高溫作用后混凝土損傷與耐久性能評價

王海龍，俞秋佳，孫曉燕，陳柯星

(浙江大學建筑工程學院，浙江杭州310058)

高溫是造成混凝土材料損傷的重要因素之一.高溫作用不僅引起混凝土強度損失和剛度降低，而且使混凝土的耐久性能降低.實際工程中，對混凝土結構形成高溫作用的情況有以下兩類:一類是混凝土長期遭受溫度相對較低的高溫作用，例如，冶金和化工企業(yè)中的高溫車間，在高溫輻射作用下，結構表面可以達到200℃左右高溫;另一類是混凝土突然遭受火災等高溫災害，導致其表面溫度短時間內(nèi)迅速升高.雖然混凝土結構耐火性能優(yōu)于木結構和鋼結構，但較長時間暴露于火災等高溫環(huán)境中時，其損傷不可忽略.而且高溫作用下混凝土的組成成分會發(fā)生顯著的變化，進而改變其密實度和孔隙率，宏觀上不僅引起混凝土的強度和剛度的降低，還會造成其耐久性能損失.多數(shù)學者研究［1-4］認為:200℃左右時，混凝土抗壓強度比常溫下有所上升;400℃左右時，抗壓強度開始衰減;400～800℃為強度損失的主要溫度段，其中400～600℃為強度降低最快溫度段.對于耐久性能的損失，當前研究［5-7］一致認為，混凝土孔隙率與滲透率隨溫度升高而增大.但現(xiàn)有成果還缺乏完整的高溫下混凝土耐久性損傷規(guī)律的研究，也沒有統(tǒng)一的耐久性評價指標.

對于高溫引起的混凝土結構問題的處理，絕大部分加固措施只考慮強度要求，而忽略耐久性的要求，這無法保證處理后結構性能的長期穩(wěn)定.因此，本研究設定5個溫度值，通過測定高溫作用下混凝土剩余強度和氯離子遷移系數(shù)，研究高溫引起的混凝土強度損失和耐久性損傷規(guī)律，探索利用超聲這一無損檢測方法來評價高溫作用后混凝土的損傷，并創(chuàng)新性建立超聲指標變化與災后混凝土耐久性能的對應關系，以期為火災現(xiàn)場混凝土的無損檢測、快捷評定提供可靠依據(jù).

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用三獅牌P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥;細集料采用天然河砂(中砂);粗集料采用5～20 mm連續(xù)級配的碎石;水采用普通自來水.

1.2 試件配合比

試驗選用設計強度為C30的普通強度混凝土，混凝土各組分質(zhì)量比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(粗骨料)=1.00 ∶0.49 ∶1.36 ∶2.70.成型規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件與Φ100 mm×160 mm的圓柱體試件，養(yǎng)護至28 d后進行試驗，28 d的立方體抗壓強度實測值為36.2 MPa.

1.3 試驗方法

試件澆筑24 h后拆模，澆水養(yǎng)護28 d，將每個圓柱體切割為3個直徑為100 mm、高50 mm試件，之后將其置于通風干燥處7 d，置于烘箱中，105℃干燥24 h，防止試件在高溫試驗中爆裂.

高溫試驗采用符合GB/T 9978—1999《建筑構件耐火試驗方法》規(guī)定的電阻爐，最高可升溫至1 300℃.試驗設置5個溫度等級為200，400，500，600，800℃.試驗時發(fā)現(xiàn)當溫度達到500℃時，混凝土試件較易發(fā)生爆裂，因此當溫度不大于400℃時升溫速率為5.0℃·min-1，當溫度高于400℃時，升溫速率為2.5℃·min-1.升溫至設定溫度后，恒溫1 h，然后停止加熱，自然冷卻至室溫.

高溫作用后的立方體試件每組3個，根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定，采用對測法，測定超聲波在立方體中的傳播速度.超聲設備采用周期 0.4 μs，發(fā)射脈寬 0.04 ms.每個試件以 5 點測值的算術平均值作為試件混凝土中超聲傳播時間tu的測量結果，以不大于1 mm的誤差，沿超聲傳播方向測量試件各邊長，取平均值作為傳播距離L.計算波速，并取3個試件測值的平均值作為數(shù)據(jù)，然后測定試件的抗壓強度.

高溫作用后的圓柱體試件每組3個，根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》規(guī)定，采用RCM法，測定混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)DRCM，以3個試樣的測值平均值作為氯離子遷移系數(shù)測定值.

2 結果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

加熱過程中，爐口始終有水汽出現(xiàn)，400℃左右時，水汽最多，混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)達到最盛.當達到800℃時，1個試件爆裂，有別于文獻［1］中指出的高溫下混凝土頻繁爆裂現(xiàn)象，可見較小尺寸和干燥處理可以有效地防止試件爆裂.高溫作用后的試件顏色有明顯變化:400℃前，試件顏色幾乎沒有變化;400～600℃，顏色逐漸變紅，呈暗粉紅色;達到800℃時，試件呈現(xiàn)白色.達到600℃左右時，試件表面出現(xiàn)肉眼可見的裂紋，并隨溫度升高數(shù)量增多.

