高溫后水泥基灌漿料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳思，徐國強(qiáng),2，張薇，郭亞紅，馬嘯

(1. 華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

引言

火災(zāi)是自然界中發(fā)生頻率最高的災(zāi)害，極具破壞性，同時(shí)，隨著建筑的現(xiàn)代化、多功能化的發(fā)展[1]，火災(zāi)發(fā)生因素隨之增加，人們對(duì)建筑火災(zāi)重視程度隨之增加。對(duì)于多高層混凝土框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)使用時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土耐性和強(qiáng)度不足時(shí)，需要采取增大截面或者灌漿料置換等方式來對(duì)建筑結(jié)構(gòu)完成加固[2]，同時(shí)隨著裝配式結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，水泥基灌漿料因?yàn)榫哂懈邚?qiáng)度、良好的耐久性等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于灌漿套筒當(dāng)中。因此，從而使得進(jìn)行高溫后水泥基灌漿料的力學(xué)性能的研究尤為重要。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)高溫后水泥基灌漿料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究并取得了很多的優(yōu)秀成果，張琪[3]等對(duì)不同溫度下水泥基灌漿料的強(qiáng)度和質(zhì)量變化的進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明，水泥基灌漿料在高溫?zé)崽幚砗蟊砻鎿p傷只有裂縫，未出現(xiàn)明顯脫落。在持續(xù)升溫的過程中，水泥基灌漿料立方體試塊的質(zhì)量逐漸減少。鄒宇馳[4]等利用液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同高溫后的水泥基灌漿料利用液壓試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)溫度在0 ℃到400 ℃之間時(shí)，強(qiáng)度下降緩慢，當(dāng)溫度超過400℃時(shí)，強(qiáng)度下降迅速；當(dāng)溫度在0 ℃到200 ℃之間時(shí)，彈性模量下降緩慢，當(dāng)溫度在200 ℃到400 ℃之間時(shí)，彈性模量下降明顯；當(dāng)溫度在0 ℃到200 ℃之間時(shí)，峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，當(dāng)溫度在200 ℃到400 ℃之間時(shí)，峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快。葉顯[5]等研究了摻加0%到0.2%摻量的玄武巖纖維的水泥基灌漿料，研究了經(jīng)歷300℃到500℃高溫后的力學(xué)性能變化，結(jié)果顯示，當(dāng)受熱溫度低于400 ℃時(shí)，玄武巖纖維對(duì)改善水泥基灌漿料的抗壓強(qiáng)度并無明顯效果，當(dāng)受熱溫度在400 ℃到500 ℃之間時(shí)，摻入一定量的玄武巖纖維可以明顯改善其抗壓強(qiáng)度下降的速度。同時(shí)，當(dāng)摻入玄武巖纖維的摻量為0.2%時(shí)，水泥基灌漿料的力學(xué)性能表現(xiàn)最好。趙鳴一[6]等研究了高溫后水泥基灌漿料的收縮性能以及能夠改變其收縮性能的具體措施，結(jié)果顯示，摻入一定量的粉煤灰及纖維可以在一定程度上緩解高溫后灌漿料的收縮性能，并且摻入不同比例的礦物摻合料同樣可以改善其收縮性能。張曉平[7]等通過相應(yīng)的試驗(yàn)研究表明，當(dāng)水泥配比為1：7時(shí)，經(jīng)歷1 000 ℃高溫后仍可以保留常溫時(shí)一半的抗壓強(qiáng)度，此時(shí)經(jīng)濟(jì)收益好且各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良。YUAN[8]等研究了不同溫度、養(yǎng)護(hù)齡期、箍筋和加載方式對(duì)水泥基灌漿料與鋼筋粘結(jié)行為的影響，結(jié)果顯示，在重復(fù)加載下，隨著溫度的升高，灌漿料的極限粘結(jié)應(yīng)力隨之減小、極限粘結(jié)位移呈先增大后減小的趨勢(shì)。高兵[9]等研究了不同溫度對(duì)PVA纖維水泥基灌漿料的抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)溫度在0 ℃到200 ℃之間時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降緩慢，當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降迅速。該研究通過設(shè)計(jì)對(duì)照組試驗(yàn)，研究不同齡期、不同溫度下，高溫后水泥基灌漿料的表觀特征、質(zhì)量損失率、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，為今后對(duì)水泥灌漿料高溫后性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1試驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用的是北京紐維訊建筑工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CGM-300A水泥基灌漿料，其基本性能參數(shù)如表1所示。采用普通自來水作為拌合水，摻水率為13%，流動(dòng)度不小于300 mm。

