火災(zāi)高溫對(duì)混凝土殘余強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響

宋寶峰,李和玉,張淑芬,王保權(quán)

(1.遼東學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,丹東 118003；2.黑龍江林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，牡丹江 157011)

0 引 言

在建筑工程中，火災(zāi)是造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的重大災(zāi)害之一，也是嚴(yán)重影響建筑工程使用壽命的因素[1]?；馂?zāi)的熱膨脹效應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的損傷，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固需要耗費(fèi)巨大的人力、物力[2]。隨著我國(guó)建筑工程建設(shè)要求的提高,對(duì)于混凝土在極端環(huán)境下的變化特征研究具有重要意義。為了減輕建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫作用下的損傷程度，應(yīng)大力推廣耐火性良好的高性能混凝土材料[3-6]?；炷两Y(jié)構(gòu)的物理、力學(xué)特性對(duì)建筑安全運(yùn)營(yíng)具有十分重要的作用，作為建筑結(jié)構(gòu)的主要材料之一，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中遭受了明顯的破壞，火災(zāi)后的殘余強(qiáng)度也發(fā)生了明顯的弱化。因此，在設(shè)計(jì)具有高耐火性能的混凝土?xí)r，須對(duì)混凝土的殘余強(qiáng)度性能與微觀結(jié)構(gòu)的損傷特性有清晰認(rèn)識(shí)。

由于火災(zāi)高溫環(huán)境的影響，混凝土材料內(nèi)部的水泥水化物與骨料均可能出現(xiàn)熱裂解現(xiàn)象。因此對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中的變異性開(kāi)展試驗(yàn)研究，是深入認(rèn)識(shí)耐火性混凝土力學(xué)特性、滲透性、穩(wěn)定性和耐久性的基礎(chǔ),也是預(yù)測(cè)混凝土宏觀物理力學(xué)行為的重要參考[7]。隨著材料微結(jié)構(gòu)分析與測(cè)試方法的發(fā)展,混凝土內(nèi)部特點(diǎn)的研究已經(jīng)成為了熱點(diǎn)[8]。由于骨料的不均勻分布、碎石形狀不規(guī)則以及水泥水化物的界面效應(yīng)等因素,其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以用常規(guī)測(cè)試手段對(duì)孔隙特征開(kāi)展分析。而X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描即CT掃描技術(shù)，作為一種無(wú)損檢測(cè)方法,在混凝土材料的微觀探測(cè)中已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用[9-11]。CT掃描技術(shù)可以在對(duì)多孔材料的微結(jié)構(gòu)無(wú)損傷的前提下直接獲取其內(nèi)部空間的孔隙特征。粉煤灰混凝土作為一種多孔介質(zhì)，宏觀力學(xué)特性本質(zhì)上取決于其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的幾何形狀檢測(cè)[12]。這項(xiàng)技術(shù)非常適合于混凝土孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)。三軸壓縮試驗(yàn)是研究混凝土強(qiáng)度特征的一種重要手段,利用混凝土試件的三軸壓縮試驗(yàn)可以測(cè)試不同固結(jié)圍壓作用下的材料抗壓強(qiáng)度指標(biāo)[13]。

本研究以粉煤灰混凝土試樣為對(duì)象,利用混凝土三軸壓縮試驗(yàn)和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)來(lái)獲取混凝土的殘余強(qiáng)度和孔隙分布的量化指標(biāo),同時(shí)分析了不同熱破裂高溫作用下粉煤灰混凝土的孔隙發(fā)育特征對(duì)殘余強(qiáng)度影響的機(jī)理,旨在為深入認(rèn)識(shí)混凝土火災(zāi)后的殘余強(qiáng)度特點(diǎn)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試 樣

