高溫后摻納米CaCO3 混凝土劈裂抗拉性能研究

苗生龍 李慶濤 趙園園 胡海波 劉玉田

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院， 江蘇 徐州 221008； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

普通混凝土具有良好的工作及力學(xué)性能，在實(shí)際工程中被大量采用.火災(zāi)時(shí)，由于高溫作用，混凝土的各項(xiàng)性能都會出現(xiàn)劣化.混凝土的劈裂抗拉性能作為力學(xué)性能中的一個重要指標(biāo)，對混凝土的抗開裂能力和耐久性能有較大影響，各國學(xué)者對常溫及高溫后混凝土的劈裂抗拉性能進(jìn)行了不少研究，取得了一定的進(jìn)展[1-5].

隨著材料復(fù)合化趨勢的進(jìn)一步發(fā)展，在混凝土中添加其它材料成為人們研究的熱點(diǎn).納米材料憑借其諸多優(yōu)勢，在混凝土中的應(yīng)用逐漸增多.納米材料尺寸為納米級別，具有許多特殊性能，如量子效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等.由于混凝土水化產(chǎn)物的尺寸基本也在納米級別，將納米材料加入混凝土中以改善混凝土的性能成為不少學(xué)者研究的重點(diǎn).李固華[6]、高丹盈[7]通過試驗(yàn)和微觀檢測手段研究了納米碳酸鈣(NC)對混凝土性能的影響，結(jié)果表明一定量NC 的添加可以提高混凝土的抗壓、劈裂抗拉等強(qiáng)度.周艷華[8]的研究表明，NC在一定摻量范圍內(nèi)時(shí)，對混凝土的早期強(qiáng)度，尤其是早期劈裂抗拉強(qiáng)度有較大的改善作用.錢匡亮，張津踐，錢曉倩，等[9]通過對不同NC 摻量的水泥基材料性能的研究發(fā)現(xiàn)，NC 降低了孔隙率，并使得微觀結(jié)構(gòu)得到改善，水泥漿體的強(qiáng)度也得到提高.CamilettiJ，SolimanAM，NehdiM L[10]的研究表明，NC填充了混凝土的部分孔隙和空隙，提高了密實(shí)度.

目前的研究多集中在常溫情況下，對NC混凝土高溫后劈裂抗拉性能方面的研究開展得不多.本文對不同NC摻量的混凝土進(jìn)行了高溫后的劈裂抗拉試驗(yàn)，研究了高溫后NC 混凝土的劈裂抗拉性能隨溫度、NC摻量及冷卻方式的變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料及配合比

水泥：普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級42.5；細(xì)骨料：潔凈的河砂，細(xì)度模數(shù)2.61，中砂；粗骨料：5～16mm級配良好的碎石；水：可飲用的潔凈自來水；減水劑：粉狀聚羧酸減水劑，減水率大于20%；NC：粒徑50 nm，含量大于98.5%.

按膠凝材料總量的0%、0.5%、1%、1.5%、2%和3%(編號依次為NC0、NC05、NC10、NC15、NC20和NC30)將NC 等量替代水泥配制NC 混凝土.NC混凝土配合比見表1.

表1 NC混凝土配合比 (單位：kg/m3)

1.2 試塊制備

劈裂抗拉試驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm的立方體試塊，考慮不同的NC 摻量(0%、0.5%、1%、1.5%、2%和3%)、不同的受熱溫度(20℃、200℃、400℃、600℃和800℃)及不同的冷卻方式(自然冷卻、噴水冷卻)，制作54組，每組3塊，共計(jì)162塊混凝土試塊，于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d取出，在室內(nèi)干燥環(huán)境中靜置7d自然晾干后進(jìn)行高溫試驗(yàn).

1.3 試驗(yàn)方法及裝置

采用中國礦業(yè)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與材料實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的GWD-02A 型電爐對混凝土試塊進(jìn)行加熱，電爐輸出功率18kW，最高加熱溫度1100℃，并通過溫度控制箱進(jìn)行升溫、恒溫控制，如圖1所示.加熱時(shí)升溫速率為5℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫3h，然后分別對試塊進(jìn)行自然冷卻和噴水冷卻.試塊冷卻完畢，在室內(nèi)靜置兩周后進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn).采用YAW-3000型電液伺服機(jī)進(jìn)行加載，加載速率為0.5kN/s.

圖1 加熱設(shè)備

2 高溫現(xiàn)象

2.1 試塊表觀特征

混凝土經(jīng)歷高溫后，外觀特征如顏色、疏松程度等會發(fā)生變化，可以通過外觀觀察初步判斷其損傷程度.隨著受熱溫度的升高，混凝土表面顏色發(fā)生變化，裂縫逐漸增多、變粗，甚至貫通，試塊掉角現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)，疏松程度逐漸加劇.但不同NC 摻量混凝土高溫自然冷卻后試塊外觀特征變化情況差別不大，以NC05為例，自然冷卻12h后表觀特征詳見圖2、圖3和表2.所有混凝土試塊在高溫過程中均無爆裂現(xiàn)象發(fā)生.

圖2 不同溫度后NC05混凝土試塊顏色變化

圖3 高溫后NC05混凝土試塊裂縫圖

表2 試塊外觀特征總覽

經(jīng)歷800℃，采用自然冷卻方式的混凝土試塊在室內(nèi)靜置兩周后多數(shù)自行發(fā)生嚴(yán)重膨脹剝落現(xiàn)象(如圖4(a)所示)；采用噴水冷卻方式的試塊多數(shù)出現(xiàn)表層剝落、骨料外露等情況，表面變得凸凹不平(如圖4(b)所示).這兩種情況下由于試塊受損嚴(yán)重，影響試驗(yàn)精度，對其劈裂抗拉強(qiáng)度不做測試.

