混凝土高溫處理后的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

麻江峰

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

現(xiàn)階段，我國水利建筑行業(yè)發(fā)展迅速，混凝土的用量越來越大，其所必需原材料的消耗量也越來越多。由于一些因素造成火災(zāi)頻繁發(fā)生，混凝土建筑物遭受高溫的幾率也隨之增大，混凝土高溫性能研究尚處于初步探索階段。本文擬對(duì)C40混凝土試件進(jìn)行常溫及高溫（300～700℃）灼燒，在自然環(huán)境中冷卻至室溫時(shí)，測(cè)定其高溫前后的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量，并描述和分析研究其力學(xué)性能的變化。本文選用的機(jī)制砂是將天然巖石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒；水泥使用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥；粗集料使用粒徑為5～20mm連續(xù)級(jí)配的碎石；外加劑使用高效減水劑。

1 試驗(yàn)原材料檢測(cè)

本試驗(yàn)參考中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）來進(jìn)行混凝土原材料的選擇并進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

（1）水泥作為混凝土中最主要的水硬性膠凝材料，與水拌和形成的水泥漿具有凝結(jié)硬化作用。水泥漿體在混凝土初凝前起潤滑作用，而使得混凝土拌和物具有一定的流動(dòng)性、粘聚性和保水性，以滿足施工要求。在混凝土硬化后起膠結(jié)作用，將粗細(xì)骨料膠結(jié)成一個(gè)整體而使混凝土具有一定的強(qiáng)度。本次水泥使用山西華潤生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1所示。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

（2）混凝土中的集料在混凝土中起骨架作用，故又稱為骨料。相比水泥凈漿凝結(jié)硬化而成的水泥石，骨料的摻入使得混凝土具有更高的體積穩(wěn)定性和更好的耐久性能，還可以在一定程度上起到減少水泥水化熱及干縮的作用。因?yàn)樯笆橇媳人啾阋撕芏?，所以大大降低了混凝土的成本，具有很好的?jīng)濟(jì)效益。混凝土骨料分為粗骨料和細(xì)骨料。粗集料通常為碎石和卵石。粗集料使用山西昔陽生產(chǎn)的粒徑為5～20mm連續(xù)級(jí)配的碎石，主要性能見表2所示。

細(xì)骨料包括天然砂和機(jī)制砂。細(xì)骨料使用山西長治生產(chǎn)的機(jī)制砂，主要性能指標(biāo)見表3。

（3）在配制混凝土?xí)r，根據(jù)需要加入適宜的礦物摻和料，不僅可以改善新拌混凝土的和易性，而且可以提高硬化后混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能等。同時(shí)用礦物摻和料替代部分水泥，還可降低混凝土的成本。摻合料為粉煤灰，II級(jí)粉煤灰，其28 d活性指數(shù)為76%。

（4）混凝土外加劑是一種在拌制混凝土?xí)r摻入的，摻量一般不大于水泥質(zhì)量的5%（特殊情況除外），用以改善混凝土性能的化學(xué)物質(zhì)。外加劑的摻量雖少，但能顯著改善混凝土某些方面的性能，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯，在現(xiàn)代混凝土工程中的應(yīng)用越來越普遍，已成為當(dāng)前配制混凝土所必需的組分。外加劑使用山西萬榮桑穆斯高效減水劑，減水率為1.15%。

（5）水是配制混凝土必需的原材料之一。水質(zhì)的好壞不僅影響混凝土的凝結(jié)和硬化，還會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，并可能造成混凝土中鋼筋的銹蝕?；炷涟韬陀盟畱?yīng)符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63-2006）的規(guī)定。本試驗(yàn)中混凝土拌和及養(yǎng)護(hù)所用的水為太原自來水，各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范規(guī)定。

表2 粗骨料物理性能指標(biāo)

表3 細(xì)骨料物理性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)設(shè)備

水泥所用設(shè)備：水泥凈漿攪拌機(jī)、電腦全自動(dòng)恒應(yīng)力水泥壓力試驗(yàn)機(jī)、微機(jī)控制電子式抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)、全自動(dòng)比表面積測(cè)定儀、雷氏水泥沸煮箱、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱等。

