高溫冷卻對混凝土剪切性能的影響*

林乙玄

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,福建 南平 353000)

0 引言

隨著現(xiàn)代工程活動的頻繁增加,混凝土作為原材料在工程上的應(yīng)用也越來越廣泛,現(xiàn)代建筑物不僅為了滿足居住的需求,還要滿足在某些特殊條件下的安全使用,比如滿足軍事戰(zhàn)略的防御要求等.混凝土中往往會含有天然的結(jié)構(gòu)缺陷,這些缺陷會影響混凝土的性能,在受到不同外力或者高溫情況下,這些缺陷容易引起結(jié)構(gòu)自身的失穩(wěn)破壞[1],在混凝土建筑物的長期使用中,極大概率的會遇到發(fā)生火災(zāi)的情況,火災(zāi)對于混凝土的性能有重大影響,高溫會引起混凝土骨料及水泥基體之間發(fā)生熱膨脹,嚴(yán)重時甚至?xí)鸹炷恋膭兟?這將極大地削減混凝土的承載能力[2-3].混凝土在高溫過后的性能會發(fā)生較大改變,經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者數(shù)年來針對這一課題的研究,得出了熱處理對混凝土強度影響的經(jīng)典強度損失模型[4-5].為了研究火災(zāi)后混凝土建筑的安全使用情況,評價火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)性能與力學(xué)特性,研究者們對經(jīng)歷高溫后的混凝土進(jìn)行了試驗,探究了混凝土的力學(xué)特性[6-7].

影響混凝土剪切性能的不僅是在加熱階段,在冷卻階段時不同的冷卻方式對混凝土的性能也有很大影響.然而,過去的大量研究只關(guān)注了混凝土在升溫階段中的熱損傷,忽略了混凝土在降溫階段過程中結(jié)構(gòu)的改變.因此對于混凝土在不同溫度以及不同的冷卻方式下的高溫力學(xué)行為非常有必要展開研究.雖然近年來對于高溫下的混凝土的力學(xué)行為和物理、化學(xué)方面的改變有較多研究,對于不同的冷卻方式也有較多研究.然而,關(guān)于高溫后不同冷卻方式下混凝土的剪切力學(xué)行為研究較少,關(guān)于混凝土在不同溫度和冷卻方式下的聲發(fā)射規(guī)律的報道也較少.高溫處理后對于混凝土的剪切性能有何重要影響,微觀結(jié)構(gòu)如何變化?這對于火災(zāi)后建筑物和隧道的安全使用具有重要意義.

早期研究者們就發(fā)現(xiàn)混凝土的性能與混凝土前期的配合比、養(yǎng)護(hù)條件、壓實度、水灰比以及水泥類型等因素密切相關(guān)[8-9].混凝土后期的性能受到溫度、環(huán)境濕度、腐蝕以及凍融等眾多因素的影響,這些影響不僅會改變混凝土的外觀顏色,更重要的是改變了混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分[10-11].這些研究對于后人研究的開展具有重要意義,但在解釋溫度對于混凝土力學(xué)性能的提高或者降低是不全面的,混凝土力學(xué)性能的改變往往是多種因素共同作用的結(jié)果.因此,研究高溫處理后對于混凝土的剪切性能變化的影響,對火災(zāi)后建筑物和隧道的安全使用具有重要意義.

1 試驗方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗使用混凝土試件為22塊,其中常溫組2塊,高溫溫度梯度為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃以及500 ℃,每個溫度梯度的試件為4塊(水冷2塊、氣冷2塊).經(jīng)過溫度處理的試件用阿拉伯?dāng)?shù)字+英文字母命名,前者表示試件的溫度,后者表示冷卻方法,例如200 ℃水冷卻試件用200-W表示.混凝土試樣水灰比為0.4,水為自來水,水泥為IP42.5硅酸鹽水泥,砂為機制砂,三者配合比為水∶水泥∶砂=0.4∶1∶2,混凝土利用模具澆筑一天后對其進(jìn)行脫模,之后放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行相對濕度為95%的養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時間28 d,試件尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的方形試件,試驗前對試件端面進(jìn)行磨平,使其平整度滿足試驗要求.

