高溫作用后不同冷卻條件下混凝土損傷演化研究

莊志凱　張偉　張坤　盧曉倉　陳勇

摘要：為研究高溫作用后不同冷卻方式對(duì)混凝土力學(xué)性能及損傷演化的影響，利用聲波儀及力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)經(jīng)400 ℃高溫處理后的混凝土試件在不同冷卻條件下的波速和單軸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，分析混凝土力學(xué)特性、測(cè)試波速、變形特性及損傷的演化規(guī)律。通過試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：① 相對(duì)其他冷卻方式，半水冷條件下由于試件變形不均勻，混凝土強(qiáng)度劣化最嚴(yán)重；② 混凝土泊松比和彈性模量的變化表明，半水冷條件下試樣變脆，承載能力降低，且較自然冷卻條件、全水冷條件，半水冷條件對(duì)混凝土彈性模量的劣化最為嚴(yán)重；③ 在自然冷卻、全水冷、半水冷3種冷卻條件下，混凝土試樣測(cè)試波速分別為2.56，2.57，2.42 km/s，分析試驗(yàn)損傷系數(shù)分別為0.480，0.476，0.534，表明半水冷條件對(duì)高溫作用后的混凝土損傷最大。研究成果對(duì)高溫條件下混凝土工程設(shè)計(jì)及高溫作用后混凝土結(jié)構(gòu)的加固具有一定參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：高溫作用； 混凝土損傷； 冷卻方式； 波速； 力學(xué)性能

