多因素影響下再生自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

李 韌，賈龍杰，畢 重，王學(xué)志，孔祥清

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多因素影響下再生自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

李 韌，賈龍杰，畢 重，王學(xué)志，孔祥清

（遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

對(duì)21組C30再生自密實(shí)混凝土試件進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，分析了高溫處理、噴淋冷卻或自然冷卻和低溫處理等模擬火災(zāi)過(guò)程對(duì)再生自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。研究表明，試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高而逐漸降低，溫度升高到600℃時(shí)，強(qiáng)度降低約70%。高溫后經(jīng)自然冷卻的自密實(shí)再生混凝土抗拉強(qiáng)度比僅采用噴淋冷卻的高。采用自然冷卻并進(jìn)行低溫處理后的自密實(shí)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均低于常溫狀態(tài)不做處理的劈裂抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度降低約16%；采用噴淋冷卻并進(jìn)行低溫處理對(duì)自密實(shí)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響不明顯。

再生自密實(shí)混凝土；劈裂抗拉強(qiáng)度；高溫處理；冷卻方法；低溫處理

自密實(shí)混凝土是既有高度流動(dòng)度，又不離析，具有均勻性、穩(wěn)定性，澆筑依靠自重流動(dòng)，無(wú)需振搗而達(dá)到密實(shí)的混凝土[1]。因其良好的工作性能，在維修加固等狹窄條件下自密實(shí)混凝土硬化后的性能更容易得到保障。

再生自密實(shí)混凝土則是根據(jù)自密實(shí)混凝土的配合比，將自密實(shí)混凝土中所使用的天然骨料替代為再生骨料，并和其他外加劑一起配制而成。自密實(shí)再生混凝土不僅能減少?gòu)U棄混凝土對(duì)城市和周邊自然環(huán)境的污染，還能節(jié)省大量天然資源，以緩解自然資源緊缺問(wèn)題。

近年來(lái)，針對(duì)混凝土承受高溫后的力學(xué)性能有廣泛而深入的研究[2-9]，普通混凝土經(jīng)受高溫環(huán)境后的力學(xué)性能在業(yè)界已經(jīng)形成共識(shí)，高溫后混凝土的損傷與諸多因素有關(guān)，包括混凝土的種類、火災(zāi)溫度、恒溫時(shí)間、冷卻方式和冷卻后所處的環(huán)境等[2]。文獻(xiàn)[7]對(duì)高溫后的C35混凝土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，同時(shí)考慮多種因素的影響，最高溫度是影響混凝土抗拉強(qiáng)度最重要的因素，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著經(jīng)歷溫度的升高總體呈下降趨勢(shì)。文獻(xiàn)[10]表明，高溫后再生混凝土的剩余強(qiáng)度比普通混凝土有所降低，且再生骨料取代率對(duì)高溫后的剩余強(qiáng)度影響不顯著。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)高溫后的再生混凝土進(jìn)行研究，主要集中在高溫后的單軸受壓和高溫后處于單一環(huán)境中的試驗(yàn)研究，破壞特征和普通混凝土的規(guī)律相似，鑒于北方特殊地理位置，冬季火災(zāi)滅火后，再生混凝土澆筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件將直接暴露于嚴(yán)寒下，此時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度變化暫不明晰，但是可以肯定的是冷卻后所處的環(huán)境對(duì)高溫后混凝土的力學(xué)性能將產(chǎn)生較大影響[7]。再生自密實(shí)混凝土火災(zāi)后殘余強(qiáng)度能否滿足相關(guān)規(guī)范要求，故需從模擬火災(zāi)環(huán)境和火災(zāi)后的自然狀態(tài)等方面進(jìn)行研究。本文按照高溫處理、噴淋或自然冷卻和低溫處理等3個(gè)環(huán)節(jié)處理再生自密實(shí)混凝土，進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，研究再生自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試塊用原材料

(1)水泥：遼寧渤海水泥（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)細(xì)骨料：級(jí)配河砂，細(xì)度模數(shù)為2.46，屬于Ⅱ區(qū)中砂。