表1 水泥基灌漿料的基本性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)計(jì)

制備水泥基灌漿料試件，尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，經(jīng)過24 h靜置成型后進(jìn)行脫模，并將其放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)泡水養(yǎng)護(hù)，將其放入養(yǎng)護(hù)箱的當(dāng)天作為起始時(shí)間，養(yǎng)護(hù)至60 d、90 d、120 d，根據(jù)《建筑材料及制品的濕熱性能含濕率的測(cè)定烘干法》，采用電熱鼓風(fēng)箱分別對(duì)其進(jìn)行60 ℃烘干6 h。采用馬費(fèi)爐(如圖1所示)對(duì)其進(jìn)行高溫試驗(yàn)，試件分別設(shè)置目標(biāo)溫度為200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃，1 000 ℃，達(dá)到相應(yīng)溫度并保持60 min恒溫處理后，采用噴水冷卻的方式，冷卻后采取相同的烘干方式，然后再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。利用電子秤檢測(cè)不同溫度、不同齡期水泥基灌漿料的質(zhì)量損失率，利用壓力試驗(yàn)機(jī)(如圖1所示)檢測(cè)不同溫度、不同齡期水泥基灌漿料的抗壓強(qiáng)度值、抗折強(qiáng)度值。

圖1 馬費(fèi)爐和壓力試驗(yàn)機(jī)

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫后水泥基灌漿料的表觀特征

圖2所示為齡期為60 d時(shí)，經(jīng)歷不同高溫后水泥基灌漿料的表觀特征。

圖2 齡期為60 d時(shí)高溫噴水冷卻后水泥基灌漿料的表觀特征

從圖2可以看出，水泥基灌漿料試件在經(jīng)歷0 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃高溫后，隨著溫度的升高，其顏色變化為：常溫下為青灰色、200 ℃和400 ℃時(shí)為灰褐色、600 ℃和800 ℃時(shí)為深灰色，1 000 ℃時(shí)為黃褐色。當(dāng)溫度到達(dá)800 ℃時(shí)，試件開始產(chǎn)生裂紋，隨著溫度的升高，當(dāng)溫度到達(dá)1 000 ℃時(shí)，其裂紋數(shù)量較800 ℃時(shí)增加，其裂紋形狀較800 ℃時(shí)變長(zhǎng)、變粗。

2.2 高溫后水泥基灌漿料的質(zhì)量損失率變化規(guī)律

在高溫后，質(zhì)量損失率從側(cè)面可以體現(xiàn)水泥基灌漿料自身力學(xué)性能的劣化程度，即高溫前和高溫后試件的質(zhì)量差占原質(zhì)量的百分比，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

I—質(zhì)量損傷率，%；

M—高溫前試件質(zhì)量，Kg；

Mf—高溫后試件質(zhì)量，Kg。

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得不同齡期、不同溫度下，水泥基灌漿料的質(zhì)量損失率如表2所示。其質(zhì)量損失率的變化規(guī)律曲線如圖3所示。

表2 水泥基灌漿料質(zhì)量損失率/%

從圖3可知，養(yǎng)護(hù)至齡期為60 d、90 d、120 d的水泥基灌漿料試件在經(jīng)歷200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃高溫后，其質(zhì)量損失率整體呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)齡期相同時(shí)，水泥基灌漿料試件的質(zhì)量損失率隨著溫度的升高而增大；當(dāng)溫度相同時(shí)，水泥基灌漿料試件的質(zhì)量損失率隨著齡期的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。在溫度從200 ℃上升到400 ℃的過程中，水泥基灌漿料質(zhì)量損失率增長(zhǎng)的速度較快，這是由于當(dāng)溫度不斷升高，從200 ℃增至400 ℃的過程中，水泥基灌漿料試件中的自由水不斷蒸發(fā)出來，試件內(nèi)部的自由水通過孔隙逸出并逐漸全部消散，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失率增長(zhǎng)速度較快，在溫度從400 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其質(zhì)量損失率增長(zhǎng)速度較慢，這是由于灌漿料試件中的結(jié)合水開始消散，并逐漸全部消散[10]，同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，在溫度從800 ℃上升到1 000 ℃的過程中，水泥基灌漿料的表面會(huì)隨著溫度的升高而出現(xiàn)一些細(xì)小的裂紋，并且逐漸發(fā)展成長(zhǎng)為粗裂紋，同時(shí)，受熱過程中還會(huì)出現(xiàn)略有缺角缺損等現(xiàn)象，都會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量損失率的增大。當(dāng)溫度為1 000 ℃、齡期為90 d時(shí)質(zhì)量損失率達(dá)到最大值，為7.58%。

