不同冷卻方式對(duì)混凝土的損傷破壞研究①

林乙玄

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，福建 南平353000)

0 引 言

在實(shí)際生活和工程中，混凝土往往會(huì)受到高溫的影響，高溫過(guò)后還會(huì)受到不同的冷卻方式，對(duì)混凝土的力學(xué)性能將會(huì)產(chǎn)生很大影響，比如樓層發(fā)生火災(zāi)，隧道起火等災(zāi)害，發(fā)生火災(zāi)后混凝土是否還能安全的繼續(xù)使用，是否影響它的基本性能是需要研究的重要內(nèi)容。宋寶峰等人對(duì)混凝土試件進(jìn)行不同高溫的加熱作用的研究，結(jié)果表明隨著加熱溫度增加，混凝土試樣的三軸試驗(yàn)峰值強(qiáng)度逐漸減小[1]；王統(tǒng)輝、江樹(shù)輝等人對(duì)不同冷卻方式、不同靜置時(shí)間下高溫混凝土物理性能變化的研究[2]；蔣春霞高溫下混凝土抗拉抗壓力學(xué)性能解析研究[3]；謝旺軍廣西地區(qū)高溫后混凝土軸壓性能試驗(yàn)研究[4]；馬菊榮沙漠砂混凝土高溫后抗折強(qiáng)度研究[5]；陳詩(shī)林對(duì)高溫對(duì)高爐礦渣混凝土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高而降低[6]。郭壽松[7]對(duì)含不同傾角裂隙的板狀砂巖試樣開(kāi)展單軸加載試驗(yàn)，揭示其破壞機(jī)制即隨著裂隙傾角的增加，破壞模式從劈裂破壞向剪切破壞過(guò)渡。吳昌桂[8]測(cè)試了混凝土試件高溫后的質(zhì)量損失率和單軸抗壓強(qiáng)度，分析了試件的受壓破壞過(guò)程和變形性能隨再生骨料取代率和試驗(yàn)溫度的變化規(guī)律。郝兵[9]等對(duì)“雙摻”礦物摻合料、預(yù)濕骨料降溫技術(shù)、使用超緩凝減水劑及對(duì)混凝土保溫養(yǎng)護(hù)等措施降低混凝土溫差以防止裂縫進(jìn)行了研究。李亮[10]等應(yīng)用分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson pressyre bar，SHPB)和電阻式高溫加熱爐開(kāi)展了高溫條件下混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓性能試驗(yàn)研究。獲得了混凝土試件在不同溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在各試驗(yàn)溫度下，混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的提高而提高；同一加載速度下，混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的升高大幅度降低。

以混凝土作為研究對(duì)象，利用高溫爐對(duì)混凝土進(jìn)行300°的高溫作用后，對(duì)其進(jìn)行不同的冷卻方式，一種是用25℃的水對(duì)試樣進(jìn)行冷卻，第二種是將試樣放置在空氣中進(jìn)行自然冷卻，然后再對(duì)經(jīng)過(guò)不同冷卻方式的試樣進(jìn)行單軸壓縮獲取其抗壓強(qiáng)度，在單軸壓縮試驗(yàn)中在試樣表面貼上聲發(fā)射探頭，利用聲發(fā)射探究破壞時(shí)混凝土內(nèi)部的活動(dòng)，并結(jié)合試樣表面破壞過(guò)程中的現(xiàn)象及應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對(duì)不同冷卻方式下的混凝土破壞過(guò)程有一個(gè)更加深入的了解，對(duì)發(fā)生火災(zāi)后的混凝土殘余強(qiáng)度具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的混凝土由細(xì)砂、普通基準(zhǔn)水泥和水按2∶1∶0.4的比例拌合而成，試件尺寸為高100mm，直徑50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，試樣的模具通過(guò)3d打印機(jī)打印制作而成，混凝土澆筑完后放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于28d，在試驗(yàn)之前全部對(duì)兩端利用磨平機(jī)進(jìn)行打磨，保證混凝土試樣兩端面的平行度和平整度滿足試驗(yàn)要求，養(yǎng)護(hù)完成后的混凝土試樣如圖1。

圖1 混凝土試樣

1.2 高溫過(guò)程

采用的高溫爐最高溫度為1000℃，該高溫爐升溫速率快，隔熱效果好。將養(yǎng)護(hù)好的圓柱混凝土試樣放入烘干箱內(nèi)，設(shè)置烘干溫度為105℃，烘干2h以確?；炷猎嚇觾?nèi)部水分完全蒸發(fā)。將烘干后的試樣取出放入高溫爐中進(jìn)行加熱，設(shè)定溫度300℃，加熱速率為18℃/min，加熱到300℃后保持設(shè)定溫度2h，以保證混凝土試樣內(nèi)部均勻受熱。加熱完成后將混凝土試樣取出，一組讓其放置在空氣中自然冷卻，一組立即將試樣放到事先準(zhǔn)備好的100L水中(25℃)，待混凝土完全冷卻后將混凝土從水中取出，放置在空氣中7h，保證試樣內(nèi)部完全冷卻。

