火災環(huán)境下橋梁混凝土動、靜彈性模量試驗研究

申雁鵬

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 橋梁工程防災減災山西省重點實驗室 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006)

0 引言

既有橋梁災害報道中，火災越來越多，已成為發(fā)生概率較大、損失最嚴重的災害之一[1]。不僅導致橋梁結(jié)構(gòu)自身破壞，同時危及正常交通運營[2-3]?；馂暮笕绾螌蛄焊黜椫笜俗龀鲅杆贉蚀_的評定，是災后維修加固的主要依據(jù)。彈性模量作為材料性能計算的重要指標，反映了應力與產(chǎn)生應變間的關系，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)截面的剛度，是與結(jié)構(gòu)撓度變形相關的重要指標，也是研究裂縫開展和溫度應力必要的參數(shù)之一。因此，需探究火災環(huán)境下橋梁混凝土彈性模量，為工程應用提供參考。

國、內(nèi)外學者開展了相關研究工作，李偉[4]等開展了卵石混凝土長期彈性模量無損測試試驗研究。孫叢濤[5]研究了混凝土動彈性模量與超聲聲速及抗壓強度的關系。楊成學[6]等開展了沖擊回波現(xiàn)場測試混凝土動彈性模量的研究。郭學兵[7]開展了常溫狀態(tài)下彈性荷載對砼動彈性模量測試影響試驗。呂毅剛[8]等開展了臨海環(huán)境下砼長期彈性模量試驗。

目前，國、內(nèi)外對橋梁混凝土動、靜彈性模量的研究側(cè)重于常溫下或其他條件(臨海環(huán)境)下的研究，沒有考慮火災環(huán)境下橋梁混凝土形態(tài)、彈性模量數(shù)值及其比值的變化規(guī)律。以8組不同溫度等級下C50混凝土試塊為對象，通過高溫火損試驗對各溫度等級下混凝土試塊動彈性模量、靜彈性模量進行研究，并構(gòu)建了數(shù)值關系模型。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為實施火災環(huán)境下橋梁混凝土動、靜彈性模量試驗，制備了一批強度等級為C50的棱柱體試件，試件長×寬×高分別采用150 mm×150 mm×300 mm，試件采用威頓P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥、粗骨料采用粒徑為5～20 mm的連續(xù)級配的碎石、山西尉通砂場II區(qū)中砂、自來水和TL-AH-A型減水劑，試件成型后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d?；炷僚浜媳纫姳?。

1.2 試件高溫試驗

① 試驗目的：對試件完全燒蝕基礎上，獲取混凝土彈性模量與過火溫度的定量關系。

表1 混凝土配合比Table1 Concreteproportioning(kg/m3)水泥砂粗骨料不同粒徑/mm9.50～19.04.75～9.50水減水劑4847208292071605.81

② 燒蝕試驗最高溫度：當混凝土過火溫度達800 ℃及以上時，損傷嚴重，性能極差，本次試驗方案設定最高溫度為700 ℃。

③ 溫度控制制度：試件中心溫度與表面溫度達到指定溫度，來控制某次試驗。當溫度達標后，恒溫1 h，保證試塊內(nèi)外燒透。

1.3 試驗方法

a.溫升曲線：根據(jù)對國內(nèi)外橋梁火災事故調(diào)研，運營橋梁火災事故以燃油車輛意外自燃、爆炸為主，因此試驗采用HCinc溫升曲線。其計算公式為：

(1)

式中:T0為初始溫度，通常取20 ℃；t為火災的持續(xù)時間；T為t時刻空氣中的平均溫度。

b.靜彈性模量測試：按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)測試。

c.動彈性模量測試：動彈性模量測試方法采用振動法。通過激發(fā)混凝土試件中的彈性波，用彈性波波速來計算混凝土的參數(shù)。彈性波的各種波中，P波速度最快，在混凝土構(gòu)件中，p波波速采用下式計算：

(2)

其中，Ed為材料的動彈性模量；ρ為密度；μ為泊松比。

當傳播物為樁、立柱等細長物體，P波波速為一維波速，波速與結(jié)構(gòu)參數(shù)存在函數(shù)關系如式(3)所示。

(3)

根據(jù)式(3)，激發(fā)了一維波速，通過測量波速和被測物的密度，即可得到動彈性模量。P波波速的測試可以采用透過法，也可用重復反射法(及沖擊回波法)[9]，本文采用沖擊回波單面反射法測試。

1.4 試驗主要儀器設備

電阻爐：浙江省興化市雙獅電熱電器有限公司生產(chǎn)的SX28-12箱式電阻爐。

萬能試驗機：美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司的YAW7506、SHT4605-G微機控制電液伺服萬能試驗機。