圖1 粉煤灰混凝土試樣Fig.1 Photo of fly ash concrete sample

試驗(yàn)所用的噴射混凝土材料由級(jí)配碎石(5～20 mm)、尾礦砂(細(xì)度模數(shù) 3.4)、P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥、粉煤灰(三種粒級(jí))、減水劑(BX-849萘系)以及實(shí)驗(yàn)室的自來(lái)水組成。實(shí)驗(yàn)采用的外摻料為發(fā)電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)一定比例拌和完成的漿料進(jìn)行28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，最后得到粉煤灰改性混凝土試樣?；炷翗悠返谋碛^如圖1所示。根據(jù)測(cè)試要求進(jìn)行試件的制備，將試樣加工成直徑50 mm，高度100 mm的圓柱樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，另外，進(jìn)行CT掃描的混凝土試樣被切磨成直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。

本試驗(yàn)對(duì)三種不同溫度作用后的粉煤灰混凝土試樣進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)和強(qiáng)度測(cè)試。將制備完成的混凝土試樣放置在美國(guó)莫帝斯公司生產(chǎn)的NBS型燃?xì)馊紵隣t中進(jìn)行高溫裂解，分別設(shè)置熱破裂溫度為200 ℃、500 ℃和800 ℃。該燃燒爐升溫速率快，隔熱能力好，爐體內(nèi)部空間達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工作溫度時(shí)可保證試件受熱溫度恒定。本研究對(duì)粉煤灰混凝土試樣進(jìn)行高溫裂解試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為60 min。

1.2 三軸壓縮試驗(yàn)

采用應(yīng)變控制式巖石三軸壓力機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)不同熱破裂高溫作用后的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件開(kāi)展壓縮試驗(yàn)，巖石試樣的圍壓分別設(shè)為5 MPa、10 MPa、15 MPa和20 MPa，根據(jù)三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定混凝土在加熱后的殘余強(qiáng)度。試驗(yàn)中先將混凝土圓柱試樣安裝在壓力室內(nèi)；然后施加圍壓，控制加壓速率保持0.05 MPa/s，直到圍壓值保持穩(wěn)定；最后，施加軸向壓力對(duì)試樣進(jìn)行壓縮，軸向變形速率設(shè)置為0.001 mm/min。

1.3 CT掃描試驗(yàn)

利用德國(guó)Springman公司生產(chǎn)的高精度微米CT掃描儀進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，儀器如圖2所示。試驗(yàn)中掃描儀的電壓為140 kV，電流為330 mA，掃描的精度約為0.03 mm。采用計(jì)算機(jī)中的自動(dòng)分割閾值法對(duì)圖像的灰度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照多值化的特征進(jìn)行圖像分割。

圖2 混凝土的CT掃描系統(tǒng)Fig.2 CT scanning system of concrete

2 結(jié)果與討論

2.1 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

利用混凝土的三軸壓縮試驗(yàn)分析3種不同熱破裂高溫作用下的粉煤灰混凝土的殘余強(qiáng)度特征。由圖3可以看出，在不同圍壓下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的總體變化趨勢(shì)較為相似，圍壓越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段斜率越高，說(shuō)明圍壓增加提高了材料的彈性模量[14]。而當(dāng)圍壓大于15 MPa后，彈性模量的變化不再明顯，表明圍壓過(guò)大使得混凝土內(nèi)部的原生缺陷發(fā)生閉合。根據(jù)峰值殘余應(yīng)力的分布情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)三軸壓縮試驗(yàn)的固結(jié)圍壓相同時(shí)，20 ℃、200 ℃、500 ℃和800 ℃溫度下的粉煤灰混凝土的殘余強(qiáng)度有明顯差異。總體上，熱破裂溫度越高，混凝土的殘余強(qiáng)度值越低。根據(jù)徐明等[15]對(duì)混凝土力學(xué)特性衰減機(jī)理的分析，在200 ℃溫度下，混凝土的強(qiáng)度衰減主要是內(nèi)部結(jié)合水發(fā)生蒸發(fā)使得孔隙發(fā)生膨脹引起的；當(dāng)環(huán)境溫度上升到500 ℃后，水泥硬化物的分解作用降低了砂漿硬化物的粘結(jié)力；當(dāng)溫度升至800 ℃后，骨料中的結(jié)合水蒸發(fā)，水泥硬化物進(jìn)一步分解，導(dǎo)致砂漿結(jié)合面明顯損傷，強(qiáng)度因此迅速下降。

