談高溫后混凝土耐久性影響因素及試驗(yàn)方法

王中強(qiáng),劉政怡

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

我國(guó)火災(zāi)事故頻發(fā),火災(zāi)往往導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞甚至建筑物坍塌[1],給人類造成巨大的生命傷亡和社會(huì)資源損失,火災(zāi)后建筑物的加固修復(fù)也成為當(dāng)今社會(huì)較為關(guān)注的問題。混凝土材料在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛,也是高溫下受火面積最大的材料。高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究成果頗豐,混凝土結(jié)構(gòu)失效大多源于耐久性不足[2],耐久性研究正逐漸引起學(xué)者重視。高溫引起結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度降低,滲透性增大,導(dǎo)致加固后還未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的一部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土性能劣化等現(xiàn)象。了解合理科學(xué)的耐久性檢測(cè)方法和預(yù)測(cè)模型對(duì)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)使用安全性能的鑒定與修復(fù)至關(guān)重要。

1 混凝土高溫后殘余強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度與其密實(shí)度緊密相關(guān),而密實(shí)度影響著混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷猎诟邷?或火災(zāi))后的強(qiáng)度是評(píng)價(jià)火災(zāi)后建筑物結(jié)構(gòu)承載力的重要依據(jù),一個(gè)精確的高溫后剩余強(qiáng)度公式對(duì)火災(zāi)后混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)舉足輕重,具有研究和應(yīng)用價(jià)值。一般地,混凝土經(jīng)高溫后的力學(xué)特性研究表明[3]:在300 ℃～400 ℃之前,混凝土的抗壓強(qiáng)度不致因溫度受到較大影響;150 ℃～400 ℃的溫度范圍內(nèi),混凝土的抗壓強(qiáng)度還很有可能會(huì)得到不同程度的增加;400 ℃～800 ℃則被視為抗壓強(qiáng)度衰減的主要溫度范圍。

逄靖華等[4]學(xué)者為了得出高溫后混凝土殘余抗壓強(qiáng)度普適性較優(yōu)的公式,通過高溫實(shí)驗(yàn)將所得結(jié)果與以下具有代表性公式進(jìn)行對(duì)比分析,認(rèn)為以下公式與其實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)有較高的一致性。

朱伯龍、陸洲導(dǎo)提出如下公式:

(1)

閻繼紅提出如下公式:

(2)

其中，Ro(T)為T℃時(shí)混凝土的殘余強(qiáng)度;Ro為常溫時(shí)混凝土高壓強(qiáng)度;D為試件靜止時(shí)間。

但由于高溫后混凝土殘余強(qiáng)度受到自身材料差異和實(shí)驗(yàn)方法等諸多因素的影響,具體問題還是應(yīng)具體分析。

為了研究影響高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度的因素,梁愛莉等[5]學(xué)者以鈣質(zhì)骨料和硅質(zhì)骨料為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了受熱溫度、強(qiáng)度等級(jí)、高溫后靜置時(shí)間和冷卻方式等不同的對(duì)比因素進(jìn)行混凝土高溫試驗(yàn),研究表明:

1)隨溫度升高,混凝土抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。

2)溫度越高,鈣質(zhì)骨料相對(duì)硅質(zhì)骨料的抗熱性能的優(yōu)越性就表現(xiàn)得更加顯著。

3)對(duì)于兩種骨料的混凝土,噴水冷卻到達(dá)其強(qiáng)度最小值的時(shí)間要早于自然冷卻[6]。無(wú)論在自然冷卻情況還是在噴水冷卻情況下,在一定的靜置時(shí)間下,混凝土強(qiáng)度都會(huì)出現(xiàn)最小值。

4)一般來說,當(dāng)加熱溫度較低(350 ℃以下)時(shí),冷卻方式對(duì)升溫后混凝土強(qiáng)度的影響較小,而當(dāng)加熱溫度較高(550 ℃以上)時(shí),升溫后混凝土強(qiáng)度受冷卻方式的影響較大。