沖擊彈性波檢測儀器：混凝土多功能無損測試儀。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件形態(tài)特征變化

高溫后的試件，顏色、裂縫發(fā)展、錘激聲響及角隅剝落現(xiàn)象均有明顯變化，不同溫度等級試塊形態(tài)特征變化如圖1所示。

圖1 試件形態(tài)特征

由圖1可知：

① 20 ℃～100 ℃時，試塊呈深灰色，表面有原生孔洞，無裂縫；② 200 ℃～300 ℃時，試塊表面顏色泛白，錘擊聲音較沉悶，表面無裂隙產(chǎn)生。③ 400 ℃時裂縫開始出現(xiàn)，同時部分表面顏色出現(xiàn)淺粉紅色；④ 500 ℃和600 ℃時，微裂紋不斷發(fā)展，裂縫數(shù)量增多，表面顏色變?yōu)闇\黃色，試件輕磕或小錘輕敲，有疏松感，不再呈密實狀；⑤ 經(jīng)過700 ℃高溫后，試塊表面呈淺白色，裂縫持續(xù)發(fā)展，寬度逐漸增加，錘擊聲音為空響，角隅部位有混凝土剝落現(xiàn)象。

2.2 動、靜彈性模量差異性分析

通過高溫火損試驗，得到不同溫度等級下動、靜彈性模量數(shù)值關系曲線，如圖2所示。

由圖2可知：

a.相同溫度等級下，試件動、靜彈性模量呈現(xiàn)一一對應關系，即靜彈性模量大，動彈性模量也大(個別存在差異性)。主要由于材質(zhì)彈性模量取決于組成骨料性質(zhì)和比例，骨料的類型和粒徑直接影響動、靜彈性模量測試結(jié)果，骨料占比越大，粒徑越大，試件強度越高，靜壓法測的靜彈模越高；沖擊彈性波通過混凝土試件后，聲速越大，利用聲速求得動彈模也較高。工程中常見的是預制箱梁腹板上部及中部較腹板底部動、靜彈性模量大，主要原因是施工振搗時，骨料下沉至箱梁腹板底部。

b.隨著溫度等級的升高，動、靜彈性模量呈現(xiàn)減小特征，但數(shù)值上仍有較大差異。由圖2可得20 ℃下，兩者均值差值為5.76 GPa，100 ℃下，均值差值為4.51 GPa。主要原因是混凝土是一種多組分多尺度多相固體的復合材料，多相固體中波速與相互結(jié)合材料的參數(shù)及波長有關，由于頻散現(xiàn)象的緣故，波速遠大于單相彈性固體的波速；同時，混凝土在澆筑時存在一些不密實的微小孔隙，影響到靜壓法中對靜彈性模量的測定，但彈性透射波能夠繞過這些孔隙繼續(xù)傳播。故測得的混凝土動、靜彈性模量有較大差異。工程實踐中對于鋼材等金屬材料，其材質(zhì)均勻，動、靜彈性模量基本一致，無較大差異存在。

圖2 不同溫度等級下試件動、靜彈性模量曲線圖

c.不相同溫度等級下，動、靜彈性模量兩者大小關系發(fā)生改變。

燒蝕溫度較低時(20 ℃～200 ℃)，不同溫度等級下試件靜彈性模量和動彈性模量變化趨勢相同，靜、動彈性模量單調(diào)降低，實測靜彈模均值由41.06 GPa降至25.72 GPa、實測動彈模均值由46.81 GPa降至29.59 GPa，兩者差值平均值逐漸減小。試塊動彈性模量始終大于靜彈性模量。

300 ℃左右時，動彈性模量和靜彈性模量的大小關系發(fā)生改變，動彈性模量不再始終大于靜彈性模量，兩者較接近(靜彈性模量均值為16.69 GPa、動彈性模量均值為16.59 GPa)，部分試塊靜彈性模量反超動彈性模量，出現(xiàn)靜彈性模量大于動彈性模量現(xiàn)象。

燒蝕溫度較高時(400 ℃～700 ℃)，靜彈性模量、動彈性模量單調(diào)降低，實測靜彈性模量均值由8.94 GPa降至2.90 GPa、實測動彈性模量均值由7.00 GPa下降至1.50 GPa，混凝土試件靜彈性模量全部大于動彈性模量。

