高溫后靜置輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

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摘要：研究了高溫作用溫度、靜置時(shí)間和冷卻方式對(duì)高溫后輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度基本呈降低趨勢(shì)；自然冷卻試件在溫度低于900℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)基本趨于穩(wěn)定；900℃高溫作用后，試件的抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)明顯降低。噴水冷卻試件在溫度低于300℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持不變；500℃和700℃作用后抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)明顯提高；900℃作用后，抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)大幅降低。靜置1d時(shí)，各溫度作用后自然冷卻試件的強(qiáng)度均高于噴水冷卻試件；靜置14、28d時(shí)，經(jīng)500、700℃作用后，噴水冷卻試件強(qiáng)度高于自然冷卻試件。

關(guān)鍵詞：高溫；輕骨料混凝土；靜置時(shí)間；冷卻方式；抗壓強(qiáng)度

在建筑行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，火災(zāi)頻發(fā)給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。混凝土暴露于火災(zāi)高溫環(huán)境中，其力學(xué)性能嚴(yán)重劣化最終導(dǎo)致建筑物破壞，噴水滅火措施則可能引起混凝土強(qiáng)度進(jìn)一步降低?；馂?zāi)后，混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律對(duì)災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估與加固修復(fù)至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為混凝土在高溫作用后靜置一段時(shí)間其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化。呂天啟等[1]研究認(rèn)為，高溫后靜置混凝土的強(qiáng)度會(huì)在某一個(gè)時(shí)間出現(xiàn)最小值，這個(gè)特定的時(shí)間可以認(rèn)為是合理加固時(shí)間，隨著受火溫度的升高，合理加固時(shí)間會(huì)縮短。安然等[2]的研究則認(rèn)為，隨著靜置時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度不但不再降低，反而有所提高。賈福萍等[3]的研究表明，高溫后試件的殘余強(qiáng)度比隨靜置時(shí)間大致經(jīng)歷了降低-回升-持續(xù)3個(gè)階段，且最低強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間與受火溫度和冷卻方式密切相關(guān)。閻繼紅等[4]通過(guò)大量工程案例分析得出，混凝土高溫殘余強(qiáng)度與受火溫度、靜置時(shí)間、冷卻方式和養(yǎng)護(hù)條件相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度的最低值出現(xiàn)在靜置后的第3d。此外，骨料類型也是影響混凝土高溫后殘余強(qiáng)度的一個(gè)不可忽略的因素。姚建國(guó)等[5]的研究表明，對(duì)于自然冷卻試件，當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料混凝土均在高溫作用后第14d時(shí)達(dá)到抗壓強(qiáng)度最小值，硅質(zhì)骨料混凝土殘余強(qiáng)度比鈣質(zhì)骨料混凝土高；當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料混凝土均在高溫作用后第28d時(shí)達(dá)到抗壓強(qiáng)度最小值，鈣質(zhì)骨料混凝土殘余強(qiáng)度比硅質(zhì)骨料混凝土高。輕質(zhì)骨料混凝土往往表現(xiàn)出比普通骨料混凝土更為優(yōu)越的耐高溫性能[6]，但高溫后靜置時(shí)間對(duì)輕質(zhì)骨料混凝土殘余力學(xué)性能的影響還有待進(jìn)一步研究。因此，本實(shí)驗(yàn)選用頁(yè)巖陶粒作為粗骨料配制輕骨料混凝土，探究作用溫度、冷卻方式和靜置時(shí)間對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

水泥：華新水泥有限公司昆明分公司生產(chǎn)的P•O42.5水泥，主要性能見表1，化學(xué)成分見表2；粗骨料：寶珠牌頁(yè)巖碎石型陶粒（見圖1），最大粒徑20mm，級(jí)配良好，主要技術(shù)性能見表3；細(xì)骨料：由機(jī)制砂和山砂按質(zhì)量比1∶1混合而成的混合砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6；減水劑：四川卓科達(dá)建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率20%，固含量23%；水：自來(lái)水。

1.2配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)按結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，依據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和JGJ51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》，配制設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C30、坍落度為90~120mm的輕骨料混凝土。經(jīng)過(guò)多次適配，在保證拌合物不泌水、不離析且流動(dòng)性良好的基礎(chǔ)上得到輕骨料混凝土的配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（粗骨料）∶m（細(xì)骨料）∶m（減水劑）=470∶179∶534∶802∶4.7，拌合物坍落度為90~115mm，輕骨料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為53.1MPa。在配制混凝土前，將陶粒泡入水中使其預(yù)吸水1h，這部分水不計(jì)入配合比計(jì)算。

