高溫對(duì)早齡期混凝土力學(xué)性能的影響

黃國(guó)棟，張戎令，2，張瑞穩(wěn)，李 華，郭海貞

（1.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070）

近年來(lái)，建筑火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，火災(zāi)已成為建筑工程的重大安全隱患之一。建筑物一旦發(fā)生火災(zāi)，其內(nèi)部溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，造成混凝土力學(xué)性能退化，將直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通混凝土和高強(qiáng)混凝土高溫力學(xué)性能研究得出：混凝土經(jīng)高溫作用后力學(xué)性能的衰退與高溫作用時(shí)間、溫度、冷卻方式、養(yǎng)護(hù)方式、受熱后靜置時(shí)間等因素有關(guān)［1-2］；鋼纖維和聚丙烯纖維不僅可以抑制混凝土的高溫爆裂，而且可以提高混凝土在高溫后的殘余抗壓強(qiáng)度［3-4］；噴水冷卻試件內(nèi)有新水化物生成，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)有利［5］；高溫后大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度退化率低于普通混凝土［6］。

以往研究成果多基于28 d 齡期以上的高溫混凝土，現(xiàn)實(shí)生活中可能在混凝土早齡期發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致其經(jīng)受高溫?fù)p傷。目前，對(duì)早齡期混凝土高溫作用后力學(xué)性能的試驗(yàn)研究較少。因此，本文研究單摻10%粉煤灰和單摻10%礦粉的早齡期混凝土經(jīng)歷不同高溫后其殘余抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量燒失率隨齡期和溫度的變化規(guī)律。

1 高溫試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用哈密天山水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的天山牌P·Ⅱ52.5 型硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；粗骨料為碎石，采用5～10 mm 和10～20 mm 2 種粒徑范圍的石子以3∶7的質(zhì)量比搭配，壓碎指標(biāo)屬于Ⅰ類(lèi)；細(xì)骨料采用河沙，細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于中砂，含泥量為1.4%，表觀(guān)密度為2 642 kg/m3，空隙率為37.1%；礦物摻和料采用Ⅰ級(jí)粉煤灰和S95 級(jí)礦粉，其技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表2、表3；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，用量為膠凝材料質(zhì)量的1.3%；拌和用水采用自來(lái)水。

表1 P·Ⅱ52.5型硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo) %

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 混凝土配合比及試件制作

制備了2 種類(lèi)型的C50 混凝土試件，水膠比均為0.34，分別摻10%粉煤灰的混凝土（FC）和摻10%礦粉的混凝土（KC），配合比見(jiàn)表4。試件成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，混凝土入模并振搗密實(shí)后抹平表面，靜置在常溫室內(nèi)，24 h后拆模并放置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

表4 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高溫試驗(yàn)

首先，將混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出，擦拭表面水分，稱(chēng)取高溫前的質(zhì)量。然后將試件放入SX2-12-10 型箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行高溫試驗(yàn)。爐膛尺寸為500 mm×300 mm×200 mm，功率為12 kW，最高溫度可達(dá)1 200 ℃，控制精度±1 ℃。本型號(hào)電阻爐配有溫度控制儀，爐膛內(nèi)溫度可自動(dòng)調(diào)控，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫6 h（以保證試件內(nèi)部均勻受熱），然后停止加熱，取出試件放置在室內(nèi)自然冷卻至室溫。

本試驗(yàn)加熱溫度按GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》［7］中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線(xiàn)設(shè)定。該曲線(xiàn)公式為：T=T0+345lg（8t+1）。其中：T為火災(zāi)溫度；T0為常溫，取20℃；t為火災(zāi)時(shí)間。計(jì)算得出加熱到目標(biāo)溫度300，500，700 ℃時(shí)分別需要1，3，12 min。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［8］中要求進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)受高溫后試件質(zhì)量燒失率