中圖法分類號(hào)： TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.033

0 引 言

混凝土被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。隨著建筑物對(duì)混凝土材料性能要求的不斷提高，混凝土的安全使用問題越來越突出?；炷两ㄖ薪?jīng)常存在一些結(jié)構(gòu)缺陷，在外荷載或高溫的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)變化，容易引起裂紋的萌生、擴(kuò)展和連接，這也決定了裂紋擴(kuò)展的規(guī)律［1］。在建筑物使用過程中，火災(zāi)往往是危害性最大的因素之一，它會(huì)極大地改變混凝土的性能。溫度過高會(huì)導(dǎo)致混凝土剝落，造成重大結(jié)構(gòu)損壞和承載力嚴(yán)重?fù)p失。多年來經(jīng)過對(duì)高溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度變化的研究，已經(jīng)建立了一些典型的強(qiáng)度變化模型。為了研究火災(zāi)對(duì)混凝土的影響，評(píng)價(jià)火災(zāi)環(huán)境下混凝土的結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能，學(xué)者們對(duì)高溫環(huán)境下的混凝土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究［2-6］。有學(xué)者［7-9］研究了自然冷卻（空氣中冷卻）和水冷（全水冷）兩種冷卻方式對(duì)高溫處理后的混凝土強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的影響［10-14］；還有學(xué)者［6，15］對(duì)高溫及冷卻方式對(duì)混凝土強(qiáng)度及微觀機(jī)理等性能的影響進(jìn)行了深入的研究。但是在實(shí)際中，火災(zāi)后經(jīng)受高溫作用的混凝土的冷卻過程，除了自然冷卻、水冷外，還存在一種特殊的冷卻方式，即一半置于水中一半裸露在空氣中，稱之為半水冷，試件兩端的冷卻速率不同，混凝土試件的劣化效果必然較大。目前關(guān)于這種半水冷對(duì)于混凝土強(qiáng)度及其力學(xué)性能影響的研究較少。為此，本文從自然冷卻、室溫冷卻、全水冷、半水冷4種冷卻方式出發(fā)，使用數(shù)字聲波儀及巖石三軸試驗(yàn)機(jī)兩種設(shè)備對(duì)高溫處理后混凝土的波速、強(qiáng)度、彈性模量、泊松比進(jìn)行測(cè)量，探究不同冷卻方式對(duì)高溫后混凝土強(qiáng)度劣化的影響，為高溫條件下混凝土工程設(shè)計(jì)及高溫作用后混凝土結(jié)構(gòu)的加固提供參考。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所使用的試樣為白混凝土試件，采用標(biāo)準(zhǔn)砂和白色硅酸鹽水泥澆筑而成，配合比為白水泥∶粗砂∶標(biāo)準(zhǔn)砂∶水=1∶3.5∶2.5∶0.6，澆筑成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)柱狀。養(yǎng)護(hù)28 d后采用箱式電阻爐加熱到400 ℃后保持1 h，然后分別置于空氣中、一半浸入水中、全部浸入水中冷卻至室溫。試件冷卻后將其放置在25 ℃恒溫恒濕箱中靜置1 d，然后采用WSD-4型數(shù)字聲波儀測(cè)量不同冷卻方式下的波速。最后，采用DSZ-1000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸加載，加載速率為3 MPa/min，設(shè)備及試驗(yàn)流程如圖1所示。該三軸試驗(yàn)機(jī)最大軸向力為1 000 kN，測(cè)力范圍10～1 000 kN，測(cè)量精度≤±0.5%FS；最大加載行程為50 mm，主油缸位移加載速率0.1～100 mm/min；最大圍壓60 MPa，圍壓測(cè)量精度≤±0.25%FS，加載速率0.1～60 MPa/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖2給出了經(jīng)不同冷卻方式處理后的混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。加載過程混凝土受力變形可分為4個(gè)階段：裂縫無明顯變化階段（收縮裂縫階段）、裂縫發(fā)展階段、裂縫穩(wěn)定增長(zhǎng)階段和裂縫的不穩(wěn)定擴(kuò)展階段。① 在裂縫無明顯變化階段混凝土外觀無明顯變化，內(nèi)部空隙及微裂隙稍有壓密，混凝土處于彈性變形階段；② 在裂縫發(fā)展階段混凝土內(nèi)部裂縫數(shù)量、裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度漸漸增大，但無明顯的砂漿裂縫出現(xiàn)；③ 在裂縫穩(wěn)定增長(zhǎng)階段荷載超過臨界荷載后，裂縫隨著荷載增大而增大，混凝土表面裂紋擴(kuò)展，若立即保持恒定荷載，裂縫不再擴(kuò)展；④ 在裂縫的不穩(wěn)定擴(kuò)展階段荷載達(dá)到極限荷載之后，荷載不變，裂縫不斷擴(kuò)展，隨后應(yīng)力快速降低，應(yīng)變持續(xù)快速增大，直至破壞。由此可知，高溫未改變混凝單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)，而不同冷卻條件未對(duì)混凝土變形階段產(chǎn)生影響，但對(duì)混凝土強(qiáng)度變化產(chǎn)生影響。

圖3列出常溫下混凝土單軸壓縮的峰值強(qiáng)度及經(jīng)歷400 ℃高溫后在不同冷卻條件下混凝土的峰值單軸抗壓強(qiáng)度。由圖3可知，400 ℃高溫前后，混凝土的峰值抗壓強(qiáng)度不同；同時(shí)，高溫后冷卻方式不同亦影響混凝土的強(qiáng)度。室溫條件下混凝土峰值抗壓強(qiáng)度為16.72 MPa，自然冷卻條件下混凝土峰值抗壓強(qiáng)度為15.42 MPa，相對(duì)室溫條件減小了1.30 MPa；全水冷條件下混凝土峰值抗壓強(qiáng)度為12.52 MPa，相對(duì)室溫條件減小了4.20 MPa；半水冷條件下混凝土峰值抗壓強(qiáng)度為7.36 MPa，相對(duì)室溫條件減小了9.36 MPa。400 ℃高溫使混凝土內(nèi)部水蒸氣蒸發(fā)形成孔隙，而在自然冷卻條件下高溫使骨料界面上形成的裂縫致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。此外強(qiáng)度降低程度與其所經(jīng)受的冷卻方式有關(guān)，氣冷強(qiáng)度降低最小，其次是全水冷，強(qiáng)度劣化最嚴(yán)重的是半水冷。由此可見，不均勻冷卻方式對(duì)于混凝土試件的強(qiáng)度劣化影響最大，這是由于水冷和氣冷的冷卻速度不一致，造成了受熱不均勻，使得試樣在冷卻的過程中其內(nèi)部產(chǎn)生了較多的損傷，從而造成其承載能力大幅度降低。雖然水冷使得試樣急劇冷卻，但是整體上其冷卻是均勻的，因此，其強(qiáng)度劣化相較于半水冷而言，降低的幅度較小。氣冷是一種均勻緩慢的冷卻方式，其內(nèi)部的熱量可緩慢輻射到空氣中，因此對(duì)于強(qiáng)度的劣化較小，但增強(qiáng)了混凝土的脆性特征。