2 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)采用DSZ-1000應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)具有 3 套獨(dú)立的閉環(huán)控制加載設(shè)備，(圖2)可分別控制軸壓、圍壓和剪切，系統(tǒng)所能施加的最大軸向力為 1000kN。試驗(yàn)過(guò)程采用位移加載控制，加載速率為0.05mm/min。在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)之前，先將試樣兩端用磨平機(jī)抹平，保證試樣兩端的平整和平行，在巖石試樣上下端面放置剛性墊塊，并在巖樣兩端涂抹凡士林以減小端部摩擦效應(yīng)。

圖2 儀器加載示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 不同冷卻方式下混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形分析

圖3為不同冷卻方式下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)參數(shù)變化特征，可以看出應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間存在明顯的差異，這說(shuō)明不同的冷卻方式對(duì)混凝土的力學(xué)行為影響較大。常溫下混凝土試樣在單軸壓縮下最早達(dá)到峰值應(yīng)變，其裂隙在壓密階段沒(méi)有產(chǎn)生，在彈性階段開(kāi)始產(chǎn)生較少的細(xì)小裂紋，在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)試樣表面產(chǎn)生了一條明顯肉眼可見(jiàn)的裂紋，并伴隨著試樣被壓壞時(shí)發(fā)出的劈裂聲，隨后應(yīng)變繼續(xù)增大，在增大過(guò)程中不斷有裂紋產(chǎn)生并且裂紋不斷擴(kuò)大，當(dāng)主裂紋從上到下貫穿時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線猛然下將，試樣徹底破壞。從圖中可以看出，空氣冷卻下的混凝土試樣的峰值應(yīng)力明顯大于常溫和水冷下的混凝土峰值應(yīng)力，這是由于在300℃高溫作用下，混凝土內(nèi)部的顆粒膨脹，使得原本存在于混凝土內(nèi)部的空隙和微裂紋閉合，提高了混凝土的承載能力，在單軸壓縮過(guò)程中試樣表現(xiàn)了明顯的脆性特征，在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)試樣發(fā)出一聲脆響，一條從上到下的貫穿裂紋突然產(chǎn)生，應(yīng)力隨即跌落。水冷作用下的混凝土試樣的峰值應(yīng)力略低于常溫下的峰值應(yīng)力，并且在壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性特征，這表明水冷作用下會(huì)對(duì)混凝土造成一定的損傷，其原因是因?yàn)樵嚇訌母邷胤湃胨?，試樣?nèi)部的顆粒已經(jīng)受熱膨脹，在放入水中的一瞬間，試樣表面首先遇水降溫，外部顆粒受冷收縮，此時(shí)試樣內(nèi)部顆粒依然處于受熱膨脹狀態(tài)，表面顆粒收縮造成對(duì)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，表面的顆粒之間也會(huì)相互產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土表面首先產(chǎn)生微裂紋，降低了混凝土得承載能立。

圖3 不同冷卻方式下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 常溫下混凝土破壞過(guò)程的宏觀與微觀的聯(lián)系

圖4為未高溫處理過(guò)的混凝土應(yīng)力--應(yīng)變曲線與聲發(fā)射圖，從應(yīng)力--應(yīng)變曲線可以看出常溫下混凝土試樣具有典型的脆性特征，常溫下混凝土的單軸壓縮經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段，在壓密階段，混凝土內(nèi)部的空隙和微裂紋被壓密，曲線下凹，下凹階段時(shí)長(zhǎng)較久，說(shuō)明混凝土試樣內(nèi)部的空隙較多，這可能的原因是澆筑混凝土試樣時(shí)振動(dòng)不充分導(dǎo)致試樣的孔隙率較高。在彈性階段，混凝土變形緩慢增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后突然跌落，隨后曲線繼續(xù)上升，并且此時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)較大的聲發(fā)射現(xiàn)象，這次破壞造成混凝土顆粒之間的斷裂數(shù)量增多，聲發(fā)射現(xiàn)象驟然增大，而后曲線繼續(xù)上揚(yáng)，此時(shí)基本上沒(méi)有聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生，說(shuō)明在這個(gè)階段試樣內(nèi)部并沒(méi)有大的顆粒之間的斷裂產(chǎn)生，上升一段時(shí)間后又突然下降，說(shuō)明內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了破壞，有內(nèi)部裂紋產(chǎn)生，然后曲線緩慢下降一段時(shí)間后突然呈斷崖式下跌，此時(shí)混凝土徹底失去承載能力，試樣破壞。