(3)粗骨料：天然粗骨料為錦州市溫滴樓天然碎石；再生粗骨料來(lái)源于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的廢棄試驗(yàn)試件，經(jīng)破碎、篩分后得到，基本性能見(jiàn)表1，骨料見(jiàn)圖1、圖2。

(4)水：自來(lái)水。

(5)減水劑：錦州凌云建材有限公司生產(chǎn)的LY-A聚羧酸系高性能減水劑，減水率為29%。

表1 粗骨料基本性能

圖1 天然粗骨料

圖2 再生粗骨料

1.2 混凝土配合比

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，經(jīng)試配，再生骨料替代率為50%[14-15]，配合比見(jiàn)表2，該配合比混凝土坍落擴(kuò)展度平均值為670 mm，具有較好的流動(dòng)性和通過(guò)性，試配混凝土見(jiàn)圖3。經(jīng)測(cè)定，試件的立方體抗壓強(qiáng)度為46.8 MPa。

表2 自密實(shí)再生混凝土的配合比 （kg/m3）

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試塊分組情況見(jiàn)表3。

表3 試塊分組情況

注：NAT表示常溫，A、B、C則分別表示200、400、600 ℃高溫，ZL、PL表示的是自然冷卻、噴淋冷卻，1、2、3分別表示低溫中的常溫、-6 ℃、-26 ℃。

按照高溫處理、噴淋冷卻或自然冷卻和低溫處理3步處理自密實(shí)再生混凝土，根據(jù)一般火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室的溫控電爐性能，將再生自密實(shí)混凝土的加熱溫度定為200、400、600 ℃，加熱時(shí)間120 min，并與常溫20 ℃作為對(duì)照。按照實(shí)驗(yàn)方案，制作21組試件，每組3個(gè)。試件分組情況見(jiàn)表3，部分經(jīng)處理后的試件見(jiàn)圖4。

圖3 自密實(shí)再生混凝土

圖4 不同條件下處理后試件

為使試塊內(nèi)外溫度均能到達(dá)目標(biāo)溫度，試驗(yàn)中設(shè)置帶有K型溫度補(bǔ)償線的測(cè)定試塊。高溫試驗(yàn)時(shí)，先將試塊中的K型溫度補(bǔ)償線與計(jì)算機(jī)中的溫度控制系統(tǒng)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)中顯示出的溫度變化規(guī)律及試塊內(nèi)外達(dá)到目標(biāo)溫度所需要的時(shí)間，然后對(duì)試塊分別進(jìn)行目標(biāo)溫度下的高溫處理。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與試件破壞形態(tài)

2.1.1 試件處理時(shí)現(xiàn)象

再生自密實(shí)混凝土試塊在高溫過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象：200 ℃時(shí)，箱式電阻爐的爐門周圍可以看見(jiàn)少量水蒸汽逸出；400 ℃時(shí)，能聞到淡淡的刺激性氣味。隨著爐內(nèi)溫度的繼續(xù)升高，爐門周圍出現(xiàn)大量水蒸汽，聞到的刺激性氣味逐漸濃烈；接近600℃時(shí)水蒸汽減少并消失，高溫過(guò)程中出現(xiàn)的難聞刺激性氣味也隨著溫度的升高越來(lái)越濃烈。

2.1.2 試件破壞形態(tài)

在劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，因所處環(huán)境溫度和冷卻方式的不同，在混凝土內(nèi)部形成不同程度的微裂縫，試塊產(chǎn)生裂縫的時(shí)間、發(fā)展情況及最終破壞形態(tài)都存在比較大的差異，部分試件最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 劈裂受拉形態(tài)

破壞形態(tài)分析如下。

(1)常溫組和高溫200 ℃自然冷卻組的破壞過(guò)程相同。加載初期，試塊表面沒(méi)有裂縫出現(xiàn)；隨著加載的繼續(xù)，試塊內(nèi)部應(yīng)力不斷增加，試塊中部垂直于上下墊條的位置開(kāi)始出現(xiàn)了裂縫，隨后裂縫繼續(xù)發(fā)展，數(shù)量不斷增加，寬度也不斷增加，最后在上下墊條間形成通縫，試塊發(fā)生劈裂破壞。