不同齡期試件經(jīng)受高溫后質(zhì)量燒失率與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖1?？芍?種試件不同齡期質(zhì)量燒失率均隨著溫度的升高總體呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，并且相同齡期質(zhì)量燒失率隨溫度升高增長(zhǎng)趨勢(shì)相近。這是因?yàn)榛炷猎嚰紫秲?nèi)含有大量的自由水，隨著溫度的升高自由水逐漸蒸發(fā)，從而導(dǎo)致質(zhì)量燒失率增長(zhǎng)。當(dāng)溫度升至一定值時(shí)水分嚴(yán)重?fù)p失，水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2等分解脫水，使得質(zhì)量燒失率進(jìn)一步增長(zhǎng)。溫度繼續(xù)升高，骨料中白云石、碳酸鈣等開(kāi)始分解，骨料不再穩(wěn)定。2種試件溫度達(dá)到700 ℃時(shí)質(zhì)量燒失率均達(dá)到7%左右。試件28 d 的質(zhì)量燒失率增長(zhǎng)出現(xiàn)異常，總體不呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，但試件質(zhì)量燒失率仍隨著溫度的升高而增大。

圖1 不同齡期試件經(jīng)受高溫后質(zhì)量燒失率與溫度的關(guān)系

2.2 經(jīng)受高溫后試件殘余抗壓強(qiáng)度

不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖2 可知：①相同齡期時(shí)2 種試件殘余抗壓強(qiáng)度隨溫度升高變化趨勢(shì)基本一致。②7 d 齡期時(shí)2 種試件的殘余抗壓強(qiáng)度均隨著溫度升高呈先增大后減少的趨勢(shì)，其臨界溫度為300 ℃。FC 和KC 試件臨界溫度下的抗壓強(qiáng)度分別為47.6，50.1 MPa，比常溫時(shí)抗壓強(qiáng)度（39.9，41.4 MPa）分別提高了19%和21%。這是因?yàn)? d 齡期時(shí)水泥水化程度相對(duì)較低，300 ℃高溫使得混凝土試件內(nèi)部大量的水分蒸發(fā)，而試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，部分水蒸汽會(huì)留在混凝土試件內(nèi)部，促進(jìn)未水化的水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，從而提高混凝土試件的殘余抗壓強(qiáng)度。③14，21，28 d齡期時(shí)試件殘余抗壓強(qiáng)度均隨著溫度的升高呈先平緩下降，后快速下降的趨勢(shì)。500 ℃高溫時(shí)，14，21，28 d 齡期 FC 試件殘余抗壓強(qiáng)度分別降至常溫時(shí)的92%，83%，63%，KC 試件分別降至常溫時(shí)的89%，78%，62%；700 ℃高溫時(shí)2 種試件殘余抗壓強(qiáng)度均降至常溫時(shí)的30%～40%，基本喪失承載力。這是因?yàn)?00 ℃高溫時(shí)混凝土試件內(nèi)部嚴(yán)重失水，使得試件內(nèi)部出現(xiàn)更多孔隙及裂紋，其殘余抗壓強(qiáng)度降低。700 ℃高溫時(shí)混凝土試件內(nèi)部水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠和Ca（OH）2晶體基本分解，試件內(nèi)部損壞嚴(yán)重，導(dǎo)致其殘余抗壓強(qiáng)度迅速下降。

2.3 經(jīng)受高溫后試件殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的擬合公式

根據(jù)文獻(xiàn)［3，6］對(duì)混凝土試件28 d 齡期高溫作用后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和擬合結(jié)果，再結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2 種混凝土試件的殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合。殘余抗壓強(qiáng)度?cu，T可表示為

式中：a，b，c均為回歸系數(shù)；20 ℃≤T≤700 ℃。

采用最小二乘法擬合出不同齡期試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。

FC試件經(jīng)受高溫后各齡期擬合公式依次為

KC試件經(jīng)受高溫后各齡期擬合公式依次為

3 結(jié)論

1）2 種混凝土試件不同齡期的質(zhì)量燒失率均隨著溫度的升高總體呈增大趨勢(shì)，并且相同齡期增長(zhǎng)趨勢(shì)相近。

2）相同齡期時(shí)2種混凝土試件的殘余抗壓強(qiáng)度隨溫度升高變化趨勢(shì)基本一致。700 ℃高溫時(shí)2 種混凝土試件各齡期殘余抗壓強(qiáng)度均降至常溫時(shí)的30%～40%，基本喪失承載力。

3）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，給出了2 種早齡期混凝土試件經(jīng)受高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系式，可供實(shí)際工程中早齡期混凝土經(jīng)受高溫后性能分析評(píng)價(jià)提供參考。