圖4 常溫下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射圖

從聲發(fā)射圖看出，在壓密階段只有少量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，說(shuō)明此時(shí)試樣內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生較為明顯的破壞，在此階段由于試樣內(nèi)部的微孔隙和微裂隙被壓實(shí)，會(huì)造成輕微的纖維斷裂，該信號(hào)會(huì)被聲發(fā)射接收到，彈性階段隨著應(yīng)力曲線的上升，在500s左右時(shí)出現(xiàn)了一次較為明顯的聲發(fā)射事件，說(shuō)明試樣產(chǎn)生了一定的破壞，可能是試樣內(nèi)部發(fā)生了一次孔隙之間的貫通，并沒(méi)有影響試樣的承載能力，在前期由于端部效應(yīng)，試樣往往是從兩端開(kāi)始破壞，聲發(fā)射定位也是集中在試樣的上下兩端，這些信號(hào)基本上來(lái)自試樣兩端。在700s時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值，突然發(fā)生了一次非常大的聲發(fā)射事件，應(yīng)力曲線隨著跌落，并且在試驗(yàn)過(guò)程中能夠聽(tīng)到明顯的崩壞的聲音，說(shuō)明試樣產(chǎn)生了一次較大的破壞并且影響了承載能力可能是由于試樣內(nèi)部存在較大的空隙被壓實(shí)，而后曲線繼續(xù)上升，在900s時(shí)又伴隨一次大的聲發(fā)射事件發(fā)生，應(yīng)力下跌，原因可能是試樣內(nèi)部產(chǎn)生了新的裂紋，或者為試樣內(nèi)部裂紋之間相互貫通導(dǎo)致，相互貫通時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致大量的拉破壞事件的發(fā)生，試件也會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋，而后應(yīng)力曲線較為平緩，在1100s時(shí)發(fā)生了整個(gè)過(guò)程中最大的一次聲發(fā)射事件，并聽(tīng)到“啪”的壓壞聲響，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了最大的一次裂紋擴(kuò)展，并且該次裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致了混凝土試樣強(qiáng)度的徹底降低，應(yīng)力曲線下降，此時(shí)試樣徹底失去了承載能力，在曲線下降的過(guò)程中又發(fā)生了一次較大的事件，這是由于試樣內(nèi)部裂隙相互貫通造成的，然后曲線快速下降到谷底，整個(gè)加載過(guò)程結(jié)束。

3.3 不同冷卻方式對(duì)混凝土強(qiáng)度的損傷度

從表1可以看出，常溫狀態(tài)下混凝土的峰值強(qiáng)度為35.87MPa，水冷作用下混凝土的峰值強(qiáng)度為33.52MPa，為常溫狀態(tài)下的93.4%，損傷了6.6%。氣冷作用下混凝土試樣的峰值強(qiáng)度為63.24MPa，為常溫狀態(tài)下的176.3%，強(qiáng)度提高了76.3%，說(shuō)明在300℃作用下，空氣中自然冷卻的混凝土強(qiáng)度會(huì)增大，而放入水中冷卻的混凝土強(qiáng)度會(huì)降低。

表1 不同冷卻方式下試樣的峰值強(qiáng)度

圖5為常溫和不同冷卻方式下混凝土的表觀顏色的變化，常溫下混凝土顏色呈灰白色，300℃高溫過(guò)后試樣顏色變深，從氣冷破壞的試樣可以看出，整個(gè)試樣周身都布滿了裂紋，產(chǎn)生的裂紋主要以豎向裂紋為主，最大的一條裂紋從試樣上表面貫穿至下表面，說(shuō)明產(chǎn)生了拉破壞，并且表面有表皮脫落，其他次生裂紋角度在0°～15°之間，從裂紋的破壞類型來(lái)看，混凝土試樣受到的是張拉和剪切的混合破壞模式。不同的冷卻方式和高溫會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其中不僅有化學(xué)方面的影響，更有物理方面的影響，在高溫過(guò)程中巖石內(nèi)部的水會(huì)受到高溫的影響從而從試件中逃逸，會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部的微裂隙產(chǎn)生影響，會(huì)將微裂隙撐大，從而造成混凝土試樣強(qiáng)度的降低。其中水冷卻方式時(shí)，過(guò)大的溫差還會(huì)使得混凝土試樣內(nèi)部和表面產(chǎn)生應(yīng)力差，表面會(huì)受到拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂紋，外部水會(huì)乘機(jī)入侵試樣，也會(huì)造成混凝土試樣的強(qiáng)度降低，從而會(huì)對(duì)試樣的表面裂紋差生影響。

常溫

4 結(jié) 論

1)300℃作用下混凝土遇水冷卻強(qiáng)度會(huì)降低，空氣自然冷卻強(qiáng)度會(huì)有較為顯著的提升。(遇水冷卻強(qiáng)度約為原來(lái)的93%，空氣中自然冷卻強(qiáng)度大幅提升，約為原來(lái)的176%。)

2)高溫作用后混凝土的表觀顏色會(huì)產(chǎn)生變化，顏色較原來(lái)相比變深。破壞模式為張拉和剪切混合破壞模式。

3)每一次應(yīng)力曲線的跌落都會(huì)伴隨著一次大的聲發(fā)射事件發(fā)生，并伴隨著試樣內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生，當(dāng)試樣徹底失去承載能力時(shí)會(huì)發(fā)生一次最大的聲發(fā)射事件。