1.3試件制備

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件。試件成型1d后拆模，然后放入溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d后取出擦干備用。1.4試驗(yàn)方法混凝土高溫試驗(yàn)采用編程式箱式電爐以10℃/min的升溫速率將試件加熱到目標(biāo)溫度（100、300、500、700、900℃），之后恒溫3h。隨后對(duì)試件分別進(jìn)行如下2種冷卻方式處理：自然冷卻（隨爐自然冷卻至室溫）和噴水冷卻（高溫后立即取出噴水冷卻30min），分別記為A類和B類。在高溫作用后，試件分別靜置1、14、28d，之后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試件分別標(biāo)記為A類1d、A類14d、A類28d、B類1d、B類14d和B類28d。抗壓強(qiáng)度按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，加載速率為0.7MPa/s。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1溫度對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為試件經(jīng)不同溫度作用后的抗壓強(qiáng)度，圖3為試件經(jīng)不同溫度作用后的相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度（fcu，T/fcu，20），即各溫度作圖3溫度對(duì)輕骨料混凝土相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度的影響用后的抗壓強(qiáng)度（fcu，T）與其常溫20℃時(shí)抗壓強(qiáng)度（fcu，20）之比。由圖2、圖3可知，隨著溫度的升高，各組混凝土的抗壓強(qiáng)度基本呈降低趨勢(shì)。100℃作用后，A類1d組與B類1d組的抗壓強(qiáng)度略有提高，分別為常溫20℃時(shí)抗壓強(qiáng)度的106%和102%；其它組強(qiáng)度相較于常溫亦無(wú)明顯變化。在100℃高溫作用下輕骨料的返水特征可能促進(jìn)了水泥未水化顆粒的反應(yīng)，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度基本無(wú)衰減甚至略有提高[7]。之后至700℃，各組混凝土的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高幾乎呈線性降低；700℃作用后，各組混凝土仍有53%~69%抗壓強(qiáng)度殘余。700~900℃，各組混凝土的強(qiáng)度急劇降低，900℃時(shí)，各組混凝土僅有4%~30%抗壓強(qiáng)度殘余。在整個(gè)溫升過(guò)程中，A類試件相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度普遍高于B類試件。B類試件在噴水冷卻時(shí)，伴隨有尖銳的劈啪爆裂聲，骨料剝落，試件整體逐漸坍塌。

2.2靜置時(shí)間對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

A、B類試件高溫后抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。以靜置時(shí)間1d時(shí)的抗壓強(qiáng)度（fcu，1d）為基準(zhǔn)，各靜置時(shí)間的抗壓強(qiáng)度（fcu，t）與基準(zhǔn)強(qiáng)度的比為相對(duì)抗壓強(qiáng)度（fcu，t/fcu，1d）。從圖4、圖5可以看出，常溫下混凝土試件靜置至14d時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)提高至1d抗壓強(qiáng)度的113%，之后抗壓強(qiáng)度基本保持不變。對(duì)于A類試件，在100℃作用后，抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。300℃和500℃作用后，抗壓強(qiáng)度先下降后回升，14d圖5靜置時(shí)間對(duì)B類試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度的最低值，28d時(shí)可大致提高至1d時(shí)的強(qiáng)度值。700℃和900℃作用后，強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。900℃作用下，試件強(qiáng)度損失最嚴(yán)重，28d時(shí)僅為1d時(shí)的22%。在較低溫度作用后，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的微裂紋可能在輕骨料返水特性作用下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸愈合，強(qiáng)度有所提高。而在較高的溫度作用后，裂紋發(fā)展充分，加之水分喪失嚴(yán)重，所產(chǎn)生的裂紋不易愈合。因此強(qiáng)度隨靜置時(shí)間回升不明顯甚至急劇降低。對(duì)于B類試件，100℃作用后，強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)先提高后降低。300℃作用后，靜置14d和28d的試件強(qiáng)度較1d時(shí)略有提高。而在500℃和700℃作用后，抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)明顯提高。尤其是700℃作用后，14d抗壓強(qiáng)度可以提高至1d的125%，28d抗壓強(qiáng)度甚至提高至1d的139%。900℃作用后，抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)呈直線降低趨勢(shì)，28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度僅為1d時(shí)的24%。試件在500℃和700℃作用后抗壓強(qiáng)度的提高可能是由于Ca（OH）2高溫分解生成的CaO在噴水條件下重新生成Ca（OH）2，而輕骨料的多孔結(jié)構(gòu)可能為該反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力提供了緩沖空間。

2.3冷卻方式對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)比圖3試件在2種冷卻方式下的相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度可知，在靜置1d時(shí)，各溫度下A類試件的抗壓強(qiáng)度均高于B類試件，而在靜置14d和28d后，在500℃和700℃作用后，出現(xiàn)了B類試件抗壓強(qiáng)度高于A類試件的情況。B類試件在噴水冷卻時(shí)，由于試件內(nèi)外溫差而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力使得混凝土開裂，導(dǎo)致靜置1d時(shí)抗壓強(qiáng)度降低；但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫分解生成的CaO逐漸與水作用生成Ca（OH）2，而輕骨料的多孔結(jié)構(gòu)較好地緩解了因Ca（OH）2生成而造成的膨脹應(yīng)力，因此B類試件在500℃和700℃作用下抗壓強(qiáng)度高于A類試件。

3結(jié)論

（1）隨著溫度的升高，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度基本呈降低趨勢(shì)。（2）自然冷卻試件在溫度低于900℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)基本趨于穩(wěn)定；900℃高溫作用后，試件的抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)降低明顯。噴水冷卻試件在溫度低于300℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)基本保持不變；500℃和700℃作用后抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)明顯提高；900℃作用后，強(qiáng)度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)大幅降低。（3）靜置1d時(shí)，各溫度作用后自然冷卻試件的抗壓強(qiáng)度均高于噴水冷卻試件；靜置14d和28d時(shí)，500℃和700℃作用后，噴水冷卻試件抗壓強(qiáng)度高于自然冷卻試件。

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作者：郭榮鑫 管柏倫 馬倩敏 顏峰 王鋒憲 郭佳棟 單位：昆明理工大學(xué)