2.2 高溫作用后物理力學性能

高溫作用后混凝土抗壓強度、氯離子遷移系數(shù)和超聲波傳播速度如表1所示.

由表1知:相對較低高溫(200℃左右)作用下，隨著溫度升高，混凝土強度略有上升;400℃時，試件強度相比常溫下才有所下降;400～800℃時，混凝土強度隨溫度升高而迅速下降;800℃時，混凝土強度為15.6 MPa，較常溫下降低56.9%，但仍有一定的承載能力.隨著溫度的升高，混凝土中氯離子(Cl-)的遷移系數(shù)呈上升趨勢，達到800℃時，Cl-基本貫穿直徑為100 mm，高50 mm試件，滲透深度達到了試件的厚度50 mm，說明此時混凝土的抗Cl-滲透能力基本上完全喪失.隨著溫度升高，混凝土損傷加重，聲波在混凝土中傳播速度降低，并近似呈線性變化.主要是因為超聲波在混凝土中傳播速度不僅與孔隙率有關，也與混凝土含水率有關;200℃時，混凝土內(nèi)部水分大量蒸發(fā)，內(nèi)部孔洞明晰，因此聲速損失較大，而混凝土強度因為混凝土內(nèi)含水率的下降和水泥的進一步水化而略有增加.

表1 高溫作用后混凝土的強度、氯離子遷移系數(shù)及超聲波速

2.3 高溫作用后混凝土的損傷評價

混凝土中聲波的傳播速度與混凝土密實度緊密相關，混凝土中微裂紋越多，超聲波在其中傳播受到的阻礙越多，聲速越小.因此，可以根據(jù)聲速變化來表征混凝土損傷程度.不同溫度作用后混凝土中超聲波的傳播速度如表1所示.根據(jù)文獻［8］，當聲速高于4 m·s-1時混凝土的損傷程度較低，當聲速低于3 m·s-1時混凝土的損傷程度很高，當聲速介于3～4 m·s-1時混凝土損傷程度中等.由表1知:隨著溫度升高，聲速降低，低于200℃時，混凝土損傷程度較低;高于500℃時，混凝土損傷程度較高.

2.4 混凝土強度變化機理與剩余強度評價

2.4.1 高溫作用后混凝土的相對剩余強度

高溫作用后，混凝土的相對剩余強度f/f0(高溫作用后混凝土抗壓強度f與常溫下混凝土抗壓強度f0的比)變化規(guī)律如圖1所示(橫坐標t為溫度).由圖1可知:200℃時，相對剩余強度略大于100%，其余溫度點混凝土的相對剩余強度均小于100%，即當環(huán)境溫度大于400℃時混凝土中產(chǎn)生損傷，在800℃時，混凝土的相對剩余強度為43.1%，仍具有一定的承載能力，剩余強度變化趨勢與文獻［1］的研究結果一致.

根據(jù)圖1，對于非火災引起的高溫環(huán)境，如冶金和化工企業(yè)中的高溫車間或者煙囪，混凝土強度幾乎不會降低或者降低很少，甚至可能有所提高.而對于處于火災等高溫下的混凝土，根據(jù)ISO 0834標準火災升溫曲線公式為

式中:te為暴露時間，min;tg0為初始溫度，℃;若假設初始溫度為20℃，則短短幾分鐘內(nèi)混凝土表面受火溫度就可以達到500℃以上.由圖1可知，即使短時間內(nèi)火被撲滅，高溫損傷引起的強度損失不可忽視.

圖1 高溫下混凝土的相對剩余強度

2.4.2 強度損失機理

混凝土的受火溫度低于200℃左右時，毛細孔和凝膠孔中的自由水不斷蒸發(fā)，雖然內(nèi)部孔洞逐漸清晰明顯，但是對混凝土的強度并沒有產(chǎn)生太多不利影響;而且，相對較低的高溫有利于水泥的水化［9］，水泥水化的主要產(chǎn)物為 C—S—H 凝膠和Ca(OH)2晶體，這兩大產(chǎn)物支撐了混凝土中水泥石的強度，從而使混凝土的強度得到一定的增長.隨著溫度繼續(xù)升高，C—S—H凝膠在300℃左右開始分解，并脫去部分化合水和結晶水;400～500℃時大量分解，致使結構松散，并且溫度急劇升高所致的溫度應力與蒸汽壓力也使混凝土中的微裂紋不斷生長，因此混凝土強度迅速下降［10］.此外，Ca(OH)2晶體在400℃左右少量分解，碳化，500℃左右大量分解.因此，達到500℃以上時，混凝土強度繼續(xù)下降.升溫至800℃時，C—S—H凝膠和Ca(OH)2晶體幾乎完全分解，此時主要依靠粗骨料以及碳化作用形成的CaCO3支撐起混凝土強度.

