淺析水灰比對高溫下混凝土力學性能的影響

李國寧

(中鐵上海工程局集團有限公司，上海 靜安區(qū) 200000)

時代的快速發(fā)展對建筑工程項目質(zhì)量與水平提出了更高的要求，混凝土作為最廣泛使用的建筑材料，其力學性能指標的合理性、科學性直接關(guān)系到建筑物的質(zhì)量，所以有必要對不同溫度下水灰比對混凝土力學性能的影響進行探究，從而制定出更加科學的混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方案。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方法

試驗用到的設(shè)備為配有材料高溫抗壓試驗爐的200t試驗壓力機，其中，材料高溫抗壓試驗爐在試驗時的溫度由智能溫控儀表進行控制，并依據(jù)普通混凝土力學性能測試規(guī)范方法與標準進行相關(guān)試驗。相關(guān)研究表明，0～400℃是混凝土抗壓強度以及其他力學性能指標出現(xiàn)反復的主要區(qū)間，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠分析出各溫度階段混凝土的變形特性。因此，試驗主要是對直徑相同的21個混凝土標準試件進行力學性能測試，測試時的溫度包括常溫與高溫兩種環(huán)境，然后對比不同溫度下、不同水灰比的試件，繪制出相應(yīng)的力學性能變化曲線，明確溫度以及水灰比對混凝土標準試件抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變的影響規(guī)律，進而總結(jié)出水灰比對高溫下混凝土力學性能的影響。

1.2 試驗內(nèi)容

1.2.1 試驗原料與相關(guān)參數(shù)

試驗使用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，直徑為5～10mm的骨料碎石，按照普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范方法進行設(shè)計，以此保證制備的混凝土標準試件具有較為良好的保水性與力學性能。

試驗時水灰比的設(shè)計參數(shù)包括0.40、0.47、0.58，設(shè)計的溫度包括常溫、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃。試驗用水泥性能測試數(shù)據(jù)如表1所示[1]。

表1 混凝土配合比與力學指標

1.2.2 水灰比設(shè)計原理

由于不同水灰比制備出的混凝土特點存在一定差異，為保證試驗效果，激發(fā)為混凝土配合比設(shè)計的主要方法，進而確定出合適的水灰比。根據(jù)試驗?zāi)繕藢λ酀{體積量進行控制，從而達到控制水灰比的目的，以此得到制備混凝土最佳的配合比。通過一系列試驗確定溫度在常溫、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃情況下，0.40、0.47、0.58水灰比對混凝土抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變的影響規(guī)律，進而確定出最佳的水灰比與溫度。

1.2.3 試件的養(yǎng)護

試驗過程中選用二次加料的方法，通過第一步加料計算出配制混凝土各原料的用量，通過第二步加料確定混凝土配合比中骨料、水的用量，當骨料、1/2水以及其他材料混勻一段時間之后，將剩余的水加入其中，混勻一分鐘之后停頓，以此充分發(fā)揮出水養(yǎng)護法的功能與作用。在混凝土試件成型一天之后，進行拆模，然后按照要求在一定條件之下養(yǎng)護一段時間之后，進行標準混凝土試件的力學性能測試。

1.2.4 力學性能測試

參照普通混凝土力學性能測試規(guī)范標準與方法，對21個直徑相同的標準圓柱體混凝土試件進行預壓，使用0.4倍極限承載力進行預加載，以此消除各個標準試件頂部的不平、孔隙以及其他因素，以此降低不確定因素對力學測試結(jié)果的影響。完成預加載之后進行卸載，然后保持0.5MPa的初始壓力，同時運用自動控溫的材料高溫抗壓試驗爐對試件進行加熱，主要是以5～10℃/min的速度進行升溫，當升至預定溫度時，恒溫三小時，并在此溫度進行力學性能測試，運用位移傳感器來明確標準混凝土試件的變形程度，然后對試驗結(jié)果進行分析與討論。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

在升溫過程中，試件會不斷冒出水蒸氣，打開試驗爐待試件冷卻至室溫，對混凝土試件顏色以及破壞形態(tài)進行觀察[2]。常溫下，試件大多在骨料以及砂漿界面發(fā)生破裂；低中溫區(qū)段，試件的破裂縫隙上會有豎向裂縫，破裂面與加載方向呈60°～70°傾斜角。100～300℃下，混凝土表面微微泛白；400℃下，出現(xiàn)淡淡的暗紅色；600～800℃，表面出現(xiàn)十分明顯的暗紅色，并且破裂面的傾斜角逐漸增大，并伴有少量的混凝土剝落；更高溫度之后，混凝土剝落部分呈現(xiàn)粉狀。對加熱升溫速度進行適當調(diào)整，隨著溫度的升高，各個試件均會伴有爆裂現(xiàn)象。

