碳化高溫后混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究*

趙燕茹 石 磊 白建文 王志慧

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，呼和浩特 010051；3.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古分公司，呼和浩特 010051)

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，空氣中的CO2含量已經(jīng)超過(guò)了415×10-9，成為有記錄以來(lái)的最高值[1]。由于混凝土表面不完全密實(shí)，CO2會(huì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部與膠凝材料發(fā)生水化反應(yīng)，降低其酸堿度(pH)，導(dǎo)致鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生破壞，從而降低鋼筋混凝土的力學(xué)性能[2]。賈星亮的研究[3]表明溫度和濕度的改變都對(duì)混凝土的碳化速度產(chǎn)生影響；馬騰飛的研究[4]表明素混凝土的碳化反應(yīng)會(huì)提高其力學(xué)性能；蘭大鵬等的研究[5]發(fā)現(xiàn)溫度的改變會(huì)影響混凝土內(nèi)離子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致碳化反應(yīng)發(fā)生變化。

在實(shí)際工程中，例如煙囪結(jié)構(gòu)、遭遇火災(zāi)的混凝土結(jié)構(gòu)，在高溫環(huán)境持續(xù)作用下，承載力下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部或整體倒塌，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅，因此對(duì)高溫后混凝土性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。高溫環(huán)境下，混凝土內(nèi)的水分由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能發(fā)生劣化[6]。多位學(xué)者分析表明高溫環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度將會(huì)降低，且強(qiáng)度損失率與質(zhì)量損失率之間存在著一定的關(guān)系[7-9]；趙東拂等研究了經(jīng)歷不同溫度及恒溫時(shí)間后，混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律[10]；申嘉榮等的研究[11]發(fā)現(xiàn)，在高溫環(huán)境下混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響其力學(xué)性能；Geng等通過(guò)試驗(yàn)[12]發(fā)現(xiàn)可依據(jù)聲發(fā)射對(duì)高溫后混凝土損傷程度做出評(píng)定；Fu等的研究[13]發(fā)現(xiàn)，高溫時(shí)混凝土的彈性模量較常溫時(shí)基本不變或略有降低。

長(zhǎng)期暴露于空氣中的混凝土結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷火災(zāi)時(shí)，會(huì)遭受碳化和高溫的共同作用。高溫會(huì)導(dǎo)致碳化反應(yīng)生成的CaCO3分解，引起混凝土強(qiáng)度的變化[14]，這將對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成威脅，因此對(duì)碳化高溫后混凝土性能的研究具有重要的工程意義。為此，通過(guò)對(duì)碳化高溫后混凝土力學(xué)性能的分析，擬建立基于碳化高溫后混凝土質(zhì)量損失率的抗壓及抗折強(qiáng)度計(jì)算式，可為實(shí)際工程在不同碳化齡期、不同目標(biāo)溫度下預(yù)估混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度提供參考。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)所采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，其配合比見(jiàn)表1。水泥選用普通硅酸鹽水泥；石子的公稱(chēng)粒徑為5～20 mm，密度為2 800 kg/m3；砂的細(xì)度模數(shù)為2.45，密度為2 650 kg/m3。

表1 混凝土配合比Table 1 Proportion of concrete mix

1.2 試驗(yàn)方案

選用的混凝土尺寸分為兩種：60塊100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，用于碳化高溫后抗壓強(qiáng)度的測(cè)試；60塊100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，用于碳化高溫后抗折強(qiáng)度的測(cè)試。

試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的碳化試驗(yàn)方法進(jìn)行，碳化齡期為0，7，14，28 d。將達(dá)到碳化齡期的混凝土試件放入高溫爐中進(jìn)行高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)高溫爐選用GW-1000高溫箱，升溫曲線依據(jù)式(1)[16-18]進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置了5個(gè)目標(biāo)溫度：20，200，400，600，800 ℃。到達(dá)目標(biāo)溫度后，恒溫2 h，自動(dòng)關(guān)機(jī)停止加熱，采用自然冷卻的方式使試件冷卻至室溫。

T-T0= 345lg(8t+1)

(1)