2.4.3 強度損失與超聲波速關系

超聲波在混凝土中傳播速度主要取決于混凝土的密實度，因此其與混凝土的強度有一定相關性.考慮消除試驗批次、強度等級和材料性質(zhì)等差異，本研究采用不同溫度下混凝土變量(強度、遷移系數(shù)和聲速)與常溫的相對比值作為研究變量.圖2為混凝土相對剩余強度f/f0與相對聲速v/v0之間的關系曲線.由圖2知:可以通過超聲波測試，利用下式評價高溫作用后混凝土的剩余強度:

式中:v為超聲波在高溫受損混凝土中的傳播速度;v0為超聲波在未受損混凝土中傳播速度;f為受損混凝土強度;f0為未受損混凝土強度.

圖2 相對剩余強度與相對聲速的關系

2.5 高溫作用后混凝土的耐久性損傷

2.5.1 氯離子滲透系數(shù)

高溫作用后的混凝土中相對Cl-遷移系數(shù)D/D0與溫度t的相互關系如圖3所示.由圖3可知:高溫作用后，混凝土中氯離子滲透能力隨溫度升高而升高，且當溫度達到800℃時急劇上升，此時混凝土的抗?jié)B性能基本喪失.

圖3 高溫下混凝土的相對Cl-遷移系數(shù)

2.5.2 耐久性損失機理

高溫作用下混凝土的力學損傷和化學損傷是造成其耐久性損失的主要因素.力學損傷是由溫度應力與蒸汽壓力作用引起的混凝土材料結構發(fā)生退化:高溫作用下，混凝土試件由外到內(nèi)溫度的升高存在梯度，伴隨溫度梯度而產(chǎn)生的熱應力使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，增大混凝土的孔隙率，降低其抗氯離子滲透性能，且該應力隨升溫速率的增大而增大，嚴重時可能引起混凝土的爆裂;另一方面，隨著溫度升高，混凝土內(nèi)部的自由水和部分脫離晶體的結晶水形成蒸汽向外逸出，若蒸汽為致密的硬化水泥漿所包圍，就會形成蒸汽壓，在其他損傷共同作用下，小范圍內(nèi)蒸汽壓力使混凝土結構疏松，大范圍內(nèi)蒸汽壓力可能會引起混凝土的爆裂.當環(huán)境溫度在200℃左右時，雖然混凝土進一步水化造成混凝土強度升高，但是應力作用帶來力學損傷成為混凝土耐久性退化的主要原因.化學損傷是由混凝土材料高溫分解而引起.如2.1中所述，溫度達到300℃以上時，構成水泥石的主要物質(zhì) C—S—H凝膠和Ca(OH)2晶體相繼脫水分解，原本被晶體填充的部分變成孔隙，孔隙率迅速增大，致使結構松散，混凝土耐久性能不斷降低.

2.5.3 高溫損傷與混凝土超聲波速的關系

圖4為高溫下混凝土相對Cl-遷移系數(shù)D/D0與相對聲速v/v0之間的關系.

圖4 相對Cl-遷移系數(shù)與相對聲速的關系

由圖4知:隨溫度升高，相對聲速下降較為緩慢，近似呈線性變化，而氯離子滲透系數(shù)隨溫度升高而急劇上升，因此，可用如下公式反映氯離子滲透性與聲波變化之間的規(guī)律:

式中:D為受損混凝土Cl-遷移系數(shù);D0為未受損混凝土Cl-遷移系數(shù).由圖4知:公式結果與試驗結果間有很強的相關性，因此實際工程中可利用聲波測試結果反映火災后混凝土的耐久性能變化規(guī)律.

比較圖2和圖4可發(fā)現(xiàn):混凝土強度變化規(guī)律與耐久性及聲波傳播速度的變化規(guī)律略有不同，200℃時混凝土強度略有提升，然后隨溫度升高而迅速下降，但是混凝土耐久性損失與聲速損失隨溫度升高而不斷增大.因此，高溫作用后混凝土性能評價和修復處理不能單純地以強度作為衡量指標，要綜合考慮高溫作用后混凝土耐久性能.

3 結論

1)受高溫作用的混凝土，在常溫至400℃間，混凝土抗壓強度無明顯降低，200℃時強度有一定程度升高;在400～800℃間，強度隨溫度升高迅速降低.

2)受高溫作用的混凝土，隨溫度升高，其耐久性能持續(xù)降低，降速隨溫度升高而加快.800℃時，雖然混凝土仍具有一定的剩余強度但是耐久性已完全喪失.

3)高溫作用后，混凝土的性能評價與修復需要綜合考慮材料的強度和耐久性能指標.

4)超聲波在混凝土中傳播速度隨溫度升高而降低，大致呈線性變化，與混凝土剩余強度和耐久性能變化有較強相關性，可根據(jù)現(xiàn)場聲速檢測結果來評價混凝土的損傷程度、剩余強度與耐久性能.

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