關(guān) 偉

(湖南致力工程科技有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410208)

0 引言

混凝土廣泛應(yīng)用于工程建筑中?；馂?zāi)作為建筑物潛在的重大災(zāi)害之一，其高溫對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)造成較為嚴(yán)重的破壞，使混凝土強(qiáng)度受到較大影響，嚴(yán)重影響其正常使用[1-2]。隨著火災(zāi)的發(fā)展，燃燒溫度升高，混凝土材料內(nèi)部損傷不斷加大，損傷由內(nèi)部擴(kuò)展到外表面，最終導(dǎo)致顯著的結(jié)構(gòu)破壞[3]。因此，研究高溫對(duì)混凝土的損傷情況非常重要。

李衛(wèi)文等[4]研究高溫后混凝土的力學(xué)性能和超聲變化，并且發(fā)現(xiàn)聲波的波速隨著溫度升高而降低。王懷亮等[5]對(duì)輕骨料混凝土高溫后受壓的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)溫度提高，普通骨料混凝土和高性能輕骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均趨于扁平。

本研究分別對(duì)25、200、400、600 ℃等4個(gè)溫度下的普通混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和聲波試驗(yàn)，研究高溫對(duì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、混凝土聲波的影響以及混凝土的不同損傷程度。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)水泥采用白色硅酸鹽水泥；砂石采用中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；拌和水為城市自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配合比

砂、水泥、水的質(zhì)量比為2∶1∶0.45。

1.3 試驗(yàn)要求

試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)要求進(jìn)行，單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用50 mm×100 mm試件，混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，移出養(yǎng)護(hù)室用打磨機(jī)打磨備用。

1.4 試驗(yàn)儀器

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用DSZ-1000應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀；測(cè)聲波的儀器為聲波儀；加熱設(shè)備為馬弗爐。

1.5 試驗(yàn)步驟

將加熱設(shè)備溫度分別設(shè)定為25、200、400、600 ℃，對(duì)25℃組試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，其它3組試件待爐內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度并保持1h后取出，冷卻至室溫后進(jìn)行聲波試驗(yàn)，然后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)混凝土的表觀影響

不同溫度下混凝土表觀狀態(tài)見圖1?；炷猎嚰跏紶顟B(tài)較為密實(shí)，裂隙不發(fā)育，隨著加熱溫度升高，裂隙逐漸形成，結(jié)構(gòu)損傷愈發(fā)明顯[6]。高溫后混凝土質(zhì)量燒失率均隨著溫度升高而增大。溫度不超過(guò)200 ℃時(shí)，混凝土質(zhì)量燒失率變化相差不大[7]。溫度升至400 ℃時(shí)，混凝土的外觀上看不出明顯的裂隙與裂縫，混凝土部分區(qū)域顏色開始變黑。溫度升至600 ℃時(shí)，混凝土已經(jīng)嚴(yán)重受損，混凝土外觀明顯變黑，并出現(xiàn)較大的貫通裂隙，從頂部貫穿至底部，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度。當(dāng)混凝土溫度為400～600 ℃時(shí)，混凝土損傷發(fā)展最快，其原因是其所使用的白色硅酸鹽水泥主要成分為硅酸鈣，而水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體在高溫作用下會(huì)發(fā)生脫水分解反應(yīng)，其反應(yīng)速率與溫度、化學(xué)反應(yīng)活化能等因素有關(guān)。有研究者認(rèn)為水化硅酸鈣凝膠的脫水主要發(fā)生在100 ℃之后，而氫氧化鈣晶體的脫水主要發(fā)生在400 ℃之后，這可以解釋當(dāng)溫度升至600 ℃時(shí)產(chǎn)生了較大的貫通裂隙。氫氧化鈣是水泥漿體中最重要的化合物之一，在530 ℃左右分解，導(dǎo)致混凝土收縮[8]。