圖3 粉煤灰混凝土試樣的三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Triaxial stress-strain curves of fly ash concrete sample

圖4 粉煤灰混凝土試樣的殘余強(qiáng)度與固結(jié)圍壓的關(guān)系Fig.4 Peak stress-confining pressure curves of fly ash concrete sample

對(duì)于同一熱破裂溫度作用下的粉煤灰混凝土試樣，殘余強(qiáng)度τ與固結(jié)圍壓值存在良好的線性關(guān)系。如圖4所示，三軸殘余強(qiáng)度τ與圍壓σn之間線性關(guān)系的擬合相關(guān)系數(shù)超過(guò)了0.98。固結(jié)圍壓對(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響說(shuō)明應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度有密切的關(guān)系，隨著圍壓的增加，粉煤灰混凝土試件彈性模量逐漸增大，故峰值應(yīng)力呈線性上升的變化趨勢(shì)[16]。

2.2 CT掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 圖像結(jié)果

由于混凝土內(nèi)部組成成分的密度差異顯著，反映在CT掃描圖像中的孔隙和固體物質(zhì)可通過(guò)各自的灰度值進(jìn)行識(shí)別[17]。低灰度值的區(qū)域表示孔隙(黑色)，高灰度值的區(qū)域表示高密度的碎石骨料(灰白色)，中等灰度值的區(qū)域表示水泥、粉煤灰和砂組成的硬化物(深灰色)。如圖5所示，混凝土試件內(nèi)部的孔隙分布特點(diǎn)隨溫度升高出現(xiàn)了顯著的變化。圖像中黑色區(qū)域?yàn)榭紫?，可以看出?00 ℃作用下的混凝土孔隙的體積和連通程度均比較小，未出現(xiàn)明顯的裂隙拓展現(xiàn)象；在500 ℃作用下的混凝土孔隙形狀為條形裂隙，具體形態(tài)較為復(fù)雜，孔隙的數(shù)量明顯增加；在800 ℃高溫作用下，混凝土的裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步連通和擴(kuò)展，裂隙的總體積明顯擴(kuò)大。

圖5 不同溫度作用下混凝土的CT掃描二維圖像Fig.5 Two-dimensional CT scanning images of concrete under different temperatures

2.2.2 孔隙分布特征

通過(guò)圖像分析軟件對(duì)所得到的混凝土CT掃描圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，并統(tǒng)計(jì)混凝土試樣中孔隙的像素?cái)?shù)量，以此計(jì)算孔隙的數(shù)量和對(duì)應(yīng)的體積，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。以混凝土中孔隙的體積為依據(jù)區(qū)分微孔隙和微裂隙，當(dāng)樣品的體積v≥20 mm3時(shí)，該孔隙為微裂隙，反之則為微孔隙。由CT掃描數(shù)據(jù)的灰度統(tǒng)計(jì)分析得到不同粉煤灰混凝土樣品的孔隙數(shù)量及其體積，結(jié)果如圖6(a)所示,可以看出微孔隙的數(shù)量先增加后減少，500 ℃時(shí)微孔隙數(shù)量最多，微裂隙的數(shù)量始終呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增速不斷加快。經(jīng)過(guò)800 ℃高溫作用后，微孔隙的數(shù)量上升幅度為18.8%左右，而微裂隙的上升幅度為350%。因此，初始狀態(tài)的粉煤灰混凝土內(nèi)部的裂隙數(shù)量較少，高溫作用使混凝土產(chǎn)生大量的新生微裂隙。從圖6(b)中可以發(fā)現(xiàn),隨著試樣受熱作用溫度的增加，孔隙總體積及單位質(zhì)量孔隙體積均明顯增加，并且500～800 ℃之間的孔隙體積增加最顯著。綜上所述，由CT掃描實(shí)驗(yàn)得到了孔隙分布的定量化指標(biāo)，可知高溫?zé)嵝?yīng)對(duì)粉煤灰混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)育程度有明顯的影響，微結(jié)構(gòu)的損傷隨著作用溫度的提高而逐漸累積。