(2)高溫400、600 ℃自然冷卻組在加載初期，試塊表面因加熱處理溫度較高已經(jīng)出現(xiàn)了些許裂縫，隨著加載的進(jìn)行，裂縫數(shù)量和寬度迅速增加，直至上下墊條間形成通縫，試塊破壞。

(3)高溫200、400、600 ℃的試塊進(jìn)行噴水冷卻處理，試塊內(nèi)外經(jīng)受了較大的溫度差而產(chǎn)生較多的裂紋，由于試塊加載前已經(jīng)存在較多的裂縫，隨著加載裂縫數(shù)量和寬度增加并迅速發(fā)生劈裂破壞。

經(jīng)檢查劈裂破壞的截面，發(fā)現(xiàn)試塊發(fā)生破壞時(shí)除了再生粗骨料和水泥漿粘結(jié)面發(fā)生的破壞，再生粗骨料本身也發(fā)生了斷裂破壞。再生混凝土高溫后不同溫度場(chǎng)下的劈裂抗拉破壞情況與普通混凝土有較大差異。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 劈裂抗拉強(qiáng)度與高溫溫度的關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出自密實(shí)再生混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度與經(jīng)受過(guò)高溫作用后冷卻方式的關(guān)系圖像，見(jiàn)圖6。

(a) 高溫后經(jīng)自然冷卻時(shí)

(b) 高溫后經(jīng)噴淋冷卻時(shí)

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度與高溫作用溫度的關(guān)系曲線

由圖6中的曲線可知，自密實(shí)再生混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度與高溫作用溫度的關(guān)系表現(xiàn)如下。

(1)常溫組、-6 ℃組以及-26 ℃組混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著所受高溫作用的溫度升高都呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。

(2)高溫后經(jīng)自然冷卻時(shí)，常溫組和-6 ℃組試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高的變化趨勢(shì)相似，-26 ℃組試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高呈現(xiàn)直線下降；環(huán)境溫度為200、400、600 ℃時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度與常溫是相比，降低幅度分別11%~16%、31%~34%、59%~70%。

(3)高溫后經(jīng)噴淋冷卻時(shí)，當(dāng)所受高溫溫度在常溫～200 ℃時(shí)，常溫組混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度降低最為明顯；當(dāng)溫度在200～400 ℃時(shí)，-6 ℃組試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度降低最為明顯；當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃時(shí)，常溫組、-6 ℃組以及-26 ℃組混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。

強(qiáng)度下降原因分析：混凝土材料是多組分、多相和非均質(zhì)的復(fù)合材料，其內(nèi)部包含了水泥石、各種集料以及在混凝土制備過(guò)程中形成的微缺陷(微裂縫、微空洞)等，混凝土材料內(nèi)部不同層次、不同尺寸的微損傷的萌生、擴(kuò)展和連接，將導(dǎo)致混凝土宏觀力學(xué)性能的劣化，其中最薄弱的部分是骨料與砂漿間的界面[16]。當(dāng)溫度升高時(shí)，水泥漿體的脫水收縮和骨料的受熱膨脹導(dǎo)致界面的微裂縫增加。在高溫下，骨料的爆裂使原始缺陷擴(kuò)大化必然導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降。

常溫下混凝土內(nèi)部凝膠結(jié)構(gòu)完整密實(shí)，氫氧化鈣非常整齊完整，在200 ℃以內(nèi)，主要是混凝土中毛細(xì)水和凝膠水蒸發(fā)形成孔隙，對(duì)試件強(qiáng)度幾乎無(wú)影響；當(dāng)溫度升至400 ℃的時(shí)候混凝土內(nèi)毛細(xì)水和凝膠水在蒸發(fā)的同時(shí)，還伴隨著結(jié)晶水的喪失，因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較常溫時(shí)發(fā)生了一定的變化，水泥石孔隙率增大，出現(xiàn)少量的細(xì)微裂縫，結(jié)構(gòu)變疏松，并且水化產(chǎn)物出現(xiàn)了輕微分層，但骨料結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生改變；溫度達(dá)到600 ℃的時(shí)候, 混凝土內(nèi)部凝膠開(kāi)始脫水分解，此時(shí)層間水和化學(xué)結(jié)合水排除，氫氧化鈣大量分解，使得原本結(jié)晶完整的片層結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度下降明顯[8]。