(a) 25 ℃

(b) 200 ℃

(c) 400 ℃

(d) 600 ℃

2.2 溫度對(duì)混凝土聲速的影響

巖樣的軸向橫波測(cè)試或徑向縱波測(cè)試是指示巖樣裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的有效指標(biāo)之一，聲波速度的下降率可以用來(lái)標(biāo)定巖樣的不同損傷程度[9]。聲波波束同樣適用于描述混凝土的損失狀態(tài)。在試驗(yàn)中，使用聲波儀檢測(cè)混凝土試件縱波(見圖2)，聲速值取多個(gè)混凝土測(cè)試的平均值，由圖2可知，溫度為25～200 ℃時(shí)，混凝土的聲速變化相對(duì)較慢，說(shuō)明溫度升至200 ℃前，混凝土的內(nèi)部變化較小。而升溫至400 ℃時(shí)，相對(duì)前一個(gè)階段，混凝土變化逐漸增大，說(shuō)明混凝土經(jīng)過(guò)400 ℃加溫后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化較為明顯。升溫至600 ℃后，混凝土表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯裂紋，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到較為嚴(yán)重的破壞。

圖2 溫度對(duì)混凝土聲速的影響

2.3 溫度對(duì)混凝土應(yīng)力應(yīng)變的影響

不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。一般情況下，混凝土試件的單軸壓縮過(guò)程主要分為壓密、彈性變形、裂紋產(chǎn)生和峰后變形階段。從圖3來(lái)看，隨著溫度增加，混凝土的峰值強(qiáng)度逐漸降低，在常溫狀態(tài)、200 ℃和400 ℃之間的峰值強(qiáng)度變化較小。當(dāng)溫度升至600 ℃時(shí)，混凝土材料的峰值強(qiáng)度大幅度下降，且隨著試驗(yàn)溫度升高，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于扁平[10]。有學(xué)者研究指出，其原因是溫度為300 ℃時(shí)，受熱使得混凝土膠凝水分蒸發(fā)，組織結(jié)構(gòu)變得更加致密，試驗(yàn)溫度升至400 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)組織開始有所變化，Ca(OH)2開始有少量分解，所以400 ℃時(shí)，混凝土的峰值強(qiáng)度也隨之降低[8]。溫度為600 ℃時(shí)，混凝土內(nèi)應(yīng)力增大，內(nèi)部裂隙擴(kuò)散至表面，已失去90%以上強(qiáng)度。隨著試驗(yàn)溫度升高，應(yīng)力-應(yīng)變圖變得扁平，試件發(fā)生塑性破壞。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 溫度對(duì)混凝土峰值強(qiáng)度的影響

溫度對(duì)混凝土峰值強(qiáng)度的影響見圖4。由圖4可以看出，混凝土峰值強(qiáng)度受溫度變化的影響較大，溫度升至200 ℃和400 ℃時(shí)，混凝土的峰值強(qiáng)度呈線性降低。結(jié)合前文可知溫度升至600 ℃時(shí)，混凝土已基本失去了強(qiáng)度，因此溫度升至600 ℃對(duì)混凝土的影響較為嚴(yán)重，混凝土表面已出現(xiàn)較為明顯的裂縫，特別是混凝土的端部。

圖4 溫度對(duì)混凝土峰值強(qiáng)度的影響

2.5 破壞模式分析

單軸試驗(yàn)后的混凝土試樣見圖5。經(jīng)過(guò)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比，可知混凝土的破壞模式屬于塑性破壞。試驗(yàn)溫度為25 ℃與200 ℃下的混凝土試樣，混凝土破壞后，開始出現(xiàn)許多微裂隙和貫通裂隙。經(jīng)過(guò)400 ℃高溫加熱過(guò)后的混凝土，外表呈現(xiàn)少量灼燒痕跡。經(jīng)過(guò)600 ℃高溫加熱混凝土表面明顯變黑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷并擴(kuò)展到表面，產(chǎn)生明顯裂隙。

(a) 25 ℃

(b) 200 ℃

(c) 400 ℃

(d) 600 ℃

3 結(jié)論

1) 從峰值強(qiáng)度來(lái)看，隨著溫度升高，混凝土強(qiáng)度逐漸降低，特別是經(jīng)過(guò)600 ℃高溫后，混凝土的強(qiáng)度變化最為明顯。

2) 聲波試驗(yàn)表明，隨著溫度升高，混凝土的波速隨之降低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)高溫后的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

3) 單軸壓縮試驗(yàn)表明，混凝土高溫后的破壞模式屬于塑性破壞。