(fā)生的高溫環(huán)境下,HPC更容易發(fā)生剝落甚至爆炸現(xiàn)象,給災后救援工作造成很大的不便。與普通混凝相比,HPC則更加密實,其內部自由水的散發(fā)與排除也更加困難,這也是其在高溫環(huán)境易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的主要原因。有研究表明[4],在高溫環(huán)境條件下,HPC內部將會與外界形成的蒸汽壓力差,這將會導致混凝土內部產(chǎn)生一定程度的拉伸應力,其應力值可達5 MPa 甚至更大,該應力將會導致HPC 發(fā)生爆炸性剝蝕和脫落。因此,HPC的耐高溫性能是一個值得重視的問題。

        目前,針對高溫后混凝土性能變化問題國內外學者已有了大量的研究,并取得了一些具有重要意義的成果,但有關高性能混凝土(尤其是可廣泛應用于水庫大壩工程中的C60、C70 高性能混凝土[3])耐高溫性能的相關研究仍需進一步完善。鑒于此,本文以C60 混凝土為研究對象,對其進行不同溫度和不同冷卻方式(4種不同溫度和2種冷卻方式)的處理后,測試其強度(包括抗壓、劈裂抗拉強度),并采用核磁共振技術測試其微觀孔結構性能。研究結論對高性能混凝土在大跨度橋梁、高層建筑和大壩工程中的應用具有一定的指導和參考意義。

        1 試驗

        1.1 原材料

        水泥:P·Ⅱ52.5 級硅酸鹽水泥,其主要性能見表1;粉煤灰:F 類Ⅱ級,45 μm 方孔篩篩余率為28.3%,需水量比為95.0%,燒失量為5.65%;礦粉:S95級,比表面積為435 m2/kg,流動度比為98%,活性指數(shù)(28 d)為97%;采用細度模數(shù)為2.8 的普通河砂,5~20 mm 連續(xù)級配碎石;減水劑采用減水率為28%的高性能減水劑;水為實驗室普通自來水。

        表1 水泥物理力學性能

        1.2 試驗方法

        (1)高溫與冷卻。制作試件的邊長為150 mm×150 mm×150 mm,將其在標準條件下養(yǎng)護至28 d。待試件達到養(yǎng)護齡期對其進行干燥處理(將其置于溫度為105℃±5 ℃環(huán)境中烘干48 h)。將烘干后的試件置于高溫爐中進行高溫試驗,待高溫爐達到相應的設計溫度后恒溫2 h,取出試件,采用不同的冷卻方式對試件進行冷卻處理。高溫試驗溫度設計為常溫對照組(20℃基)、高溫200℃、高溫400℃和高溫600℃4種,采用自然冷卻(NC)和浸水冷卻(WC)兩種冷卻方式對高溫后試件進行冷卻處理。

        (2)力學性能測試。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)測試高溫冷卻后的各試驗組混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度值。

        (3)微觀孔結構試驗。采用棱長為70.7 mm 的立方體試件,與強度試件在相同條件下養(yǎng)護、處理,高溫完成后對其進行真空飽水,采用多功能核磁共振微結構分析與成像系統(tǒng)(Macro-MR12-150H-I)測試其T2譜分布。

        1.3 配合比

        以水庫大壩工程中常用的C60高性能混凝土為研究對象,配合比見表2。

        表2 C60高性能混凝土配合比kg

        2 結果與分析

        2.1 劈裂抗拉強度

        高溫冷卻后的混凝土劈裂抗拉強度值見圖1。由圖1 可知,與基準組混凝土相比,自然冷卻條件下,經(jīng)歷200℃、400℃和600℃高溫的混凝土劈裂抗拉強度分別降低4.8%、12.0%和19.0%;浸水冷卻條件下混凝土劈裂抗拉強度分別降低4.8%、17.5%和27.0%。浸水冷卻比自然冷卻后強度分別低0%、5.5%和9.8%。200℃高溫冷卻后,劈裂抗拉強度降低幅度較小,且其在自然冷卻和浸水冷卻條件下的差別不大;當溫度大于等于400℃后,劈裂抗拉強度降低幅度明顯增大,且其在浸水冷卻后的降低幅度明顯大于自然冷卻。隨試驗溫度的升高劈裂抗拉強度呈現(xiàn)明顯降低趨勢。

        圖1 混凝土劈裂抗拉強度值

        2.2 抗壓強度

        高溫冷卻后各試驗組混凝土抗壓強度值見圖2。由圖2 可知,與基準組混凝土相比,自然冷卻條件下,經(jīng)歷200℃、400℃和600℃高溫的混凝土抗壓強度分別降低3.4%、10.4%和24.9%;浸水冷卻條件下混凝土抗壓強度分別降低5.7%、17.2%和31.0%。浸水冷卻比自然冷卻后強度分別低2.3%、7.3%和7.5%。結合圖1~2 可以看出,高溫后混凝土的劈裂抗拉強度、抗壓強度變化規(guī)律相似,均隨試驗溫度的升高而降低,當溫度大于200℃后其變化趨勢更為明顯。

