火災(zāi)環(huán)境下熱-冷循環(huán)作用對混凝土性能的影響研究

蔣 敏，方萬軍

(1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，臺州，318000; 2.臺州市路橋區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，臺州，318000)

0 引言

近年來，隨著我國現(xiàn)代城市高層、超高層建筑物工程的快速發(fā)展，對于建筑物消防安全的要求也日益提高[1]?；馂?zāi)是一種十分嚴(yán)重的災(zāi)害，會導(dǎo)致建筑物在短時間內(nèi)達(dá)到幾百甚至上千攝氏度的高溫，其熱害作用對建筑材料造成不可恢復(fù)的損傷效應(yīng)，同時也給建筑物的承載性能和穩(wěn)定性帶來了重大的安全隱患[2,3]。混凝土是一種最常用的建筑結(jié)構(gòu)材料，其物理、力學(xué)特性對建筑物的安全性和耐久性有十分重要的作用[4]。由于火災(zāi)高溫的熱輻射損傷作用，混凝土中的硬化水泥砂漿會發(fā)生高溫裂解現(xiàn)象，造成強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性的劣化。對水泥砂漿結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)展過程中進(jìn)行動態(tài)分析是深入認(rèn)知混凝土宏觀特性的重要基礎(chǔ)[5]。

混凝土是一種多孔介質(zhì)材料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu),容易受高溫?zé)崤蛎涀饔玫挠绊?，從而在火?zāi)高溫的作用下產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)，嚴(yán)重地降低了相關(guān)結(jié)構(gòu)工程的穩(wěn)定性[6]。研究建筑混凝土力學(xué)行為受火災(zāi)熱-冷環(huán)境作用的影響規(guī)律，對于建筑的設(shè)計和施工有重要現(xiàn)實意義[7]。王薇等[8]在研究中發(fā)現(xiàn)隧道襯砌混凝土材料在高溫作用下，其砂漿結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的裂解，裂隙面迅速擴(kuò)展；張廣泰等[9]基于實驗分析了不同冷熱循環(huán)次數(shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度、滲透性能和質(zhì)量損失的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著冷熱循環(huán)次數(shù)增加，混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度不斷升高。何浪[10]將混凝土試樣分別置于不同溫度中進(jìn)行熱處理，開展強(qiáng)度實驗得到了不同溫度對混凝土力學(xué)性質(zhì)的劣化程度，并基于微觀結(jié)構(gòu)觀察分析了結(jié)構(gòu)損傷特點。以上研究結(jié)果說明高溫作用對混凝土的物理、力學(xué)性能均會造成顯著的損傷效應(yīng)[11,12]。

本文以混凝土材料為對象, 利用高溫燃燒爐進(jìn)行加熱處理，并對冷卻后的試件開展實驗研究。通過測量不同高溫作用次數(shù)下的試樣質(zhì)量與尺寸，定量地探討了混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度；通過開展無側(cè)限壓縮實驗對混凝土冷卻后的力學(xué)行為的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；最后進(jìn)行XRD衍射實驗和SEM掃描電子顯微鏡對混凝土的礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，文章旨在加深對火災(zāi)高溫對混凝土的損傷效應(yīng)的認(rèn)識。

1 實驗材料

1.1 實驗原材料

本實驗制備的混凝土試樣基本物料為粗、細(xì)骨料、水，硅酸鹽水泥和外加劑。其中，粗骨料為篩分后的碎石，粒徑范圍為5 mm～22.5 mm；細(xì)骨料為普通河砂，粒徑范圍為0.25 mm～5 mm，砂的粒徑相對較小，主要礦物成分為石英、黃鐵礦和鐵錳角閃石等。采用P.O. 42.5級普通硅酸鹽水泥制備混凝土樣品，水泥的比表面積為352.5 m2/kg。采用實驗室的自來水進(jìn)行拌合，拌合前在自來水中添加含量為1%的減水劑。

1.2 混凝土試樣的制備

制備混凝土的試樣時，先將碎石、河砂、硅酸鹽水泥按照表1所示的質(zhì)量比進(jìn)行干拌；再將減水劑含量為1%的水溶液導(dǎo)入裝有漿體的容器內(nèi)，按照水灰比為0.3將溶液倒入物料中，然后采用砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁蛔詈髮⑺嗌皾{倒入相應(yīng)的磨具中，在溫度(20±1)℃、相對濕度> 90%的恒溫箱中進(jìn)行2天的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后拆模，并在室溫條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28天，棱柱體試樣尺寸為300 mm×100 mm×100 mm。

表1 混凝土的物料配合比

1.3 高溫加熱實驗

采用溫度控制式燃燒爐進(jìn)行混凝土的高溫加熱實驗，該儀器由加熱泵、可程式伺服控制裝置，傳感器和報警閥等組成。實驗過程中，將混凝土樣品放入加熱箱后設(shè)置加熱的溫度和時間，升溫過程中監(jiān)測箱內(nèi)溫度，通過控制器調(diào)節(jié)加熱泵的工作功率實現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制。選取200 ℃～800 ℃的環(huán)境溫度進(jìn)行混凝土的高溫加熱處理，持續(xù)的加熱時間為60 min。混凝土試件經(jīng)過高溫處理后從加熱箱中取出，然后在20 ℃的室溫環(huán)境中冷卻2 h。對冷卻后的混凝土試樣進(jìn)行相應(yīng)實驗。