式中：T為t時(shí)刻的目標(biāo)溫度；T0為試驗(yàn)初始溫度，試驗(yàn)為20 ℃；t為升溫時(shí)間，min。

混凝土碳化高溫試驗(yàn)方案具體為：4種碳化齡期后的混凝土試件分別進(jìn)行5個(gè)目標(biāo)溫度的高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)共分20組，每組立方體、棱柱體試件各3塊，分別用于混凝土碳化高溫后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)?；炷量箟簭?qiáng)度試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載方式采用位移控制，加載速率為1 mm/min?；炷量拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)采用MTS系統(tǒng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載方式采用三點(diǎn)彎曲加載，加載速率為0.5 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土碳化深度

圖1表示不同碳化齡期下，試件碳化深度外觀圖，其中深灰色區(qū)域表示未碳化區(qū)，淺灰色區(qū)域表示碳化區(qū)。通過(guò)觀察外觀圖可發(fā)現(xiàn)，碳化進(jìn)行到第7天時(shí)，碳化區(qū)集中在四邊緣處，所占面積很?。惶蓟M(jìn)行到第14、28天時(shí)，碳化區(qū)逐漸由四邊緣處向中心擴(kuò)散，所占面積不斷增加。由此可知，碳化深度與碳化的時(shí)間呈正相關(guān)，故碳化齡期是決定碳化深度的一個(gè)重要原因。

a—第7天；b—第14天；c—第28天。圖1 試件碳化深度外觀Fig.1 Appearances of carbonization depth for specimens

圖2表示碳化深度隨齡期的變化曲線。碳化從開(kāi)始進(jìn)行到第7天，曲線的斜率較陡，表明這時(shí)碳化深度急速增加，碳化速度較快。這是因?yàn)樵谔蓟瘎傔M(jìn)行時(shí)，由于混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)含量較多，CO2能與其發(fā)生充分的碳化反應(yīng)[5]，導(dǎo)致碳化深度急速增加；當(dāng)碳化進(jìn)行到第7，14，28天時(shí)，曲線斜率較緩，表明碳化速度降低。這是因?yàn)樘蓟M(jìn)行到后期時(shí)，由于混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)參與碳化反應(yīng)的含量減少，使得此時(shí)碳化反應(yīng)速度減慢，導(dǎo)致碳化深度增加緩慢。由此說(shuō)明，隨著碳化的不斷進(jìn)行，碳化速度減緩。碳化后期，碳化反應(yīng)不易進(jìn)行。

圖2 碳化深度隨齡期的變化Fig.2 Variations of carbonation depth with time

2.2 碳化高溫后混凝土的質(zhì)量損失率

混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度的升高而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致混凝土試件的質(zhì)量損失。不同碳化齡期及溫度下試件的質(zhì)量損失率如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，質(zhì)量損失在逐漸增大；在200～400 ℃時(shí)曲線斜率最大，表明此溫度區(qū)間質(zhì)量損失速度較快；而在400～600 ℃時(shí)曲線斜率逐漸平緩，質(zhì)量損失速度變慢；在600～800 ℃時(shí)曲線斜率又逐漸增大，質(zhì)量損失速度又加快。這是因?yàn)樵?00 ℃前，一方面混凝土內(nèi)部結(jié)合水受熱大量蒸發(fā)，另一方面混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)受熱分解，這兩方面原因?qū)е沦|(zhì)量損失速度較快；在600 ℃后，碳化生成的CaCO3和混凝土內(nèi)部殘留的堿性物質(zhì)都會(huì)受熱分解，造成混凝土質(zhì)量損失速度加快。

圖3 不同碳化齡期下溫度與質(zhì)量損失率的關(guān)系Fig.3 Relations between temperatures and mass loss ratios at different carbonization ages

