高溫作用下混凝土耐久性劣化性能研究

劉　慶，趙鐵軍，劉志強，曹承偉

(青島理工大學土木工程學院，青島　266033)

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高溫作用下混凝土耐久性劣化性能研究

劉慶，趙鐵軍，劉志強，曹承偉

(青島理工大學土木工程學院，青島266033)

建筑結構中的混凝土材料在遇到火災時，往往會暴露在高溫的作用下，而高溫作用后混凝土的相關性能對建筑物的使用安全性至關重要。本文介紹了高溫對混凝土的物理性能和力學性能的影響。混凝土試塊會經過相對較低溫度(小于300 ℃)和相對高的溫度作用，并通過不同的冷卻方式后得到混凝土試塊的抗壓強度。高溫作用后混凝土的抗壓強度會嚴重劣化，混凝土的剩余強度也隨著冷卻制度的不同而不同。隨著溫度的升高，混凝土的斷裂能逐漸降低。且高溫作用后混凝土抗毛細吸水性能嚴重劣化，噴水冷卻后混凝土的毛細吸水能力顯著增大。

高溫作用； 剩余強度； 斷裂能； 耐久性

1　引　言

混凝土被廣泛應用于世界各地，石油工程、天然氣產業、核工業和電力工業等是主要的使用對象。除了通常所說的火災，以上所提到的建筑物有時還會在高溫和壓力下暴露相當長的一段時間，盡管混凝土通常被認為是防火性能很好的材料，但是很多研究表明混凝土在高溫下會發生損傷甚至突變失效。高溫下混凝土的強度、彈性模量和體積穩定性等力學性能均呈現出明顯的降低。Noumowe等學者研究認為[1-3]：200 ℃左右時，混凝土抗壓強度與常溫下相比有所上升[4-6]； 400 ℃左右時，抗壓強度開始下降；400～800 ℃時強度損失嚴重，其中400～600 ℃為強度下降最快的溫度段。對于耐久性能的損失，當前研究[7-9]一致認為，混凝土的孔隙率和滲透性隨溫度的升高而增大。混凝土在高溫下的損傷機理一般分為以下幾個方面：①高溫去水化作用；②溫度梯度應力；③骨料及界面區的破壞；④蒸汽壓力作用。這些機理的單因素或者多因素的結合，使得混凝土在高溫下更容易產生劣化損傷。

國內外學者對高溫后混凝土的性能進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果，但對高溫后混凝土耐久性能影響的研究卻相對較少。因此，本文對高溫后混凝土的抗壓強度，高溫后混凝土的毛細吸水性能以及混凝土的斷裂能進行了研究，從而定量評價高溫對混凝土耐久性能的影響。

2　試　驗

2.1原材料與配合比

本試驗所用的原材料均來自青島本地，且試件均為普通混凝土試件。水泥為山水水泥廠生產的PO·42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑為5～25 mm連續集配的花崗巖碎石；細骨料為青島大沽河砂，最大粒徑5 mm；水為自來水；減水劑為聚羧酸高效減水劑；本試驗用配合比如表1所示，水泥的具體成分如表2所示。

表1　混凝土的配合比

注：減水劑的質量為占膠凝材料的百分比。

表2　水泥的化學成分及礦物

2.2試驗內容及方法

制作尺寸為100×100×100 mm3和100×100×515 mm3兩種試塊，24 h后拆模，拆模后將其放入標準養護室中養護至28 d齡期。28 d后將試塊取出，將試塊放在溫度20 ℃、相對濕度為50%的環境中直至內外濕度平衡，以防止加熱時由于試塊內外溫差過大導致的爆裂破壞。將試塊放入高溫爐中加熱至試驗設計溫度(設計溫度為100、200、300、400、500、600 ℃，強度試驗時需要增加700、800 ℃兩個溫度點)，然后保持恒溫3 h從而保證內部溫度和表面溫度一致。加熱結束后，取出試塊對其用不同冷卻方式進行冷卻，冷卻方式包括自然冷卻和噴水冷卻。

2.2.1強度試驗

對經過高溫作用并通過不同的冷卻方式冷卻后的混凝土立方體試塊進行抗壓強度測試，對于兩種冷卻方式，每個溫度點取三個試塊的平均值作為其抗壓強度，以減小試驗誤差。試驗使用YAW-3000D型恒應力壓力試驗機，測試時加載速度為1 MPa/s，混凝土立方體的抗壓強度按式(1)計算。