混凝土遭受高溫后突然冷卻會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷與裂縫,這是因?yàn)榭焖偕郎亟禍刂率箖?nèi)外溫差不均,從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。因此不同冷卻方式下其強(qiáng)度或有很大差別,2000年徐彧[7]利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了高溫后混凝土噴水冷卻與自然冷卻狀態(tài)下混凝土的抗壓強(qiáng)度表達(dá)式:

自然冷卻:

(3)

噴水冷卻:

(4)

得到火災(zāi)后混凝土殘余強(qiáng)度的精準(zhǔn)值,能使建筑物受損評(píng)估和加固修復(fù)方案更為嚴(yán)謹(jǐn)有效。1997年賈鋒通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用回彈法檢測(cè)高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度能有效保證其精度和可靠度。2013年陳天紅[8]基于超聲波法,采用相對(duì)波速和相對(duì)幅值,并結(jié)合損傷動(dòng)力學(xué)理論中所定義的損傷強(qiáng)度D作為評(píng)價(jià)參數(shù),用不同的函數(shù)模型擬合混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度損失率。結(jié)果表明,相對(duì)波速和損傷度在評(píng)價(jià)不同類型混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度損失率方面具有普遍意義,但相對(duì)振幅不應(yīng)被作為衡量評(píng)估混凝土高溫后性能的參數(shù)。

2 混凝土高溫后滲透性

Mahta教授在1991年舉行的一次國(guó)際混凝土大會(huì)上明確提出鋼筋的銹蝕已經(jīng)成為目前混凝土損毀和破壞最重要的一個(gè)根本原因,由于混凝土耐久性衰退導(dǎo)致的資源損耗問題中,鋼筋銹蝕造成的損失就占到了40%～55%。早期學(xué)者的關(guān)注重點(diǎn)集中于混凝土高溫后的力學(xué)性能,配合比設(shè)計(jì)時(shí)主要的考慮因素是強(qiáng)度指標(biāo),往往忽略了材料微觀角度。實(shí)際上,混凝土耐久性與許多因素密切相關(guān)。例如混凝土的孔隙率大小,內(nèi)部氯離子濃度及抗碳化能力,都主要取決于材料的滲透性能。高溫后產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會(huì)加劇混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展和孔隙的連通,滲透性提升后,水和腐蝕性介質(zhì)更容易滲入,進(jìn)而影響耐久性。所以研究測(cè)定混凝土滲透性與耐久性的影響,對(duì)高溫后混凝土結(jié)構(gòu)鑒定與修復(fù)加固大有裨益。

目前國(guó)內(nèi)外常用的滲透性試驗(yàn)方法有三種:1)透氣性能試驗(yàn),如氬氣滲透試驗(yàn)。2)透液性能試驗(yàn),即常用的透水試驗(yàn)。3)離子擴(kuò)散性能試驗(yàn)，如氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)。

2.1 孔隙率及吸水性

陳曉婷等[9]學(xué)者為避免水在實(shí)驗(yàn)過程中使水泥繼續(xù)水化影響試驗(yàn)結(jié)果,以純酒精代替水測(cè)量混凝土高溫前后孔隙率的變化。研究表明,高溫環(huán)境會(huì)加劇混凝土材料內(nèi)部裂紋的發(fā)展和孔隙貫通,外界的侵蝕性介質(zhì)更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部而影響材料耐久性。證實(shí)了孔隙率可以作為評(píng)定高溫后混凝土耐久性的重要指標(biāo)。

混凝土材料的力學(xué)性能一般在300 ℃～400 ℃高溫之后才有較大變化,因此目前高溫研究多為300 ℃以上的溫度段。姜福香等設(shè)計(jì)四種不同配合比的混凝土構(gòu)件,在相對(duì)較低的高溫下(150 ℃～300 ℃),通過高溫前后混凝土吸水性能的變化來揭示其耐久性變化規(guī)律。如圖1所示,混凝土材料在經(jīng)受150 ℃高溫后,吸水系數(shù)迅速增大,耐久性明顯降低。試驗(yàn)后學(xué)者得出結(jié)論,對(duì)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)估時(shí),不應(yīng)只關(guān)注其中心溫度較高區(qū)域而忽略了臨近較低高溫范圍。