此外，碳化的混凝土試件在200 ℃前的質(zhì)量損失率與未碳化的混凝土試件相比，差別不明顯；但在400～600 ℃時(shí)，碳化后混凝土試件的質(zhì)量損失率較未碳化混凝土小，且隨著碳化齡期的增加，質(zhì)量損失率減小。這主要由于兩個(gè)原因造成：一方面由于碳化生成的CaCO3填充到混凝土內(nèi)部缺陷中，起到密實(shí)作用，且此溫度下，CaCO3不會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致碳化后混凝土試件的質(zhì)量損失率較小。另一方面由于在此溫度下，試件內(nèi)的堿性物質(zhì)會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致未碳化混凝土試件的質(zhì)量損失率較大；溫度到800 ℃時(shí)，碳化后混凝土試件的質(zhì)量損失率較未碳化混凝土大，這是由于在此溫度下，碳化后生成的CaCO3及混凝土內(nèi)部殘留的堿性物質(zhì)都會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致碳化后混凝土試件的質(zhì)量損失率較大。

2.3 碳化高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度分析及經(jīng)驗(yàn)算式推導(dǎo)

2.3.1碳化高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度分析

不同碳化齡期及溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度如圖4所示。可以看出：碳化初始時(shí)，溫度從20 ℃升高到800 ℃，抗壓強(qiáng)度逐漸減小，降幅為57%，這主要緣于高溫使混凝土內(nèi)部的自由水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，水蒸氣的逸出將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，而外加壓荷載會(huì)進(jìn)一步加劇微裂縫的擴(kuò)展[8]，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；碳化進(jìn)行到第7，14，28天，抗壓強(qiáng)度隨溫度升高先減小后增大然后再減??；碳化齡期為14，28 d的抗壓強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在400 ℃。這是由于此時(shí)碳化反應(yīng)充分，所生成的CaCO3有效填充在混凝土內(nèi)部孔隙中，導(dǎo)致孔徑變小，強(qiáng)度增高。而當(dāng)溫度上升到600，800 ℃時(shí)，在相同的碳化齡期下，CaCO3由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)從而在混凝土內(nèi)部形成孔道，使混凝土內(nèi)部孔隙率增加，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖4 不同碳化齡期及溫度下抗壓強(qiáng)度的變化Fig.4 Change laws of compressive strength at different carbonization ages and temperatures

溫度20 ℃時(shí),碳化7 d后的混凝土抗壓強(qiáng)度與未碳化的混凝土抗壓強(qiáng)度相比下降了1.9%，差別不顯著；當(dāng)碳化進(jìn)行到第14，28天，混凝土的抗壓強(qiáng)度較未碳化的混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高了15.6%、24.8%，這是因?yàn)榇藭r(shí)碳化反應(yīng)充分，混凝土內(nèi)部的缺陷會(huì)被CaCO3填充，孔隙率減小，混凝土的密實(shí)度增加，強(qiáng)度提高。

溫度200，400 ℃時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度隨著碳化齡期的增加而逐漸增加，與未碳化的混凝土抗壓強(qiáng)度相比，增幅分別為8.2%、28.2%、30.7%，這是由于碳化反應(yīng)會(huì)消耗大量的水，但是在200～400 ℃條件下，轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的水分會(huì)與水泥石發(fā)生進(jìn)一步的水化反應(yīng)，故提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

溫度600，800 ℃時(shí)，碳化齡期在7 d內(nèi)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，與未碳化的混凝土抗壓強(qiáng)度相比，降幅分別為0.52%、1.3%，降幅不顯著，這是由于此時(shí)碳化反應(yīng)不充分，產(chǎn)生的CaCO3含量較少，在此溫度下CaCO3分解所產(chǎn)生的水分將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部缺陷增加，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低；碳化齡期7～28 d時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增加，與未碳化的混凝土抗壓強(qiáng)度相比，增幅分別為47.1%、50.9%，增幅顯著，這是由于碳化后期碳化反應(yīng)更充分，產(chǎn)生的CaCO3含量較多，在此溫度下CaCO3分解，提高了混凝土的密實(shí)度，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度較碳化初期有較明顯的增加。

2.3.2基于碳化高溫后混凝土質(zhì)量損失率的抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式

不同齡期、不同目標(biāo)溫度下混凝土試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度如表2、圖5所示。