1.2 升溫過程曲線

利用馬菲爐對混凝土試件進(jìn)行升溫試驗,將養(yǎng)護(hù)完成的混凝土試件利用真空飽水機進(jìn)行完全飽水后,采用核磁共振儀對試件進(jìn)行T2譜測定,之后將測試完成的試件放置烘干箱內(nèi)進(jìn)行烘干,烘干至混凝土試件質(zhì)量不再發(fā)生變化為止.試件的溫度分別設(shè)置為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃,馬菲爐升溫速度為每分鐘6 ℃,試件升溫至目標(biāo)溫度后保持該溫度2 h.之后對試件進(jìn)行冷卻處理,冷卻方式分為空氣冷卻和遇水冷卻,空氣冷卻為將馬菲爐中加熱到目標(biāo)溫度的混凝土試件放置在爐內(nèi)自然冷卻,遇水冷卻為將馬菲爐中的混凝土試件加熱到目標(biāo)溫度2 h后直接取出,放入事先準(zhǔn)備好的水中迅速降溫至室溫.

1.3 直接剪切試驗過程

試驗采用DSZ-1 000應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗儀對試樣進(jìn)行直剪試驗,該試驗系統(tǒng)所能施加的最大水平荷載為500 kN.加載裝置及加載模型如圖1所示,試件放入剪切盒中,上下剪切盒水平,上剪切盒可前后水平移動,下剪切盒固定,通過壓頭推動上剪切盒向后移動進(jìn)行直剪試驗,試驗利用位移對試件進(jìn)行剪切加載,試驗剪切速度為0.02 mm/min,加載之前,先將法向壓力加載至1 MPa再進(jìn)行剪切方向的加載,并在剪切盒四周貼上聲發(fā)射探頭對試驗過程中的破壞進(jìn)行實時監(jiān)控.

(a)剪切加載裝置

(b)模型示意圖

2 結(jié)果和分析

2.1 不同冷卻方式下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

空氣冷卻方式下混凝土試樣的剪應(yīng)力-位移曲線見圖2.由圖2中曲線可以得出,常溫組混凝土試樣在剪切過程中隨著位移的增大剪應(yīng)力也在不斷上升,呈線性變化,剪應(yīng)力到達(dá)峰值后突然下降至2 MPa附近,隨著位移的繼續(xù)增加剪應(yīng)力保持該數(shù)值不變.100-A、200-A、300-A組混凝土試樣曲線和常溫組試樣曲線相似,都是剪應(yīng)力到達(dá)峰值后突然下跌并保持在一定數(shù)值附近.400-A和500-A組混凝土試樣剪應(yīng)力在達(dá)到峰值后并未突然降低,而是緩慢下降,表現(xiàn)出較強的塑性特征.在空氣冷卻條件下,隨著溫度的升高,混凝土的剪切強度先增大后減小,在300 ℃時達(dá)到峰值,比常溫時升高了36.7%,而當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時,混凝土剪切強度下降明顯,尤其是溫度達(dá)到500 ℃時,峰值剪應(yīng)力僅為常溫下的38%,基本失去了抗剪能力.隨著溫度的升高混凝土表現(xiàn)出的脆性特征先增強后減弱,300-A組混凝土破壞形式表現(xiàn)為突然的脆性破壞,而在400 ℃和500 ℃混凝土則表現(xiàn)出明顯的塑性特征.

圖2 空氣冷卻下的混凝土剪應(yīng)力應(yīng)變曲線

空氣冷卻方式下混凝土試樣的剪應(yīng)力-位移曲線見圖3.由圖3中曲線可以看出,經(jīng)歷水冷卻后的混凝土試樣抗剪強度均有所下降,100-W、200-W、300-W組混凝土試樣脆性特征較空氣冷卻下的混凝土試樣有所減弱,400-W和500-W組混凝土試樣抗剪強度降低幅度較大,并且破壞后的曲線較為復(fù)雜.在遇水冷卻條件下,隨著溫度的升高,混凝土的剪切強度單調(diào)遞減,尤其是500 ℃水冷卻時,混凝土的抗剪強度僅為常溫組的25%,在相同的溫度下表現(xiàn)出了比空氣冷卻更強的塑性特征,峰值剪應(yīng)力也有所降低,說明水冷卻比氣冷卻對混凝土的損傷大.

圖3 遇水冷卻下的混凝土剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 力學(xué)參數(shù)變化特征

對混凝土試件的峰值剪應(yīng)力進(jìn)行分析,研究了不同溫度下混凝土試件的峰值剪應(yīng)力,其變化規(guī)律如圖4所示,并對散點圖進(jìn)行擬合得出一定規(guī)律.