2 實驗結(jié)果

2.1 外觀和質(zhì)量損失測試結(jié)果

將混凝土的棱柱體試樣置于高溫燃燒爐進(jìn)行熱-冷循環(huán)處理，實驗完成后觀察混凝土試件的表觀變化。圖1清晰地顯示了混凝土試樣在經(jīng)過熱-冷后的表面形態(tài)的變化?；炷猎诔跏紶顟B(tài)下的表面平整光滑，未見尺寸較長的裂縫；進(jìn)行2次熱-冷循環(huán)處理后，試件表面光滑的水泥凝膠體大量剝落；經(jīng)過10次循環(huán)后，試件表面光滑的凝膠體基本上完全剝落，粗骨料基本裸露；在20次～60次熱-冷循環(huán)過程中，混凝土表面的損傷程度進(jìn)一步加深，試件的水泥凝膠體逐漸剝落和流失。

圖1 熱-冷處理后的混凝土試樣Fig. 1 Concrete samples after heat and cold treatments

為了定量分析混凝土結(jié)構(gòu)完整的變化,對不同火災(zāi)熱-冷循環(huán)后混凝土試件的體積、質(zhì)量和密度進(jìn)行實驗測定，并計算混凝土的質(zhì)量損失率(ηm)和密度損失率(ηρ)，公式如下:

(1)

(2)

式中：V0,m0和ρ0為未經(jīng)處理試樣的體積、質(zhì)量和密度；Va,ma和ρa是經(jīng)過熱-冷處理后混凝土試樣的體積、質(zhì)量和密度。

由公式(1)、公式(2)得到混凝土試件的質(zhì)量損失率(ηm)和密度損失率(ηρ)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示?？梢钥闯龌炷猎?次～2次熱-冷循環(huán)處理后的質(zhì)量損失率(ηm)和密度損失率(ηρ)在0次～2次熱-冷過程中的變化幅度最大，其中ηm由0上升至1.84%，ηρ由0上升至1.72%，即混凝土結(jié)構(gòu)完整性的損傷在前2次熱-冷循環(huán)過程中最顯著。經(jīng)過10次處理后，ηm與ηρ上升至2.11%和1.87%，上升速率明顯下降；在此后的10次～60次熱-冷循環(huán)過程中曲線的上升速率進(jìn)一步減小，ηm與ηρ的值趨于平穩(wěn)，經(jīng)過60次循環(huán)后的混凝土質(zhì)量損失率(ηm)和密度損失率(ηρ)分別為2.53%和2.02%。根據(jù)圖2還可以看出混凝土質(zhì)量損失率比密度損失率的值更大，這主要是因為在熱-冷循環(huán)過程中的試件體積也有相應(yīng)的減小。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)完整性指標(biāo)的變化曲線Fig. 2 Change curve of concrete structure integrity index

2.2 單軸壓縮實驗結(jié)果

實驗利用應(yīng)變控制式單軸加載系統(tǒng)對混凝土試樣開展力學(xué)測試，剪切加載速率設(shè)為0.02 MPa/s，實驗得到了從開始加載到試樣破壞階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出在單軸荷載的作用下，不同熱-冷循環(huán)次數(shù)的混凝土試樣均保持脆性破壞的變化特點，可將其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分為三個主要變形階段，分別為初始壓密、彈性變形和脆性破壞的變形階段。初始壓密階段：混凝土的應(yīng)力隨應(yīng)變增加而緩慢上升；彈性變形階段：混凝土應(yīng)力隨應(yīng)變增加基本呈線性上升；脆性破壞階段：混凝土的應(yīng)力隨應(yīng)變增加而劇烈下降，期間發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)性破壞。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of sample under different cycles

從圖3可以看出：混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在峰值點，峰值點縱坐標(biāo)對應(yīng)混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcus，fcus代表混凝土強(qiáng)度特性[13]；峰值點橫坐標(biāo)為峰值應(yīng)變εs(peak strian)，該值大小表征了材料的延性，即試件從屈服到最大承載能力未出現(xiàn)明顯降低期間的變形性能[14]。根據(jù)彈性變形階段的斜率可以得到混凝土的彈性模量E(elastic modulus)，E是衡量混凝土抵抗變形的能力[15]。本研究獲得了不同熱-冷循環(huán)過程中的混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship between cycles and mechanical index