圖5 不同碳化齡期及溫度下試件的抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu(T,t)與質(zhì)量損失率關(guān)系曲線Fig.5 Relations between compressive strength and mass loss ratios of specimens at different carbonization ages and temperatures

表2 不同碳化齡期及溫度下試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度Table 2 Mass loss ratios,compressive or flexural strength of specimens at different carbonization ages and temperatures

fcu(T,t)和ft(T,t)中T代表碳化齡期，d;t代表高溫試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)溫度，℃。

混凝土抗壓強(qiáng)度的大小與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度密切相關(guān)，在碳化和高溫同時(shí)作用時(shí)，混凝土的密實(shí)度將發(fā)生改變。不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度間存在一定的相關(guān)性，因此利用碳化高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu(T,t)與質(zhì)量損失率的散點(diǎn)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到兩者的關(guān)系式(式(2))，其決定系數(shù)R2=0.826。

(2)

式中：γmLR為質(zhì)量損失率。

利用式(2)可預(yù)估在不同質(zhì)量損失率下，混凝土經(jīng)歷碳化和高溫后的抗壓強(qiáng)度。

2.4 碳化高溫后混凝土抗折強(qiáng)度分析及經(jīng)驗(yàn)式推導(dǎo)

2.4.1碳化高溫后混凝土抗折強(qiáng)度分析

不同碳化齡期及溫度下混凝土抗折強(qiáng)度如圖6所示。可以看出，混凝土試件的抗折強(qiáng)度總體趨勢(shì)隨溫度升高而降低。這是因?yàn)樵谏郎爻跗?，混凝土?nèi)部的水分將由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，水蒸氣的逸出會(huì)造成混凝土內(nèi)部微裂縫的增加。隨著溫度進(jìn)一步升高，碳化所生成的CaCO3開(kāi)始分解，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度降低，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低；但在碳化第14，28天、溫度200 ℃時(shí)，混凝土抗折略有升高，這是由于碳化后期碳化反應(yīng)充分，生成的CaCO3含量較多，在此溫度環(huán)境下，CaCO3能較好地填充到混凝土內(nèi)部的缺陷中，使混凝土內(nèi)部更密實(shí)，故混凝土抗折強(qiáng)度略有提高。

圖6 不同碳化齡期及溫度下抗折強(qiáng)度的變化Fig.6 Change laws of flexural strength at different carbonization ages and temperatures

2.4.2基于碳化高溫后混凝土質(zhì)量損失率的抗折強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式

混凝土抗折強(qiáng)度的大小與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度密切相關(guān)，在碳化和高溫同時(shí)作用時(shí)，混凝土的密實(shí)度將發(fā)生改變。上述中，分析了質(zhì)量損失率和抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn):兩者之間存在一定的相關(guān)性，因此利用碳化高溫后混凝土抗折強(qiáng)度f(wàn)t(T,t)與質(zhì)量損失率γMLR的散點(diǎn)圖(圖7)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到兩者的關(guān)系式(式(3))，其決定系數(shù)R2=0.873。

圖7 不同碳化齡期及溫度下試件的抗折強(qiáng)度f(wàn)t(T,t)與質(zhì)量損失率關(guān)系曲線Fig.7 Relations between flexural strength and mass loss ratios of specimens at different carbonization ages and temperatures

(3)

利用式(3)可預(yù)估在不同質(zhì)量損失率下，混凝土經(jīng)歷碳化和高溫后的抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)隨著溫度的升高，質(zhì)量損失率逐漸增加；在200 ℃前，碳化混凝土的質(zhì)量損失率與未碳化混凝土相比，差別不大；600 ℃時(shí)，碳化后混凝土質(zhì)量損失率較未碳化混凝土小。

2)碳化齡期相同時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度升高先減小后增大然后再減小；碳化齡期14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在400 ℃；在相同的目標(biāo)溫度下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨碳化齡期的增加而增加。

3)混凝土抗折強(qiáng)度總體趨勢(shì)是隨溫度的升高而降低；在碳化第14天、28天、200 ℃情況下，抗折強(qiáng)度略有升高；在相同的目標(biāo)溫度下，混凝土抗折強(qiáng)度隨碳化齡期先降低后增加。