圖4 800℃后試塊表觀變化

2.2 質(zhì)量損失率

混凝土在高溫受熱過程中質(zhì)量會出現(xiàn)損失，采用如下方法計(jì)算混凝土的質(zhì)量損失率：

式中：mi為混凝土高溫前的初始質(zhì)量；mn為混凝土高溫后的質(zhì)量；Δm為質(zhì)量損失率.

不同溫度后各NC 摻量混凝土的質(zhì)量損失率如圖5所示.從圖5可以看出，20℃～200℃時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失幅度最大，質(zhì)量損失率在3.05% ～3.75%之間，這主要是由混凝土中自由水分的蒸發(fā)引起的[11]；200℃～400℃時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失幅度略有降低，質(zhì)量損失率在4.84%～6.72%之間，在此溫度段混凝土中的其它水分(膠凝水、結(jié)合水)繼續(xù)散失[11]；400℃～600℃時(shí)，由于混凝土內(nèi)水分基本蒸發(fā)完畢，而混凝土材料尚未大量分解[12]，其質(zhì)量損失幅度最低，質(zhì)量損失率在6.84% ～7.91% 之間；600℃～800℃時(shí)，混凝土材料逐漸開始分解，導(dǎo)致其質(zhì)量損失幅度又有較大程度的提高[13]，質(zhì)量損失率在8.80%～9.88%之間.由此可見，各NC 摻量混凝土的質(zhì)量損失均隨溫度的增加而增加.

圖5 高溫后NC混凝土質(zhì)量損失率

3 結(jié)果分析

高溫后NC 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 NC混凝土高溫后劈裂抗拉強(qiáng)度 (單位：MPa)

3.1 溫度對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖6為NC 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度升高的變化曲線.由圖6可以看出，兩種冷卻方式后，NC 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨溫度的升高出現(xiàn)不同程度的降低，且溫度越高，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降越多.溫度低于400℃時(shí)，混凝土內(nèi)部的各種水分逐漸散失，混凝土質(zhì)量出現(xiàn)一定程度的損失，造成混凝土孔隙率增大，內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降；400℃以后，混凝土內(nèi)部水分幾乎喪失殆盡，水化產(chǎn)物逐步分解，內(nèi)部裂隙進(jìn)一步加大，大量裂縫隨之出現(xiàn)甚至貫通，混凝土出現(xiàn)明顯的損傷特征，劈裂抗拉強(qiáng)度顯著下降.

圖6 NC混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度變化曲線

3.2 NC摻量對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖7為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與NC 摻量之間的關(guān)系.由圖7 可以看出，溫度相同時(shí)，兩種冷卻方式后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度基本上隨NC 摻量的增加先升高而后降低.

圖7 NC摻量與混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系

不同NC 摻量的混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與未摻加NC的混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，在相同條件下的對比情況見表4.

表4 不同NC摻量混凝土與NC0劈裂抗拉強(qiáng)度的對比(%)

由表4數(shù)據(jù)可知，混凝土中NC摻量為0.5%時(shí)，相同溫度及冷卻方式后，其劈裂抗拉強(qiáng)度均較未摻加NC的混凝土有所提高，且相較于其它NC 摻量的混凝土，其對劈裂抗拉強(qiáng)度的提高幅度最大.結(jié)合圖7及表4可知，兩種冷卻方式下，混凝土中NC 的適宜摻量均為0.5%.

已有的微觀研究成果表明[14-18]：混凝土中加入適量NC后，NC填充于水泥石內(nèi)部的孔隙中，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土的基體組織更加致密，提高了混凝土的密實(shí)度，同時(shí)NC 也參與了水化反應(yīng)，與水化產(chǎn)物水化硅酸鈣鍵合，形成了更加緊密的結(jié)構(gòu).但若摻量過多，NC 分散難度增大，分散效果不佳，同時(shí)由于水泥用量減少，反而影響了混凝土強(qiáng)度的提高.

3.3 冷卻方式對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

NC混凝土經(jīng)歷高溫后，不同的冷卻方式對其劈裂抗拉性能會產(chǎn)生不同的影響.以NC05為例，自然冷卻和噴水冷卻后劈裂抗拉強(qiáng)度的對比如圖8所示.

圖8 不同冷卻方式后NC05混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度對比

由圖8可以看出，200℃、400℃和600℃后，NC05混凝土噴水冷卻后的劈裂抗拉強(qiáng)度分別較自然冷卻后的劈裂抗拉強(qiáng)度提高12.7%、15.0%和69.9%.由此可見，高溫采用噴水冷卻方式并靜置一段時(shí)間后(兩周)，NC混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度多數(shù)有一定程度的提高，且受熱溫度越高(400℃以上)，噴水冷卻后混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較自然冷卻提高幅度越大.之所以出現(xiàn)這種情況，主要原因是：400℃以上時(shí)，混凝土中的結(jié)晶水等逐漸喪失，水化產(chǎn)物也開始分解，使得自然冷卻后混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度降低.但采用噴水冷卻方式的混凝土由于水分的進(jìn)入，為混凝土的再次水化提供了條件，混凝土內(nèi)部可能重新生成新的水化產(chǎn)物，強(qiáng)度得到一定程度的恢復(fù).同時(shí)，溫度越高，混凝土水化產(chǎn)物分解的比例越高，自然冷卻后混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度就越低，而噴水冷卻后由于水化過程的再次出現(xiàn)，使得混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的恢復(fù)程度越高.