(1)

式中，fcu-混凝土立方體試件抗壓強度(MPa);P-破壞荷載(kN);A-試件承壓面積(mm2)。

2.2.2斷裂能試驗

本文采用三點彎曲法來測試混凝土的斷裂能，該方法是由Hillerborg教授在1985年最先提出，1985年RILEM協會認定為測試斷裂能的標準方法，是目前應用比較廣泛的測定混凝土斷裂能的方法之一[10]。三點彎曲試驗采用尺寸為100×100×400 mm3的混凝土棱柱體試件，在對試件加熱并冷卻后，在試件下表面的中心處制作一個凹槽和預留一個縫高比a/H=0.5的初始裂縫。具體細節如圖1所示。

試驗使用日本島津生產的電子萬能試驗機進行加載，兩支點之間的距離為390 mm，把兩個電子引伸計固定于混凝土試件兩側用于測量其彎曲撓度。試驗開始前先測量試件的自重W，然后安裝好試件。加載速度設定為0.3 mm/min。通過與試驗機相連的電腦實時測定荷載和撓度的變化，并直接得到三點彎曲試驗的荷載-撓度曲線。三點彎曲試驗的斷裂能按照式(2)[11]計算。

GF=(E+Wδ0)/Alig

(2)

式中：E-荷載-撓度曲線與坐標軸所圍成的面積；W-梁的線密度，可用梁重除以Lz得到；δ0-試件最終破壞時的撓度變形；Alig-斷裂韌帶面積。

圖1　三點彎曲試驗試件加載示意圖Fig.1　Three point bending test

圖2　毛細吸水示意圖Fig.2　Capillary suction schematic

2.3毛細吸水試驗

用切割機將100×100×100 mm3的混凝土立方體試塊切成100×100×50 mm3，對其進行高溫加熱，然后進行毛細吸水試驗。試驗按照國際標準ISO 15148[12]規定的方法，試驗前先將試塊放入(60±1) ℃的烘箱中烘至恒重，烘干后將試塊取出放在試驗溫度下靜置24 h，并用環氧樹脂密封試塊的四個側面僅保留成型面和底面，從而保證試塊是一維吸水。其具體試驗過程如圖2所示。

在試塊開始毛細吸水之前先稱量試塊的質量，并在吸水時間達到0、0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d 時，分別將試塊從試驗箱中取出，擦干表面的附著水，并迅速稱量試塊的質量，然后將試塊放回原處進行后續的試驗。根據測得的試塊質量變化數據繪制ΔW-√t曲線，并通過曲線擬合得到毛細吸收系數A，用來描述混凝土的滲透性。

圖3　高溫作用后混凝土的剩余強度(a)A ratio；(b)B ratioFig.3　Residual strength of concrete after elevated temperature

3　結果與討論

3.1高溫作用后混凝土剩余抗壓強度的變化

圖3所示為A、B配比混凝土在高溫加熱并經過噴水冷卻和自然冷卻(噴水冷卻用W表示，自然冷卻用A表示)兩種冷卻方式后的剩余強度變化曲線。由圖中曲線可知，隨著溫度的升高，混凝土試塊的剩余強度總體上呈現下降趨勢。自然冷卻的混凝土試塊，當溫度小于400 ℃時，其剩余強度變化并不明顯，在300～400 ℃之間剩余強度表現出了一定程度的升高。已有相關研究表明，在300～400 ℃溫度范圍內，混凝土內部的水分大量汽化，使未水化的水泥顆粒發生類似蒸汽養護的作用。也就是說相對較低的高溫有利于水泥的水化[13]，水泥水化的主要產物為C-S-H凝膠和Ca(OH)2晶體，這兩大產物構成了混凝土中水泥石的強度，從而使混凝土的強度有一定程度的增長[14]。A配比混凝土在400 ℃高溫作用后強度增大，而B配比混凝土在300 ℃高溫作用后便產生強度增長。高溫作用使得內部未水化水泥顆粒水化速度加快的同時也會對混凝土的內部造成損傷，使混凝土內部產生微裂縫，從而其內部的孔隙率增大。由于B配比混凝土的水灰比較大，孔隙率較高，因此在相對較低的溫度下混凝土內部孔隙率便達到臨界值，其強度達到最大。此外，由于冷卻制度的不同，冷卻后混凝土的剩余強度有明顯的差異。噴水冷卻后的混凝土剩余強度明顯小于自然冷卻后混凝土的剩余強度。在噴水冷卻的過程中，由于混凝土表面溫度較高，當與水接觸時表面溫度迅速降低，而內部溫度高，較大的溫差導致混凝土膨脹，使其內部產生更多新的微裂縫，混凝土的損傷加劇，進而使剩余抗壓強度迅速降低[15]。