2.2 冷卻方式對(duì)波速的影響

利用聲波儀測(cè)量經(jīng)過400 ℃高溫后不同冷卻方式處理的混凝土試件聲波參數(shù)，數(shù)據(jù)如表1所列。從表中可知，混凝土試樣的聲波波速變化與冷卻方式有關(guān)。相對(duì)常溫條件下混凝土，經(jīng)過高溫處理后，各冷卻條件下混凝土波速不同程度降低。其中，空氣中自然冷卻時(shí)，混凝土的波速最小，值為2.56 km/s；高溫后全浸泡冷卻時(shí)，混凝土波速居中，達(dá)到2.57 km/s；而高溫后半浸泡冷卻時(shí)，混凝土波速最小，其值為2.42 km/s。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有幾個(gè)方面：① 混凝土試件是由砂粒和水泥膠結(jié)而成，與砂巖等巖石類材料相似［16］，高溫后混凝土中砂粒之間的膠結(jié)變?nèi)?，?nèi)部產(chǎn)生諸多細(xì)小的微裂紋；② 超聲波在包含不同介質(zhì)的混凝土中傳播時(shí)，遇到不同介質(zhì)，將發(fā)生波的反射、折射、繞射、衰減等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聲波振幅、波形、頻率變化，而高溫后混凝土中晶體變化及空隙增加導(dǎo)致聲波傳播路徑增長(zhǎng)。因此經(jīng)過高溫處理后試件的波速呈減小的趨勢(shì)。

2.3 力學(xué)參數(shù)的變化

2.3.1 泊松比

泊松比是巖體變形性質(zhì)的重要參數(shù)之一［17-18］。本文計(jì)算試樣破壞前的泊松比，并繪制應(yīng)力-泊松比曲線，如圖4所示。從圖中可知：室溫冷卻混凝土試件的泊松比在14.8 MPa前基本保持不變，之后則迅速增大；自然冷卻的混凝土試件其泊松比則是在5.6 MPa（壓密階段結(jié)束后）后才隨應(yīng)力增大而逐漸增大；半水冷處理的試件其泊松比則直至峰值強(qiáng)度前都基本上保持不變，峰值強(qiáng)度后才迅速增大；而全水冷處理的混凝土試件則是隨著應(yīng)力的增大，緩慢增大，但直至達(dá)到試件承載的峰值強(qiáng)度前也沒有明顯增大，即峰值強(qiáng)度前經(jīng)過全水冷處理的混凝土試件的泊松比變化較小。通過以上分析可知，混凝土試件的泊松比變化與其所經(jīng)受的冷卻處理方式有關(guān)：高溫處理后，試件內(nèi)部顆粒間的膠結(jié)變?nèi)?，?dāng)經(jīng)受荷載作用時(shí)，更容易變形；同時(shí)，不均勻的冷卻方式使得試樣變脆，承載能力降低；但是，當(dāng)試樣全部放入水中急劇冷卻時(shí)其效果與鋼材淬火作用相似，增大了試件的脆性。