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度與低溫溫度的關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出自密實(shí)再生混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度與低溫溫度的關(guān)系圖像，見(jiàn)圖7。

由圖7中的曲線可知，自密實(shí)再生混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度與低溫溫度的關(guān)系表現(xiàn)如下。

圖7 劈裂抗拉強(qiáng)度與低溫溫度的關(guān)系曲線

(1)高溫后經(jīng)自然冷卻時(shí)，常溫組和400 ℃組試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低逐漸降低，-6～-26 ℃降低幅度很??；200 ℃組和600 ℃組的試塊，在常溫～-6℃時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低逐漸降低，-6～-26 ℃時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低有一定的提高，600 ℃組較明顯?？赡苁且?yàn)樵偕橇系谋鸭由闲碌乃饔茫糠謴浹a(bǔ)了骨料與砂漿間的裂縫造成的，相當(dāng)于恢復(fù)了混凝土的性能。

(2)高溫后經(jīng)噴淋冷卻時(shí)，常溫組試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低逐漸降低，-6～-26 ℃降低幅度很?。?00 ℃組和600 ℃組的試塊，在常溫～-6 ℃時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低逐漸升高，-6～-26 ℃時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低又逐漸降低；400 ℃組的試塊，在常溫～-6 ℃時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低逐漸降低，-6～-26 ℃時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低又逐漸升高。可能是因?yàn)橥ㄟ^(guò)高溫裂縫進(jìn)入試件內(nèi)部的噴淋水在低溫情況下凝結(jié)成冰晶，填補(bǔ)試件內(nèi)部骨料與砂漿間空隙裂縫，試件恢復(fù)成密實(shí)結(jié)構(gòu)，上述分析可解釋經(jīng)過(guò)低溫處理后的試件強(qiáng)度有一定升高的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)在模擬火災(zāi)環(huán)境下，自密實(shí)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與高溫處理溫度、冷卻方式、低溫處理溫度這3個(gè)因素均有關(guān)，其中處理溫度越高，劈裂抗拉強(qiáng)度下降越顯著，溫度升高到600 ℃時(shí)，強(qiáng)度降低約70%。

(2)高溫后不進(jìn)行低溫處理的試件，自然冷卻條件下的劈裂抗拉強(qiáng)度均高于噴淋冷卻條件下的強(qiáng)度。

(3)高溫后經(jīng)自然冷卻時(shí)，低溫處理后的再生自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均低于常溫狀態(tài)，強(qiáng)度降低約16%；高溫后經(jīng)噴淋冷卻時(shí)，低溫處理對(duì)再生自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響不明顯。

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責(zé)任編校：孫 林

Experimental Study on Splitting Tension Strength of Fire-damaged Self-Compacting Recycled Concrete with Different Influencing Factors

LI Ren, JIA Long-jie, BI Zhong, WANG Xue-zhi, KONG Xiang-qing

（School ofCivil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

This paper conducted splitting tension strength of 21 groups fire-damaged C30 SCRC, and analyzed the influence of high-temperature processing, cooling methods and low-temperature processing on the splitting tension strength of SCRC. The experimental results showed that the splitting tension strength reduced with temperature rise, and when the maximum temperature was up to 600℃, the splitting tension strength reduced about 70%. The splitting tension strength of SCRC after natural cooling is higher than the one after spray cooling in high-temperature processing. After natural cooling and low-temperature processing, the splitting tension strength of SCRC was lower than the one in normal temperature, the splitting tension strength reducing about 16%. Under the condition of spray cooling, the influence of the splitting tension strength after the low-temperature processing was not obvious.

self-compacting recycled concrete (SCRC); splitting tension strength; high-temperature processing; cooling methods; low-temperature processing

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.007

TU528

A

1674-3261(2017)04-0239-05

2016-08-10

遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2015020214)

李韌(1982-)，男，四川仁壽人，工程師，碩士。