2.2 試驗工藝圖

對不同溫度區(qū)段，不同水灰比的混凝土力學性能變化情況繪制成相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，100～200℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，試件彈性模量、抗壓強度會出現(xiàn)較為明顯的衰減現(xiàn)象，直到300℃之后才又出現(xiàn)提高的趨勢，到達400℃時，混凝土試件彈性模量、抗壓強度的恢復結(jié)束，600～800℃之間，又會出現(xiàn)較為明顯的降低趨勢，隨著溫度的進一步升高，基本保持扁平的變化趨勢。不同溫度區(qū)段下C40、C50混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 C40、C50混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓強度與彈性模量損傷系數(shù)

根據(jù)軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，先分析溫度、水灰比對抗壓強度損傷系數(shù)的影響規(guī)律：常溫到200℃區(qū)段，抗壓強度會隨著溫度升高、水灰比的增加而逐漸降低，200℃之后逐漸提高，在300～400℃之間又逐漸恢復，部分試件出現(xiàn)系數(shù)值大于1的情況，600～800℃之間，抗壓強度損傷系數(shù)又大幅度降低，并且200～300℃之間水灰比對對抗壓強度損傷系數(shù)的影響較為復雜；分析溫度、水灰比對彈性模量損傷系數(shù)的影響規(guī)律：200℃時，彈性模量會隨著溫度的升高逐漸降至最小值，在300～400℃之間又逐漸恢復，600～800℃之間，彈性模量損傷系數(shù)又不斷降低，100～200℃，彈性模量損傷系數(shù)隨著水灰比的增加而逐漸降低，200～400℃呈現(xiàn)明顯恢復的趨勢，測量到的數(shù)據(jù)較為分散。

3.2 峰值應(yīng)變規(guī)律

分別分析常溫以及中低溫區(qū)段、高溫區(qū)段不同水灰比對標準混凝土試件峰值應(yīng)變的影響規(guī)律，除去少量離散數(shù)據(jù)，在溫度逐漸增加的情況下，各個試件的峰值應(yīng)變會隨著溫度的升高而不斷增大。值得注意的是，400℃以下，峰值應(yīng)變-關(guān)系變化趨勢相對平緩，當溫度大于400℃之后，上升現(xiàn)象較為明顯，并且在200～300℃之間會出現(xiàn)小幅度的波動，當溫度到達800℃時，標準混凝土試件就會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。但是在低溫區(qū)段中，水灰比對混凝土峰值應(yīng)變的影響并不顯著，當溫度超過200℃之后，就會明顯增大，在400～600℃之間，峰值應(yīng)變又會隨著溫度的升高而逐漸減小，在300℃時的變化趨勢最不明顯。

圖2 水灰比對峰值應(yīng)變-溫度關(guān)系的影響

4 低中溫區(qū)(100～400℃)的混凝土力學性能

結(jié)合試驗結(jié)果與相關(guān)研究進行低中溫區(qū)(100～400℃)的混凝土力學性能分析，大多數(shù)混凝土試件均呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，100～300℃之間出現(xiàn)低溫段靜力強度衰減現(xiàn)象，300℃～400℃之間又有所恢復[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范技術(shù)標準，試驗中C40、C50兩組試件的抗壓強度損傷系數(shù)分別在300℃、200℃處出現(xiàn)最小值；所有試件的彈性模量損傷系數(shù)均在200℃處出現(xiàn)最小值；所有試件的損傷系數(shù)值在高溫下均會出現(xiàn)下降趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：高溫下的不同水灰比的混凝土都會發(fā)生一系列的化學變化與物力變化，使得成分、微觀結(jié)構(gòu)隨著溫度的變化而呈現(xiàn)不同功能的變化形態(tài)，特別是水灰比越大，水泥含量多的混凝土試件在100℃時的水化作用更強，在200℃時水化作用產(chǎn)生的水分又會完全蒸發(fā)掉，并且未水化與水化的顆粒之間會存在不同的膨脹系數(shù)。結(jié)合高溫下不同水灰比宏觀力學性能的觀察，中低溫區(qū)段混凝土的力學性能指標確實出現(xiàn)衰減、恢復的現(xiàn)象，這與掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果相同。經(jīng)過對比，300℃、400℃之間的混凝土結(jié)構(gòu)比200℃時更加致密，特別是400℃下的混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出裂縫更少的微觀結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

綜上所述，100～400℃范圍內(nèi)制備的混凝土，其抗壓強度、彈性模量隨著水灰比增加出現(xiàn)先衰后減的現(xiàn)象，當溫度超過600℃后會大幅度下降。通過掃描電鏡觀察，300℃、400℃之間的混凝土結(jié)構(gòu)比200℃時的更加致密，與試驗工藝圖變化趨勢大體一致，證明300～400℃是制備不同水灰比混凝土的最佳溫度范圍，對提升混凝土結(jié)構(gòu)抗火水平具有重要意義。