表1 CT 掃描結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics data of sandstone in CT tests

圖6 孔隙分布的定量化結(jié)果直方圖Fig.6 Histogram of quantitative results of pore distribution

2.3 殘余強(qiáng)度與孔隙體積的關(guān)系

通過(guò)不同熱破裂溫度作用后三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果和CT掃描試驗(yàn)的量化指標(biāo)來(lái)建立混凝土宏觀破壞效應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)損傷的聯(lián)系。以試樣的總孔隙體積表征混凝土孔隙發(fā)育程度，殘余強(qiáng)度與孔隙體積的關(guān)系曲線如圖7所示，從圖中可以看出隨著混凝土孔隙體積的上升，不同固結(jié)圍壓下的殘余強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)，且可以采用線性方程進(jìn)行擬合。

圖7 殘余強(qiáng)度與孔隙體積的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between residual strength and pore volume

從前面的分析可知粉煤灰混凝土殘余強(qiáng)度與熱破裂溫度有明顯的關(guān)系，溫度越大，殘余強(qiáng)度相對(duì)越低。根據(jù)殘余強(qiáng)度與孔隙體積之間的線性關(guān)系可以推斷，混凝土力學(xué)性質(zhì)的高溫弱化效應(yīng)本質(zhì)上是由材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變異引起的[18]。從CT掃描結(jié)果來(lái)看，800 ℃溫度作用下的混凝土內(nèi)部孔隙體積最大，微裂隙數(shù)量最多，說(shuō)明孔隙的發(fā)育程度最高，結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重?？紫栋l(fā)育程度的增加降低了混凝土骨料間的密實(shí)程度，影響了在壓縮過(guò)程中骨料之間膠結(jié)強(qiáng)度的發(fā)揮，使得粉煤灰混凝土試樣的整體抵抗壓能力下降。處于相同圍壓下粉煤灰混凝土在試驗(yàn)中受到的熱破裂溫度越小，混凝土水泥水化物的排列越密實(shí)，顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度損失越小，則混凝土試樣的殘余強(qiáng)度越大。

根據(jù)CT圖像的顯示表明粉煤灰混凝土試件初始狀態(tài)較為密實(shí)，孔、裂隙不發(fā)育；隨著加熱溫度的升高，裂隙網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，結(jié)構(gòu)損傷愈發(fā)明顯，此現(xiàn)象與陳薇等[19]的研究具有類似規(guī)律。微結(jié)構(gòu)的損傷是力學(xué)性能衰變的本質(zhì)原因，隨著混凝土密實(shí)度的降低和膠結(jié)強(qiáng)度的損失，其彈性模量有所減小，使得混凝土抵抗外荷載作用的性能降低。因此，粉煤灰混凝土試件在不同固結(jié)圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度與孔隙體積呈線性關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1)由三軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土的力學(xué)性能在高溫裂解作用中具有明顯的劣化效應(yīng)，隨著熱裂解溫度的上升，混凝土試件的殘余強(qiáng)度明顯降低。同時(shí)，在相同火災(zāi)溫度下，殘余強(qiáng)度隨圍壓增大呈線性上升趨勢(shì)。

(2)由X射線CT掃描獲得不同溫度的高溫裂解作用后的粉煤灰混凝土二維截面圖像，觀察到混凝土的裂隙發(fā)育程度在高溫作用過(guò)程中逐漸累積，經(jīng)過(guò)孔隙分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土孔隙體積隨著溫度升高而迅速增加，且在500～800 ℃之間的孔隙體積增長(zhǎng)幅度最顯著。

(3)通過(guò)對(duì)不同熱破裂溫度下粉煤灰混凝土的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與CT掃描結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的上升，粉煤灰混凝土殘余強(qiáng)度的劣化效應(yīng)與內(nèi)部孔隙體積的增大是同步變化的。