從圖4可以看出隨著熱-冷循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試樣的強(qiáng)度指標(biāo)，即無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcus與彈性模量E逐漸衰減，衰減速率先快后慢，在0次～2次循環(huán)之間的下降幅度明顯比后期大，至40次循環(huán)后基本保持穩(wěn)定。該現(xiàn)象說明混凝土在熱-冷循環(huán)作用的前期過程中力學(xué)性質(zhì)損傷明顯比后期嚴(yán)重。而峰值應(yīng)變εs的變化趨勢與強(qiáng)度指標(biāo)正好相反，隨循環(huán)次數(shù)增加，彈性模量逐漸上升，且上升速率先快后慢。混凝土試件的峰值應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線與彈性模量-循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線幾乎呈反對稱分布。該現(xiàn)象說明混凝土試件的延性在熱-冷循環(huán)過程中逐漸增大，且循環(huán)前期的變化幅度明顯比后期顯著。

2.3 成分測定結(jié)果

對經(jīng)歷0次、10次、20次和60次熱-冷循環(huán)作用后的混凝土開展XRD衍射實驗，獲取隨熱-冷循環(huán)作用次數(shù)增加的水泥硬化物礦物成分特征，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)混凝土暴露于高溫?zé)岷Νh(huán)境中時，其礦物成分發(fā)生了明顯的變化。未經(jīng)高溫的混凝土材料的主要成分由水泥的水化產(chǎn)物，即Ca(OH)2、Ca4Al2O7·19H2O，以及碎石骨料與砂中的SiO2組成。經(jīng)過10次～60次熱-冷循環(huán)作用后，材料XRD圖譜中的Ca(OH)2含量逐漸降低，表明混凝土中的水泥凝膠體中的 Ca(OH)2在高溫作用下逐漸分解、消失[16]。

圖5 不同熱-冷循環(huán)次數(shù)材料的XRD衍射圖譜Fig. 5 XRD pattern of samples under different heating-cooling cycles

2.4 微觀結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

對不同熱-冷循環(huán)次數(shù)下的混凝土進(jìn)行SEM掃描電子顯微鏡實驗，以分析混凝土微觀結(jié)構(gòu)的變化形式，結(jié)果如圖6所示。圖6中標(biāo)記的字母A表示孔隙，F(xiàn)為裂隙，Q為碎石骨料。在800倍放大圖像中,可以看出未經(jīng)歷高溫作用的混凝土中砂漿硬化體的排列比較致密，碎石骨料被水泥砂漿完全包裹，試樣表面只有少量小孔隙和較短的裂隙分布(圖6(a))。經(jīng)過10次熱-冷循環(huán)的混凝土試樣孔隙的數(shù)量和尺寸有所增長，并觀測到有明顯的連通裂隙出現(xiàn)在試樣表面，但裂隙的寬度較小，連通程度也不高，且主要存在于水泥水化物中(圖6(b))；經(jīng)過20次熱-冷循環(huán)的混凝土試樣的裂隙進(jìn)一步連通、擴(kuò)大，部分水泥砂漿硬化體變得較為疏松，碎石骨料也觀察到有裂縫產(chǎn)生(圖6(c))；經(jīng)過60次循環(huán)后，混凝土內(nèi)部的裂隙尺寸的規(guī)模進(jìn)一步增大，骨料顆粒間以水泥水化物為主的膠結(jié)物明顯減少，砂漿結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎狀。

圖6 不同熱-冷循環(huán)次數(shù)試樣的SEM圖像Fig. 6 SEM images of samples under different heating-cooling cycles

根據(jù)SEM圖像顯示的結(jié)果，可以看出混凝土的微觀結(jié)構(gòu)損傷在熱-冷循環(huán)過程中不斷累積。究其原因，混凝土結(jié)構(gòu)微觀形貌的改變主要是：反復(fù)熱-冷作用使得水泥水化物受到熱膨脹作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中而逐漸分解，該物理反應(yīng)使得混凝土內(nèi)部留下了較大的連通裂隙通道[17]。同時，混凝土中的大量結(jié)合水也發(fā)生了蒸發(fā)、蒸騰作用，進(jìn)一步加快了水泥水化物的分解。由于反復(fù)多次的熱-冷循環(huán)作用，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度逐漸累積，在微觀上表現(xiàn)為裂隙的擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)的破碎化，在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的衰變與密度、質(zhì)量的下降。

3 結(jié)論

(1)通過測量不同熱-冷循環(huán)次數(shù)下試樣的質(zhì)量和密度損失率評價混凝土結(jié)構(gòu)完整性，發(fā)現(xiàn)由于水泥凝膠體逐漸剝落和流失，質(zhì)量和密度損失率指標(biāo)呈上升趨勢，且上升速率先快后慢。

(2)通過對不同熱-冷循環(huán)次數(shù)下的混凝土試樣開展單軸壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)在單軸荷載作用下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcus、彈性模量E隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸衰減，且衰減速率先快后慢；峰值應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的曲線逐漸上升，表明混凝土的延性隨循環(huán)次數(shù)增加而增大。

(3)在反復(fù)熱-冷循環(huán)過程中，XRD衍射圖譜測得混凝土中Ca(OH)2的含量明顯減少。由SEM實驗觀察到高溫?zé)岷ψ饔檬沟盟嗨锍霈F(xiàn)熱膨脹，混凝土中裂隙規(guī)模不斷擴(kuò)大。微觀結(jié)構(gòu)的損傷是導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)特性出現(xiàn)衰變現(xiàn)象的根本原因。