        圖2 混凝土抗壓強度值

        總體來看,高溫試驗后的混凝土試塊的強度在相同恒溫時長的條件下,隨最高恒溫溫度的升高逐漸減小,且高溫后浸水冷卻比自然冷卻對混凝土強度的劣化作用更加明顯。分析認為,當溫度小于200℃時,溫度作用對混凝土微觀結構形貌的影響不明顯[5],甚至有學者指出100℃左右有利于水化反應的進行[6],所以當溫度在200℃時,混凝土抗壓強度下降速度稍慢;當溫度大于200℃后,環(huán)境溫度較高會導致自由水蒸發(fā),混凝土內部自由水的蒸發(fā)導致其密實度不斷降低,孔隙率增大。當溫度大于400℃后,水化硅酸鈣凝膠中結晶水將出現(xiàn)脫水現(xiàn)象,導致其蒸發(fā)水量明顯增大,混凝土孔隙率進一步增大;另一方面,水化產(chǎn)物也因脫水而破壞分解,水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹明顯加劇,水化產(chǎn)物與骨料間的界面被破壞而黏結強度降低,導致混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度出現(xiàn)明顯降低。此外,試驗發(fā)現(xiàn)高溫后浸水冷卻比自然冷卻對混凝土強度的劣化作用更加明顯,這與孔艷慧[7]研究結論相同,即混凝土高溫后浸水冷卻會導致內部微裂紋數(shù)量和體積的增加,其性能的劣化將比常溫冷卻更為明顯。此外,水冷劣化作用隨溫度越高則越明顯,這也與本文的試驗結果相符。

        2.3 微觀孔結構

        2.3.1 核磁共振原理

        NMR 技術將自由水水珠的直徑與弛豫時間相聯(lián)系起來,可以憑借弛豫時間的分布判斷水珠直徑分布規(guī)律,在試驗之前需要對混凝土試件進行真空飽水處理,以達到盡量讓混凝土內部孔隙能充滿自由水的目的。混凝土中孔隙水的橫向弛豫時間t2可以表示為[8]:

        1/t2≈ρ2S/V(1)

        式中:ρ2為表面弛豫強度;S為孔隙表面積;V為孔隙體積。

        2.3.2 結果及分析

        在自然冷卻條件下,經(jīng)歷不同試驗溫度后的混凝土T2譜特征參數(shù)分別見圖3、表3。

        圖3 T2譜分布

        由圖3 和表3 可以看出,與常溫下的混凝土相比,經(jīng)歷200℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大1.7%,與常溫下的混凝土差異并不顯著。經(jīng)歷400℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大152.5%,第一峰值峰面積增大122.3%,第二峰值峰面積增大309.6%。經(jīng)歷600℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大224.1%,第一峰值峰面積增大190.7%,第二峰值峰面積增大354.3%。分析認為,當溫度小于200℃時,溫度作用對混凝土微觀結構形貌的影響并不顯著[7],所以經(jīng)歷200℃高溫冷卻后的混凝土微孔結構的變化不太明顯。當溫度介于200℃~400℃之間時,混凝土脫水為物理脫水,其蒸發(fā)水為混凝土孔隙中的自由水,隨著自由水的逐漸蒸發(fā),高溫作用對混凝土孔隙結構的劣化作用已較為明顯,主要表現(xiàn)為混凝土T2譜各峰值面積與總峰面積的增大,進而導致其強度降低。當試驗溫度大于400℃后,水化硅酸鈣凝膠中結晶水開始出現(xiàn)脫水現(xiàn)象,蒸發(fā)水量明顯增大,混凝土孔隙結構明顯劣化,T2譜各峰值面積與總峰面積明顯增加;此外,溫度較高時(大于400℃后)水化產(chǎn)物因脫水而破壞分解,導致水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹明顯加劇,二者之間的界面被破壞,混凝土力學性能出現(xiàn)大幅度下降,這與上述的力學性能測試結果相符??傮w來看,與常溫下的混凝土相比,經(jīng)歷高溫后的混凝土T2譜存在明顯的第三峰,隨試驗溫度的增加混凝土T2譜各峰值峰面積與總峰面積呈現(xiàn)增大趨勢,即隨試驗溫度的增加混凝土孔隙結構明顯劣化,混凝土強度隨溫度的升高而降低,當溫度超過400℃后其劣化作用更加明顯。

        表3 T2譜特征峰面積

        3 結論

        (1)隨著試驗溫度的升高,混凝土強度值呈現(xiàn)明顯的降低趨勢,浸水冷卻后的降低幅度明顯大于自然冷卻。

        (2)與常溫下的混凝土相比,經(jīng)歷高溫后的混凝土T2譜存在明顯的第三峰,隨試驗溫度的增加,混凝土T2譜各峰值峰面積與總峰面積呈現(xiàn)增大趨勢,隨試驗溫度的增加混凝土孔隙結構明顯劣化,當溫度超過400℃后其劣化作用更加明顯。

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