骨料所用設(shè)備：電子天平、電子平臺(tái)秤、靜力學(xué)天平、振擺儀、李氏瓶、新標(biāo)準(zhǔn)砂石篩、針狀儀、片狀儀、石子壓碎指標(biāo)測(cè)定儀、電熱鼓風(fēng)干燥箱等。

其它所用設(shè)備：?jiǎn)闻P軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)、電液式壓力試驗(yàn)機(jī)、混凝土彈性模量測(cè)定儀、混凝土振動(dòng)臺(tái)、箱式電阻爐等。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試件制備

3.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比是指混凝土中各組成材料用量之間的比例關(guān)系。配合比設(shè)計(jì)就是通過一系列的計(jì)算及試配等步驟，最終確定混凝土中各組分之間比例關(guān)系的過程。在原材料、工藝條件、外界條件一定的情況下，配合比設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是確定水泥、水、砂、石子等基本組成材料用量之間的三個(gè)比例關(guān)系，即水膠比、砂率和單位用水量。在經(jīng)過多次試配的基礎(chǔ)上，最終確定C40機(jī)制砂混凝土的配合比，見表4。

3.2 混凝土試件的制備

根據(jù)配合比制作的混凝土試件尺寸及要求：第一批立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件150mm×l50mm×150mm的立方體，各自18塊；第二批軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)采用試件Φl50mm×300mm的圓柱體，各自18塊。將成型好的試件用蓋上塑料膜覆蓋，以防止水分蒸發(fā)，并放在20±5℃室內(nèi)環(huán)境中靜置24～48 h拆模，拆模過程中應(yīng)輕拿輕放，注意保持試件的完整性，以免因移動(dòng)而損壞其棱角。拆模完成后，對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記，并將樣品放入水中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)28 d的養(yǎng)護(hù)。

表4 混凝土配合比

4 混凝土高溫處理方案

高溫試驗(yàn)前，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，應(yīng)將剛搬出養(yǎng)護(hù)池中的混凝土試件放置在干燥通風(fēng)環(huán)境中自然烘干，然后再進(jìn)行高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)使用箱式電阻爐，俗稱馬弗爐，SRJX-15型，額定功率15kW，額定電壓380V，最高溫度可達(dá)1200℃，爐膛尺寸400mm×400mm×600mm。儀器配有手動(dòng)控制箱，可自己預(yù)設(shè)所需溫度。試驗(yàn)時(shí)，首先將混凝土試件放入爐內(nèi)，然后設(shè)置所需溫度，并以10℃/min的升溫速率使?fàn)t內(nèi)溫度升高至所需溫度，關(guān)緊爐門，當(dāng)電阻爐控制箱上顯示的讀數(shù)達(dá)到所設(shè)溫度時(shí)，認(rèn)為達(dá)到試驗(yàn)檢測(cè)要求，然后關(guān)閉電源打開爐門，待爐內(nèi)溫度下降后取出試件放置在室內(nèi)環(huán)境中使其自然冷卻，試件冷卻后再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

5 混凝土高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（ SL352-2006）中 4.2、4.3、4.8 進(jìn)行試驗(yàn)，由于試件各18塊，每個(gè)編號(hào)選取3塊，試驗(yàn)后取其平均強(qiáng)度值。

5.1 立方體抗壓試驗(yàn)

混凝土常溫及高溫后的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 常溫及高溫后的立方體抗壓強(qiáng)度

普通常溫混凝土試件脆性較大，在臨近破壞荷載時(shí)，試件會(huì)“砰”的一聲巨響突然破壞。當(dāng)混凝土試件在壓力機(jī)上受壓時(shí)，沿加載方向產(chǎn)生縱向壓縮變形的同時(shí)也產(chǎn)生了橫向變形，使得試件中部被壓壞的混凝土碎屑向外迸出，而與上下壓板接觸的表面由于承壓板的摩擦作用而形成環(huán)箍效應(yīng)。由表5可知：混凝土高溫后的立方體抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而下降。這是因?yàn)楦邷刈饔煤蠡炷猎嚰拇嘈詴?huì)有不同程度的降低，溫度越高，脆性降低越多。這些混凝土試件在加載過程中裂縫逐漸增多直至破壞，且疏松的混凝土碎屑不斷脫落，臨近破壞時(shí)也沒有一聲巨響。