2.2 氯離子濃度

混凝土孔隙率在經(jīng)受高溫后逐漸增大,當(dāng)通過孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)入鋼筋表面的氯離子濃度增加或達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí),會(huì)造成鋼筋鈍化薄膜的破壞,從而直接引起鋼筋的銹蝕、膨脹,最終致使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。高潤(rùn)東等[10]學(xué)者通過RCM法(快速氯離子遷移系數(shù)法,通過侵入深度導(dǎo)出氯離子擴(kuò)散系數(shù))、電通量法測(cè)試高溫后混凝土抗氯離子滲透性能并得出結(jié)論:溫度升高,氯離子滲透性能隨之增加, 800 ℃時(shí)最為顯著。電通量法與RCM法相比,對(duì)溫度更加敏感,所得數(shù)據(jù)受溫度影響大。因此采用RCM法測(cè)定的氯離子遷移系數(shù)可以更準(zhǔn)確地反映高溫對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

2.3 碳化

在現(xiàn)代城市建筑物中,一般大氣環(huán)境和火災(zāi)高溫后,引起鋼筋銹蝕的主要原因是混凝土碳化?；炷林械母遬H值能使鋼筋在其表面生成密實(shí)的鈍化膜,防止鋼筋銹蝕。結(jié)構(gòu)經(jīng)受高溫后內(nèi)部孔隙率增大,空氣中的CO2通過結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)散至內(nèi)部,加速消耗混凝土中的堿性物質(zhì),最終導(dǎo)致pH值降低,鋼筋脫鈍銹蝕。

資偉等[11]利用快速碳化試驗(yàn)研究了不同因素對(duì)高溫后混凝土抗碳化能力的影響:隨著受熱溫度和時(shí)間的增加,碳化深度逐漸加大;高溫噴水冷卻會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)因溫度驟降而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力裂縫,因此噴水冷卻的碳化深度通常遠(yuǎn)超過自然冷卻;抗壓強(qiáng)度越大,材料密實(shí)性越好,侵蝕性介質(zhì)不易從孔隙通道侵入,混凝土碳化速度相對(duì)較慢。

自然冷卻:

(5)

噴水冷卻:

(6)

(7)

盧明杰[12]在高溫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)混凝土加速碳化初期pH值已經(jīng)下降,但此時(shí)噴灑酚酞試液碳化深度不明顯,利用火災(zāi)后混凝土內(nèi)部pH值推測(cè)殘余OH-離子濃度來衡量其抗碳化能力較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

1)400 ℃～800 ℃高溫后,混凝土的殘余強(qiáng)度大幅降低,由于受自身材料及環(huán)境等眾多因素影響,已有的混凝土高溫后殘余強(qiáng)度計(jì)算公式并不適用于所有情況。超聲法以其無(wú)損、可靠度高的特點(diǎn)在檢測(cè)高溫后殘余強(qiáng)度中得到廣泛應(yīng)用,它的相對(duì)波速和損傷度指標(biāo)具有普適性[13]。

2)混凝土耐久性降低主要是因?yàn)楦鞣N侵蝕性物質(zhì)滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部并發(fā)生反應(yīng),滲透性能是評(píng)價(jià)耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。高溫后混凝土力學(xué)性能與耐久性不構(gòu)成線性關(guān)系,研究其耐久性時(shí)不應(yīng)忽略臨近混凝土高溫區(qū)的較低溫區(qū)。

3)混凝土耐久性在火災(zāi)后建筑物結(jié)構(gòu)修復(fù)中逐漸得到重視,建議在高溫后耐久性研究中,考慮各種影響因素的相互作用,以獲得比單一因素更全面的科研結(jié)論。