3.2高溫后混凝土斷裂能的變化及分析

本試驗對B配比混凝土棱柱體試塊在高溫作用后并經過不同冷卻方式后的棱柱體試塊進行三點彎曲試驗。將所得試驗數據從電腦中導出，可以得到試件的荷載—撓度曲線，然后用Origin軟件進行處理，得到混凝土試件的平均荷載—撓度曲線。

圖4　混凝土棱柱體荷載-撓度曲線(a)高溫后自然冷卻；(b)高溫后噴水冷卻；(c)未加熱混凝土Fig.4　(a)The load-deflection curve of the natural-cooling concrete prism after elevated temperature (b)The load-deflectioncurve of the water-cooling concrete prism after elevated temperature (c)The load-deflection curve of the concrete without heating

圖4所示a、b分別為混凝土試塊高溫后經過自然冷卻和噴水冷卻后的平均荷載—撓度曲線，c為未經處理的混凝土試塊的平均荷載—撓度曲線。由圖中曲線可知：(1)隨著溫度的升高，混凝土的最大彎曲荷載呈現下降的趨勢。100℃作用后混凝土的彎曲荷載出現一定的增長，而隨著作用溫度的繼續升高混凝土的最大荷載逐漸減小，其原因是混凝土在高溫作用下，內部未水化的水泥顆粒繼續水化使其強度逐漸增大，而在更高的溫度作用后，其內損傷的累積使得承載力逐漸降低；(2)隨著溫度的升高，混凝土的荷載-撓度曲線逐漸變緩并有平行于橫軸的趨勢，最大極限撓度增大。這是因為在高溫作用下，混凝土內部和表面出現微裂縫和宏觀裂縫，這些裂縫在荷載作用下會張開、閉合或進一步發展，增大了彈塑性變形能力；(3)隨著作用溫度的升高，混凝土的荷載增長階段曲線的斜率變緩，在達到最大荷載后混凝土的軟化階段也更加不明顯，其原因為高溫后混凝土產生的裂縫使混凝土提前進入塑性階段；(4)不同的冷卻方式混凝土的荷載-撓度曲線相差不大。

圖5　CONSOFT軟件擬合界面Fig.5　Fitting interface of CONSOFT

圖6　高溫溫度及不同冷卻制度對混凝土斷裂能的影響Fig.6　Influence of elevated temperature and cooling system on the fracture energy of concrete

通過Consoft軟件可將不同溫度作用后的混凝土試件的平均荷載—撓度曲線進行光滑處理，并用Consoft軟件擬合，得到試件的平均斷裂能。Consoft軟件處理數據界面如圖5所示。

高溫后混凝土的斷裂能見圖6。從圖中曲線可以看出，隨著作用溫度的升高，混凝土的殘余斷裂能整體上呈下降的趨勢。在100 ℃和400 ℃溫度作用后，自然冷卻的混凝土的斷裂能出現一定增長，而噴水冷卻的混凝土的殘余斷裂能總體上呈現下降的趨勢。已有研究表明[16]，混凝土的斷裂能與其內部含水量的大小有關。一方面，混凝土內部的水分含量越高，液體的表面張力也就越大，混凝土的內部顆粒所受到的排斥力就越大，在外部荷載的作用下更容易產生裂縫，使其斷裂能降低；另一方面，混凝土在荷載作用下會產生變形，變形所吸收的能量以應變能的形式儲存在混凝土中。隨著荷載的增大，混凝土內部的應變能不斷積累，當應變能達到某一臨界值時，就會形成裂縫以表面能的形式釋放出來，而當釋放的應變能和形成新裂縫的所需的表面能相同時，裂縫停止發展。隨著混凝土內部水分的增加，混凝土的表面能逐漸降低，形成裂縫所需的應變能變小，從而斷裂能減小。

3.3高溫對混凝土毛細吸水性能的影響

圖7　混凝土的毛細吸水量變化曲線(a)自然冷卻后A配比；(b)噴水冷卻后A配比；(c)自然冷卻后B配比；(d)噴水冷卻后B配比Fig.7　Capillary water absorption curve of concrete