圖3 高溫噴水冷卻后水泥基灌漿料質(zhì)量損失率變化規(guī)律曲線

2.3 高溫后水泥基灌漿料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得不同齡期、不同溫度下，水泥基灌漿料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度如表3、表4所示，其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律曲線如圖4、圖5所示。

表3 水泥基灌漿料抗折強(qiáng)度/MPa

表4 水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度/MPa

圖4 水泥基灌漿料抗折強(qiáng)度變化規(guī)律曲線 圖5 水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律曲線

由圖4、圖5可知，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d、90 d、120 d的水泥基灌漿料試件在經(jīng)歷200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃高溫后，其抗折、抗壓強(qiáng)度整體均呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)齡期相同時(shí)，水泥基灌漿料試件的抗折、抗壓強(qiáng)度均隨著溫度的升高而減小；當(dāng)溫度相同時(shí)，水泥基灌漿料試件的抗折、抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增加而增大。在溫度從0 ℃上升到400 ℃的過程中，水泥基灌漿料的抗折強(qiáng)度下降迅速，在溫度從400 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其抗折強(qiáng)度下降幅度較??；在溫度從0 ℃上升到200 ℃的過程中，水泥基灌漿料的抗壓強(qiáng)度下降緩慢，在溫度從200 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其抗壓強(qiáng)度下降幅度較大。這是由于水泥基灌漿料在受火高溫的條件下，試件中的細(xì)骨料和凝膠材料的粘結(jié)作用隨著溫度的升高而降低[11]，從而造成灌漿料的抗折、抗壓強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，C-S-H凝膠大量分解，氫氧化鈣分解成氧化鈣，導(dǎo)致體積膨脹[12]，當(dāng)溫度到達(dá)800 ℃時(shí)，試件出現(xiàn)了大量的裂紋，導(dǎo)致試件內(nèi)部裂縫數(shù)量增多，從而造成了灌漿料的抗折、抗壓強(qiáng)度下降。隨著齡期的增加，水泥基灌漿料的水化程度越來越高，試件強(qiáng)度越來越高，當(dāng)遭受高溫時(shí)，其抗壓強(qiáng)度降低的幅度減小。在同一齡期下，溫度為1 000 ℃時(shí)的抗折、抗壓強(qiáng)度較常溫時(shí)均下降最多，分別為97.51%、85.7%，此時(shí)的水泥基灌漿料基本喪失了抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

3結(jié)論

(1)高溫后的水泥基灌漿料試件，在溫度從0 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其顏色變化為：青灰色-灰褐色-深灰色-黃褐色；在溫度從800 ℃上升到1 000 ℃的過程中，灌漿料表面產(chǎn)生裂紋，且在溫度為1 000 ℃時(shí)有表皮裂紋脫落現(xiàn)象。

(2)高溫后的水泥基灌漿料試件，在同一齡期下，隨著溫度的升高，其質(zhì)量損失率隨之增大，在溫度從200 ℃上升到400 ℃的過程中，其質(zhì)量損失率增長(zhǎng)的速度較快，在溫度從400 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其質(zhì)量損失率速度較慢；在同一溫度下，隨著齡期的增加，其質(zhì)量損失率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)高溫后的水泥基灌漿料試件，在同一齡期下，隨著溫度的升高，其抗折強(qiáng)度隨之降低，在溫度從0 ℃上升到400 ℃的過程中，其抗折強(qiáng)度下降幅度較大，在溫度從400 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其抗折強(qiáng)度下降幅度較?。浑S著齡期的增加，其抗折強(qiáng)度隨之增大。

(4)高溫后的水泥基灌漿料試件，在同一齡期下，隨著溫度的升高，其抗壓強(qiáng)度隨之降低，在溫度從0 ℃上升到200 ℃的過程中，其抗壓強(qiáng)度下降幅度較小，在溫度從200 ℃上升到1 000 ℃的過程中，其抗壓強(qiáng)度下降幅度較大；在同一溫度下，隨著齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度隨之增大。