高溫后長齡期在役混凝土抗壓強(qiáng)度及微觀分析

白亮+周天華+呂晶+張軼+羅偉

摘要：為了研究高溫后長齡期在役混凝土損傷及微觀變化特征，通過對齡期在20年以上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取樣，進(jìn)行在役混凝土高溫試驗(yàn)，提出高溫后在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，建立在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與不同溫度之間的擬合回歸公式，利用熱重（TG）及掃描電鏡觀察，分析了高溫后在役混凝土物相及微觀形貌隨受火溫度的變化情況。研究結(jié)果表明：高溫后在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)室新澆筑混凝土類似，相比而言，當(dāng)受火溫度T≤300 ℃時，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度略低；當(dāng)T>700 ℃時，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度較高，所得結(jié)論可為實(shí)際工程中長齡期在役混凝土結(jié)構(gòu)高溫后的損傷評估提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高溫；在役混凝土；殘余抗壓強(qiáng)度；失重率；微觀分析；齡期

中圖分類號：TU392.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，各國學(xué)者對高溫后混凝土材料的性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作[1-5]，研究了高溫對混凝土材料性能的影響。目前火災(zāi)高溫試驗(yàn)研究對象均是實(shí)驗(yàn)室新澆筑混凝土試件，對于在役混凝土高溫后性能變化的研究極少。一般而言，混凝土試件澆筑后放置一段時間即可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，放置時間少則1個月，多則數(shù)個月，這段時間對于構(gòu)件的一般力學(xué)性能試驗(yàn)來說基本滿足要求，但是對于抗火試驗(yàn)而言顯然太短[6]。因混凝土試件室溫環(huán)境下放置數(shù)月后，雖然表面已干燥，但是內(nèi)部水分散發(fā)不多，試件內(nèi)部含水率仍然較高。

文獻(xiàn)[7]，[8]中指出，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時，混凝土背火面出現(xiàn)明顯的水分逸出，溫度出現(xiàn)明顯停滯，這是混凝土內(nèi)部水分遷移、蒸發(fā)的宏觀表現(xiàn)。在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時可能已經(jīng)使用了幾年甚至幾十年，混凝土內(nèi)部自由水在使用過程中已逐漸減小至可以忽略的程度，火災(zāi)試驗(yàn)時較高含水率的存在直接影響了溫度場的分布。文獻(xiàn)[9]中的研究表明，較大含水量易引起混凝土爆裂，影響構(gòu)件力學(xué)性能?；馂?zāi)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，實(shí)際火災(zāi)中混凝土表面遍布細(xì)小溫度裂縫，未見大面積爆裂現(xiàn)象。由于新澆筑混凝土試件內(nèi)部水分較多，水分蒸發(fā)速度相對緩慢，增加了混凝土發(fā)生爆裂的可能性。同時在役混凝土經(jīng)過二三十年的使用，存在材料性能變化及初始隨機(jī)損傷，在高溫作用下混凝土中的微裂縫等損傷進(jìn)一步發(fā)展，并出現(xiàn)新的損傷特征。因此為了研究混凝土結(jié)構(gòu)高溫后的實(shí)際受損狀況及其性能變化，本文中筆者對齡期在20年以上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取樣，進(jìn)行在役混凝土高溫試驗(yàn)，通過大量試驗(yàn)研究了高溫后在役混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，建立在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與不同溫度之間的擬合回歸公式，利用熱重（TG）及掃描電鏡等微觀檢測手段，分析了高溫后長齡期在役混凝土物相及微觀形貌隨受火溫度的變化特征。

1 試驗(yàn)概況

由于城區(qū)開發(fā)改造原因，一幢建于1990年的6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)將實(shí)施拆除重建（圖1），通過現(xiàn)場勘察，房屋混凝土構(gòu)件基本完好，未見明顯裂縫及變形，可對該房屋混凝土構(gòu)件進(jìn)行鉆芯，獲得在役混凝土試件。經(jīng)查閱設(shè)計(jì)圖紙及竣工歸檔資料，房屋框架梁、柱混凝土強(qiáng)度等級為C30，混凝土配合 為了盡可能消除因澆筑位置不同造成混凝土力學(xué)性能的差異，在框架柱同一截面位置鉆取6個混凝土芯樣，見圖2。選取12處框架柱截面，共72個芯樣，芯樣直徑為100 mm，高徑比為1.0。將同一截面位置6個芯樣分為2組，每組3個，一組室溫，另一組實(shí)施高溫試驗(yàn)，受火溫度分別為100 ℃，300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

將加工好的試件放入SX2-12-16型箱式電阻爐進(jìn)行加熱，加熱升溫速率10 ℃·min-1，恒溫6 h，打開爐門冷卻1 h后，取出試件置于室內(nèi)自然冷卻。在役混凝土試件由室溫加熱至900 ℃，物理狀態(tài)發(fā)生一系列變化。高溫后在役混凝土試件表面特征變化與文獻(xiàn)[8]中所述新澆筑混凝土試件基本一致，隨著溫度的升高，試件表面顏色經(jīng)歷青灰色→灰白色→淺紅色的變化過程，試件表面裂縫增多；當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃時，試件表面明顯疏松，裂縫增寬，試件仍成定型，未見爆裂破碎，不同過火溫度下在役混凝土試件表面特征變化如圖4所示。

2.2 在役混凝土高溫失重率

混凝土在升溫過程中逐漸失重，本文中測量得到的高溫后在役混凝土失重率見圖5。

將本文的混凝土高溫失重率與文獻(xiàn)[10]中所述新澆筑混凝土試件高溫失重變化進(jìn)行對比，二者趨勢基本一致，但是在同一溫度下，在役混凝土失重率明顯小于新澆筑混凝土試件。究其原因在于，當(dāng)溫度為100 ℃～300 ℃時，混凝土失重率是因試件中所含自由水蒸發(fā)所致，由于在役混凝土齡期較長，混凝土內(nèi)的自由水已經(jīng)基本蒸發(fā)，相比實(shí)驗(yàn)室新澆筑混凝土試件，其失重率較小。