主要原因為：溫度小于200 ℃時，試件內(nèi)自由水通過原生毛細孔蒸發(fā)，此時試件密實，P波傳播均勻；溫度達到約300 ℃時，部分物質(zhì)發(fā)生脫水、分解反應，化學結(jié)合水喪失，表面微裂縫尚未形成；500 ℃后，水化礦物脫水引起漿體收縮，形成大量孔洞，骨料持續(xù)膨脹，變形不協(xié)調(diào)使骨料與漿體界面產(chǎn)生內(nèi)應力，形成微裂縫，水分自微裂縫處遷移，微裂縫不斷發(fā)展，表面裂縫數(shù)量增多，試件內(nèi)部疏松劣化；700 ℃后，骨料中的碳酸鈣受熱分解[10]，隨著微裂縫的大量生成、發(fā)展及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏松劣化，導致P波在傳播過程中，波速減小，聲時增加，動彈性模量急速下降，出現(xiàn)動、靜彈性模量大小關系發(fā)生變化。

2.3 混凝土高溫后靜、動彈性模量比值分析關系

試驗過程中記錄不同試件同一溫度下靜、動彈模比值，結(jié)果見表2。

表2 不同溫度等級下靜、動彈性模量比值Table2 Ratioofstaticanddynamicelasticmodulusatdifferenttemperaturelevels溫度等級/℃不同試件個數(shù)(個)的模量比值12345678910均值 200.880.860.890.910.860.880.880.860.860.880.881000.880.890.860.900.830.860.900.910.930.970.892000.850.800.860.910.860.870.850.890.880.920.873000.911.000.961.021.020.930.931.211.031.191.024001.261.391.261.201.131.101.301.541.421.261.295001.381.511.431.351.411.751.711.301.221.441.456001.761.661.931.492.051.631.731.801.951.271.737002.082.451.721.701.872.121.741.641.882.331.95

由表2可知，高溫后試塊的彈性模量比值整體呈上升趨勢，經(jīng)受的溫度越高，增量越大。較低溫度下(<300 ℃)，兩者比值隨溫度升高變化不大，20 ℃、100 ℃、200 ℃其比值平均值為0.88、0.89、0.87。隨著溫度逐漸升高，比值增長幅度整體呈上升趨勢，700 ℃時兩者比值達1.95。基于最小二乘法，將各溫度等級下砼靜、動彈性模量比值與溫度擬合，見圖3。

圖3 彈性模量比值與溫度變化曲線圖

圖3中曲線采用Fourier模型擬合，擬合公式為式(4)：

f(x)=a0+a1×cos(x×w)+

b1×sin(x×w)

(4)

其中，a0=1.517；a1=-0.609；b1=-0.253 4；w=0.003 8。擬合曲線R2=0.995，擬合度極高。

在工程實踐中，動彈性模量Ed通常用于估算靜彈性模量Ec，兩者之間的經(jīng)驗式，比較典型的是Lydon和Balendran式[11]，即Ec=0.83Ed。該式僅適用于常溫或溫度較低(20 ℃～200 ℃)情況下的粗略估算，不適用于所有類型下的混凝土，尤其是本研究中較高溫度下的橋梁混凝土，對于高溫下的混凝土試件，建議采用文中Fourier模型擬合曲線。

3 結(jié)論

以火災環(huán)境下橋梁混凝土為背景，制作了8組不同溫度等級(20 ℃～700 ℃)C50混凝土棱柱體試塊進行火損試驗，研究其動、靜彈性模量，主要結(jié)論如下：

a.高溫后的試件，隨著溫度的逐漸升高，試件表面顏色由深灰色變?yōu)闇\白色、裂縫逐漸出現(xiàn)變寬、錘激聲響由沉悶變得空響。

b.相同溫度等級下，試件靜、動彈性模量呈現(xiàn)靜彈性模量大，動彈性模量也大的一一對應現(xiàn)象；隨著溫度等級的升高，動、靜彈性模量兩者都呈下降趨勢，但兩者數(shù)值上仍有較大差異。

c.不相同溫度等級下，動、靜彈性模量大小關系發(fā)生變化。燒蝕溫度較低時(20 ℃～200 ℃)，混凝土試塊動彈性模量始終大于靜彈性模量；燒蝕溫度達到300 ℃左右時，出現(xiàn)靜彈性模量大于動彈性模量；燒蝕溫度較高時(400 ℃～700 ℃)，靜彈性模量全部大于動彈性模量。

d.燒蝕試驗后混凝土試塊彈性模量比值整體呈上升趨勢，低溫狀態(tài)下(20 ℃～200 ℃)，Ec=0.83Ed較適用；高溫下的混凝土試件(≥300 ℃)，該式并不適用，建議采用Fourier模型擬合曲線。