5.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

混凝土常溫及高溫后的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 常溫及高溫后的劈裂抗拉強(qiáng)度

普通常溫混凝土試件會(huì)在破壞時(shí)的瞬間形成一條貫通裂縫，試件突然被劈裂，且劈裂斷面參差不齊。而經(jīng)過高溫作用后的混凝土試件，在加荷過程中，裂縫的形成及擴(kuò)展過程均比較緩慢，且劈裂后的斷面較整齊，這說明高溫作用降低了混凝土試件的脆性。由表6可知：混凝土高溫后的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì)。

5.3 軸心抗壓試驗(yàn)

混凝土常溫及高溫后的軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 常溫及高溫后的劈裂抗拉強(qiáng)度

由于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的試件的高寬比基本為2，因此試件的高度中部受環(huán)箍效應(yīng)的影響較立方體試件小，所以破壞的也相對(duì)嚴(yán)重。由表7可知：混凝土高溫后的軸心抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而急劇下降。說明經(jīng)過高溫作用后的混凝土試件，其端部表面不再像未經(jīng)高溫處理的試件表面那么平整，使得在加荷過程中受上下壓板的摩擦減小，試件破壞后沒能表現(xiàn)出明顯的環(huán)箍效應(yīng)。

5.4 彈性模量試驗(yàn)

普通常溫混凝土試件在測(cè)試過程中，試件的對(duì)中相對(duì)比較容易，且最后破壞后試件的形態(tài)和做軸心抗壓試驗(yàn)的試件的破壞形態(tài)一致。經(jīng)過300℃、400℃作用后的混凝土試件，其表面雖有裂紋，但裂紋擴(kuò)展不很明顯，在彈性模量過程中經(jīng)過多次細(xì)心調(diào)整，能夠?qū)χ?。而?jīng)過500℃及以上溫度高溫作用后的混凝土試件，由于混凝土各組分的膨脹性能在這些溫度范圍內(nèi)差別較大，使得高溫作用后的混凝土試件表面不再平整，導(dǎo)致在對(duì)中過程中無論如何調(diào)整，也無法保證兩個(gè)千分表變形讀數(shù)之差與讀數(shù)差值的平均值之比小于20%。因此試驗(yàn)中僅取得了混凝土試件在20℃、300℃和400℃高溫作用后的比較滿意的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果，且彈性模量分別為2.27×104mPa、1.43×104mPa、0.09×104mPa。

6 結(jié)論

C40混凝土試件在常溫和高溫后兩種情況下的力學(xué)性能基本都是隨著溫度升高而減低，溫度對(duì)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度以及彈性模量的影響很大。高溫作用后，混凝土試件表面均有裂縫出現(xiàn)，作用溫度越高，試件表面顏色越淺，裂縫尺寸就越寬越長。同時(shí)經(jīng)受高溫作用后，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的下降速度大于立方體抗壓強(qiáng)度，且試件質(zhì)量明顯減小。因試驗(yàn)設(shè)備條件所限，模擬火災(zāi)高溫試驗(yàn)時(shí)，采用電阻爐對(duì)混凝土試件進(jìn)行高溫作用，且電阻爐是以恒定的升溫速率工作的，這與實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)高溫時(shí)的情況有較大差別。本文通過對(duì)比研究混凝土高溫前后的力學(xué)性能變化，來分析混凝土高溫后力學(xué)性能下降的原因，得出一些試驗(yàn)結(jié)論，可對(duì)混凝土實(shí)際水利工程在遭受火災(zāi)后的評(píng)估鑒定及修復(fù)加固提供可靠的理論依據(jù)。