2.3.2 彈性模量

彈性模量是表征混凝土力學(xué)性能的重要參數(shù)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的變形、裂紋等具有重要的影響［19］。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段計(jì)算出未處理、氣冷、半水冷、全水冷的彈性模量，繪制應(yīng)力-彈性模量曲線如圖5所示。由圖5可知，彈性模量在線彈性階段內(nèi)呈現(xiàn)不同幅值的浮動(dòng)，但半水冷整體上呈直線，而未處理的試件則是先緩慢增大后保持恒定，全水冷和氣冷處理的試件則是先增大后減小。另外，通過比較彈性模量的大小，則是半水冷＜全水冷≈自然冷卻＜室溫冷卻，可見，400 ℃溫度處理后的混凝土試樣其彈性模量發(fā)生改變，但改變的大小及趨勢(shì)與其冷卻方式有關(guān)，緩慢冷卻增大了其彈性模量，而全水冷（急劇冷卻）則在線彈性前期沒影響，隨著應(yīng)力的增大則呈現(xiàn)出一定的劣化效果，半水冷（不均勻冷卻方式）對(duì)混凝土的彈性模量劣化最為嚴(yán)重。

2.4 冷卻方式對(duì)應(yīng)變特性的影響

圖6（a）給出了混凝土單軸壓縮條件下應(yīng)力峰值時(shí)的應(yīng)變與不同冷卻方式的關(guān)系。自然冷卻下軸向應(yīng)變?chǔ)?為0.003 17，側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?為-0.000 85，體積應(yīng)變?chǔ)舦為0.002 32；半水冷條件下ε1為0.007 58，ε3為-0.000 311，體積應(yīng)變?chǔ)舦為0.007 25；全水冷條件下應(yīng)變?chǔ)?為0.012 24，ε3為-0.007 84，體積應(yīng)變?chǔ)舦為0.002 31。這表明氣冷條件下軸向應(yīng)變最小，半水冷條件下軸向應(yīng)變次之，而軸向應(yīng)變最大值出現(xiàn)在全水冷條件下。此外，混凝土在高溫后全水冷條件下體積應(yīng)變最大，說明該條件下混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展最快且變形劣化最為嚴(yán)重。同時(shí)，為了分析相同荷載條件下不同冷卻方式對(duì)混凝土位移特性的影響，如圖6（b）所示，選取了荷載為6 MPa時(shí)的應(yīng)軸向、側(cè)向及體應(yīng)變進(jìn)行分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全水冷對(duì)混凝土試件應(yīng)變的影響小于半水冷，而自然冷卻條件下軸向應(yīng)變最小。

2.5 基于超聲波的混凝土損傷分析

巖石等經(jīng)荷載或者是高溫等作用后，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的損傷。而通過超聲波測(cè)試可以方便地對(duì)材料進(jìn)行無損測(cè)試。很多學(xué)者對(duì)于縱波波速與巖石損傷之間的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究，并通過縱波速度的變化來定義試樣的損傷因子D［17，20］：

D≈1－（Vp/Vf）2

式中：Vp為損傷后巖石中的縱波波速，m/s；Vf為損傷前巖石中的縱波波速，m/s。在定量計(jì)算混凝土不同冷卻后的損傷因子時(shí)，同樣引入公式（1）計(jì)算得到，在空氣中自然冷卻、半水冷、全水冷處理的損傷因子依次為0.480，0.534，0.476。可見混凝土試件在經(jīng)受400℃高溫作用后，冷卻方式對(duì)其損傷影響不是特別大，緩慢冷卻（空氣中冷卻）和急劇冷卻（全水冷）所造成的損傷相近，且大于不均勻冷卻（半水冷）。分析原因可以認(rèn)為急劇冷卻導(dǎo)致了內(nèi)部產(chǎn)生較多的微裂紋，而在空氣中緩慢冷卻則因高溫作用，砂粒間的水泥漿膠結(jié)減弱；而半水冷方式則是在冷卻的同時(shí)，存在一定的余溫，毛細(xì)作用下毛細(xì)水與水泥漿等作用析出微小晶體將微裂紋填充，因此，半水冷產(chǎn)生的損傷相對(duì)較大。