圖4 峰值剪應(yīng)力隨溫度的變化

圖4為不同冷卻方式下混凝土峰值剪應(yīng)力隨溫度的變化,其峰值強度有明顯區(qū)別.在300 ℃之前氣冷試件的峰值剪應(yīng)力單調(diào)增加,當(dāng)溫度超過300 ℃后單調(diào)遞減,說明一定范圍內(nèi)的高溫對混凝土的抗剪強度有提升作用.遇水冷卻下試件的峰值剪應(yīng)力隨溫度的升高單調(diào)遞減.峰值剪應(yīng)力與溫度的線性擬合表明,兩者之間存在一定的準(zhǔn)則.具體而言,不同冷卻處理的砂漿試件準(zhǔn)則可表示為:

風(fēng)冷條件下:

σmax=(-8.75e-5)t2+0.037t2+6

(1)

式(1)中,e代表的是自然常數(shù).

水冷條件下:

σmax=-0.011 16t+8.2

(2)

圖5 剪切應(yīng)力差隨溫度的變化

從圖5中能夠得出,同樣的處理溫度下,不同的冷卻方式對混凝土峰值剪應(yīng)力有很大影響,當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時兩者的剪切應(yīng)力差最大,隨著溫度的繼續(xù)升高兩者的剪切應(yīng)力差逐漸減小.由此看出,在加熱溫度為0～300 ℃時,水冷卻對混凝土試件的損傷大于氣冷卻,且這種損傷差會隨著溫度的升高而不斷增大,而當(dāng)溫度上升到一定值后,二者對混凝土損傷的區(qū)別會逐漸降低.

混凝土經(jīng)歷了高溫作用后,水泥基體和骨料接觸界面的黏結(jié)性能得到提高,水泥對骨料的包裹性得到加強,試件的整體性得到提升.在加載初期,隨著剪應(yīng)力的增加,聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡稱AE)事件率發(fā)生較低,峰前穩(wěn)定增長階段比常溫組的試件更加平緩,此階段由于水泥基體和骨料的黏結(jié)性得到加強,水泥基體和骨料共同承受了剪應(yīng)力,骨料相較于常溫組分擔(dān)了更多的剪應(yīng)力,使水泥基體破壞的過程延后,造成了峰前穩(wěn)定增長階段的AE事件率發(fā)生較低.在剪應(yīng)力達(dá)到最大值后,此時峰值剪應(yīng)力發(fā)生突降,產(chǎn)生了一次較大的AE事件率,累計AE事件進(jìn)入峰后快速增長階段,對應(yīng)的是剪切面水泥基體產(chǎn)生裂縫,之后剪應(yīng)力繼續(xù)緩慢下降,此階段對應(yīng)的是水泥基體裂縫逐漸與骨料貫通,此時剪應(yīng)力發(fā)生突降,剪切面上水泥基體和骨料接觸界面發(fā)生了破壞開裂,接觸界面裂縫與水泥基體的裂縫連接貫通,試件剪切成兩塊.

圖6為不同溫度下空氣冷卻混凝土試件的累計AE事件圖,通過對比五組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),經(jīng)歷高溫后的混凝土試件在剪切過程中,表現(xiàn)出不同特點.常溫組試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較快,經(jīng)過高溫處理后的試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較慢,尤其是200-A和300-A兩組試件,在峰前穩(wěn)定增長階段幾乎沒有AE事件率的發(fā)生,分析原因是由于水泥基體和骨料之間的黏結(jié)性能得到較大提高,混凝土試件的整體性增強,在剪切過程中水泥基體和骨料共同承擔(dān)剪應(yīng)力,使水泥基體的破壞延后.而400-A和500-A兩組試件在峰前穩(wěn)定增長階段增長速率相較于前三組高溫氣冷試件略有提升,仍小于常溫組試件,說明經(jīng)歷了過高的溫度后試件內(nèi)部產(chǎn)生了較多的小孔隙和微裂隙,嚴(yán)重影響了混凝土的力學(xué)性能.

圖6 空氣冷卻下不同溫度試件的累計AE事件

3 結(jié)論

1)不同溫度和冷卻方式對混凝土的影響不盡相同:氣冷條件下,隨著溫度的升高,混凝土抗剪強度呈現(xiàn)先增后降的趨勢,在初始加熱溫度達(dá)到300 ℃時,混凝土抗剪強度達(dá)到最高,而后隨著溫度的繼續(xù)升高抗剪強度快速下降.水冷條件下,混凝土試件的抗剪強度隨著溫度的升高單調(diào)降低.同樣溫度條件下水冷對混凝土試件的損傷大于氣冷.

2)在一定范圍內(nèi)溫度升高時,水冷卻對混凝土的損傷比氣冷卻更加明顯,而當(dāng)溫度上升到一定值后,二者對混凝土損傷的區(qū)別會逐漸降低.

3)經(jīng)歷高溫后的混凝土試件在剪切過程中,表現(xiàn)出不同特點,常溫組試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較快,經(jīng)過高溫處理后試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較慢,在峰后快速增長階段增長速度較快.