圖8　高溫后混凝土的毛細吸收系數變化示意圖Fig.8　The change of capillary absorption coefficient of concrete after high temperature

圖7所示為A、B配比混凝土在不同溫度作用后并經過自然冷卻和噴水冷卻后的單位面積毛細吸水量與時間的平方根之間的關系曲線。由圖中曲線可知，隨著溫度的升高，混凝土的毛細吸水量增大，毛細吸水曲線變陡，當作用時間超過一定值時，吸水曲線變緩，。其原因是在高溫作用下，由于混凝土內部溫度場的不均勻分布等因素使其內部產生較高的應力，從而對混凝土造成損傷。高溫使混凝土內部產生微裂縫，進而使其孔隙率增大，在毛細作用下水分快速的進入混凝土中，從而使混凝土的吸水量迅速增大。

本文取混凝土前兩個小時的試驗數據，并對其用Origin進行擬合，所得到的曲線斜率即為混凝土的毛細吸收系數。高溫作用后混凝土毛細吸收系數的變化情況如圖8所示。由圖像可知，隨著作用溫度的升高，混凝土的毛細吸收系數逐漸增大。對于A配比混凝土，在100 ℃作用后，混凝土的毛細吸收系數增長緩慢。在200～500 ℃溫度區間時，混凝土的毛細吸收系數逐漸增大，但當溫度達到600 ℃后，混凝土的毛細吸收系數急劇增大，這說明此溫度作用下混凝土內部遭到嚴重的破壞。而對于B配比混凝土試塊，隨著溫度的升高，混凝土的毛細吸收系數與A配比混凝土相比增長較為緩慢，當溫度高于200 ℃以后，A配比混凝土的毛細吸收系數便超過相同溫度作用下的B配比混凝土的毛細吸收系數，這說明水灰比較小的混凝土在高溫作用下其滲透性劣化更為嚴重。不同的冷卻方式下，噴水冷卻的混凝土的毛細吸收系數大于自然冷卻的混凝土的毛細吸水系數。

4　結　論

(1)隨著作用溫度的升高，混凝土的剩余抗壓強度總體上呈現下降的趨勢。當作用溫度小于300 ℃時，自然冷卻的混凝土試塊的剩余抗壓強度降低較小，400 ℃左右時甚至有小幅上升；而在高溫作用后，經過噴水冷卻的混凝土試塊的剩余強度則逐漸降低，且整體上小于自然冷卻的混凝土試塊的剩余強度；

(2)對得到的混凝土試塊的平均荷載—撓度曲線進行擬合，可以得到混凝土試件在不同溫度作用后的殘余斷裂能。隨著溫度的升高，混凝土的殘余斷裂能逐漸降低，自然冷卻的混凝土試件的斷裂能大于噴水冷卻的混凝土試件；

(3)混凝土的抗毛細吸收性能由于高溫作用而劣化嚴重，因此其毛細吸水量和毛細吸收系數迅速增長，這說明高溫作用后混凝土的抗滲透性顯著降低。高溫作用后，經過噴水冷卻的混凝土試塊內部的微裂縫增多，孔隙率明顯增大，吸水能力顯著提高，耐久性劣化嚴重。

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Degradation of Durability of Concrete under Elevated Temperature

LIUQing,ZHAOTie-jun,LIUZhi-qiang,CAOCheng-wei

(Department of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China)

Concrete material in structures is likely exposed to high temperatures during fire. The relative properties of concrete after such an exposure are of great importance in terms of the serviceability of buildings. This paper presents the effects of elevated temperatures on the physical and mechanical properties of concrete. Compressive strengths of concrete which were exposed to a relatively low temperature (less than 300 ℃), a relatively high temperature and cooled differently (in air and water) were obtained. The compressive strength of specimens will deteriorate badly after heating, and the residual strength of concrete is also different with the cooling regime. With the increase of the temperature, the fracture energy of concrete can be reduced gradually. Moreover, the ability of anti-capillary absorption was deteriorated seriously and the capillary water absorption capacity of concrete is significantly increased after water cooling.

elevated temperature;residual strength;fracture energy;durability

973項目(2015CB655100)；國家自然科學基金資助重點國際合作項目(51420105015)

劉慶(1991-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土材料耐久性方面的研究.

趙鐵軍，教授，博導.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0897-06