3 結(jié) 論

本文對(duì)混凝土試件進(jìn)行400 ℃高溫處理后，采用自然冷卻、室溫冷卻、半水冷、全水冷4種方式進(jìn)行冷卻處理，并使用聲波儀及力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)處理后混凝土試件波速和單軸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)不同冷卻條件下混凝土力學(xué)特性、波速變化、應(yīng)變特性及損傷演化進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1） 高溫作用后混凝土試件的強(qiáng)度劣化程度與其冷卻方式密切相關(guān)。不均勻冷卻方式（半水冷）對(duì)于混凝土試件的強(qiáng)度劣化影響最大；全水冷使得試樣急劇冷卻，但是整體上其冷卻是均勻的，其強(qiáng)度劣化相較于半水冷而言，降低的幅度較小；氣冷是一種均勻緩慢的冷卻方式，其內(nèi)部的熱量可緩慢輻射到空氣中，對(duì)于強(qiáng)度的劣化降低較小，但增強(qiáng)了混凝土的脆性特征。

（2） 試樣的波速變化與冷卻方式有關(guān)。自然冷卻時(shí)混凝土的波速最小，為2 560 m/s；高溫后全浸泡冷卻時(shí)混凝土波速居中，為2 570 m/s；而高溫后半浸泡冷卻時(shí)混凝土波速最小，為2 420 m/s。

（3） 高溫后混凝土試件的泊松比變化也受冷卻方式的影響。高溫處理后不均勻的冷卻方式使得試樣變脆，承載能力降低，而混凝土試件全部放入水中急劇冷卻，脆性顯著增強(qiáng)?；炷翉椥阅Ａ康淖兓彩芾鋮s方式的影響，自然冷卻使彈性模量增大；全水冷對(duì)彈性階段前期影響較小，而隨著荷載增加，彈性模量劣化較嚴(yán)重；半水冷對(duì)混凝土的彈性模量的劣化最為顯著。

（4） 不同冷卻方式對(duì)高溫后混凝土損傷劣化的影響程度不同，緩慢冷卻（自然冷卻）、急劇冷卻（全水冷）和半水冷對(duì)應(yīng)的損傷系數(shù)分別為0.480，0.476，0.534。

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（編輯：鄭 毅）

Research on damage evolution of concrete under different cooling methods after high temperature treatment

ZHUANG Zhikai1，ZHANG Wei1，ZHANG Kun2，LU Xiaocang1，CHEN Yong1

（1.PowerChina Guiyang Engineering Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China； 2.College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

In order to explore the impact of different cooling conditions on the mechanical properties and damage evolution of concrete after high temperature treatment，the wave velocity and uniaxial strength of concrete specimens were measured by sonic instrument and a mechanical testing system.According to the results，the concrete strength deteriorated the most under half water-cooling condition compared with other cooling conditions.Meanwhile，the analysis on Poisson＇s ratio and elastic modulus of concrete specimens showed that the half water-cooling condition had the great impact on concrete bearing capacity and crisped the concrete.Under the three cooling conditions of natural cooling，full water-cooling and half water-cooling，the test wave velocities of concrete samples were 2.56，2.57 km/s and 2.42 km/s，and test damage coefficients were 0.480，0.476 and 0.534 respectively，which showed that the half water-cooling damaged the concrete most after the high temperature treatment.The conclusions can be applied to the design and maintenance of concrete structure after high temperature.

Key words： high temperature treatment；concrete damage；cooling methods；wave velocity；mechanical property

收稿日期：2022-01-26

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合支撐［2017］2036）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52078261）

作者簡(jiǎn)介：莊志凱，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)抗火、工程抗震以及混凝土無損檢測(cè)。E-mail：18985191638@qq.com