2.3 高溫后在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度

混凝土在高溫（火災(zāi)）后的殘余抗壓強(qiáng)度是評估結(jié)構(gòu)火災(zāi)后損傷程度及剩余承載能力的主要依據(jù)。將試件加熱至設(shè)定溫度，再恒溫6 h后打開爐門，自然冷卻至室溫，在室溫條件下加載，測定其抗壓強(qiáng)度。在役混凝土升溫和高溫持續(xù)作用下，材料內(nèi)部受到損傷，試件力學(xué)性能降低。通過試驗(yàn)得到高溫后在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度，見圖6。高溫后在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度KTc為

由圖6可見，隨溫度升高，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度先略微升高后迅速下降，與文獻(xiàn)[10]中所述新澆筑混凝土試件變化趨勢基本一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到文獻(xiàn)[10]～[17]中新澆筑混凝土試件高溫后相對殘余抗壓強(qiáng)度均值，見表2。

與新澆筑混凝土試件相比，當(dāng)受火溫度T≤300 ℃時，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度略低，當(dāng)T≥500 ℃時，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度較高。究其原因在于，當(dāng)溫度為100 ℃～300 ℃時，新澆筑混凝土試件因溫度升高而使部分尚未水化的硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）水化生成水化硅酸鈣（C-S-H），其殘余抗壓強(qiáng)度明顯高于長齡期在役混凝土。當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時，水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2脫水和分解反應(yīng)基本完成，對于實(shí)驗(yàn)室新澆筑混凝土試件，水泥石內(nèi)部水化生成物和未充分水化的熟料因溫度膨脹系數(shù)的不一致而在界面上發(fā)生應(yīng)力集中，形成微裂縫，同時粗骨料、細(xì)骨料與水泥漿界面形成微裂縫，隨著溫度的升高，各類裂縫進(jìn)一步發(fā)展，因此，溫度較高時（T≥700 ℃），新澆筑混凝土試件相對殘余抗壓強(qiáng)度低于長齡期在役混凝土試件。endprint

2.4 高溫后在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度回歸公式

由于室溫至300 ℃時混凝土殘余強(qiáng)度較離散，波動性大，不考慮其強(qiáng)度衰減，將其等同于室溫情況。根據(jù)本文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式y(tǒng)=At2+Bt+C對高溫后長齡期在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行擬合，即

高溫后在役混凝土相對殘余強(qiáng)度擬合曲線見圖7。由圖7可見，回歸曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。與文獻(xiàn)[10]～[17]中新澆筑混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果相比，當(dāng)T≥500 ℃時，由公式（2）計(jì)算得到的在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度偏高。

3 微觀分析

高溫后混凝土宏觀力學(xué)性能與其內(nèi)部成分的變化密切相關(guān)[18-19]，為了分析長齡期在役混凝土內(nèi)部成分的變化，進(jìn)行了水泥石差熱-熱重分析及掃描電鏡觀察。

3.1 差熱-熱重分析

經(jīng)100 ℃，300 ℃，500 ℃，900 ℃高溫煅燒后的在役混凝土水泥石差熱-熱重分析曲線如圖8所示。由圖8可以看出：水泥石不同溫度后的熱重（TG）曲線均呈下降趨勢，差示掃描量熱（DSC）曲線大致在400 ℃時出現(xiàn)明顯的吸熱峰，根據(jù)無機(jī)非金屬圖譜手冊[20]，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，Ca（OH）2發(fā)生分解；當(dāng)溫度T≤500 ℃時，Ca（OH）2失重率變化不大，失重率為3.96%～4.03%；當(dāng)溫度T≥900 ℃時，Ca（OH）2失重率明顯降低，水泥石中的CH含量減少。由此可知，高溫對混凝土內(nèi)部各水化物脫水分解影響顯著，溫度越高，脫水分解的組分及數(shù)量越多。

3.2 掃描電鏡分析

在試驗(yàn)壓力機(jī)壓潰的試件芯部和表面選取規(guī)整薄片，干燥和除塵氣干后抽真空， 進(jìn)行噴鍍碳膜，用鍍膜后的試件進(jìn)行掃描電鏡分析，得到的電鏡掃描圖像見圖9。

由圖9可見：當(dāng)溫度T≤300 ℃時，水泥石微觀結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，CH結(jié)晶完整，C-S-H凝膠體均勻致密；經(jīng)700 ℃高溫作用后，CH晶型殘缺不齊，C-S-H凝膠體變得多孔疏松；經(jīng)900 ℃高溫作用后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔，缺陷、裂紋增多，使混凝土強(qiáng)度下降。4 結(jié) 語

（1）與實(shí)驗(yàn)室新澆筑混凝土試件相比，高溫后在役混凝土失重率較??；在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)室新澆筑混凝土類似，相比而言，當(dāng)受火溫度T≤300 ℃時，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度略低，當(dāng)T>700 ℃時，在役混凝土相對殘余抗壓強(qiáng)度較高，本文中嘗試從高溫后混凝土內(nèi)部成分的變化分析了該差異產(chǎn)生的原因。

（2）對于長齡期在役混凝土殘余抗壓強(qiáng)度計(jì)算，可參考本文中給出的公式（2）進(jìn)行計(jì)算，考慮到混凝土力學(xué)性能與其組分密切相關(guān)，建議按相同摻合料及配合比進(jìn)行高溫后長齡期混凝土力學(xué)性能對比試驗(yàn)研究。

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