高溫對C80高性能混凝土軸壓強度及紅外熱像的影響

吳振戌，杜紅秀

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

高強高性能混凝土因具有高強度、高耐久性、高工作性、高體積穩(wěn)定性等特點，在大跨建筑、港口建筑以及高層建筑的應(yīng)用中越來越廣泛[1-3]。但高強高性能混凝土在火災(zāi)高溫作用時更容易發(fā)生爆裂[4-5]，這是因為高強高性能混凝土密實度大，經(jīng)受火災(zāi)高溫作用時其內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽壓力無法釋放，且蒸汽壓力隨受火溫度的升高不斷增大，當(dāng)蒸汽壓力超過高強高性能混凝土抗拉強度后，混凝土發(fā)生爆裂[6]。杜紅秀等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)高強高性能混凝土高溫后抗壓強度、彈性模量均下降，且最高溫度越大，強度下降越大。肖建莊等[8]研究發(fā)現(xiàn)高性能混凝土抗折強度隨著溫度的升高而下降。

然而高溫對摻加聚丙烯纖維(簡稱PP纖維)C80高性能混凝土高溫后軸壓強度、損傷檢測等方面報道較少，需要做進一步研究。為此，對PP纖維體積摻量為0%、0.2%的C80高性能混凝土模擬火災(zāi)高溫試驗，觀察其高溫后爆裂情況，研究受火溫度與C80高性能混凝土軸壓強度、紅外溫升的關(guān)系。

1 實 驗

1.1 紅外熱像檢測原理

紅外熱像檢測原理[9-10]：紅外熱像檢測是利用物體表面溫度和輻射發(fā)射率的差異形成可見的熱圖像，從而檢測物體表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷，并以此判斷材料性質(zhì)的一種無損檢測方法。高溫后混凝土?xí)l(fā)生開裂、疏松等破壞，受火溫度越高混凝土損傷越嚴(yán)重。使用外加熱源照射高溫后混凝土，混凝土由于損傷情況不同其紅外輻射不同，通過紅外熱像儀采集紅外熱像圖，分析其溫度變化數(shù)據(jù)，建立溫升與受火溫度的關(guān)系，進而推斷混凝土高溫后損傷情況。

1.2 原材料

水泥為太原產(chǎn)P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥；粗骨料為5～25 mm連續(xù)級配的石灰石碎石，級配合格；細骨料為細度模數(shù)2.89，級配良好的豆羅砂；礦粉是28 d活性指數(shù)為105.8%的S105級礦粉；硅灰是28 d活性指數(shù)為119.8%的埃肯微硅粉；減水劑選用聚羧酸高性能減水劑；水為市內(nèi)自來水；PP纖維是長度15 mm、直徑25 μm、熔點165 ℃左右的束狀單絲，其體積摻量分別為0%、0.2%；試驗用配合比見表1，HPC和PPHPC初始抗壓強度值分別為85.03 MPa、85.91 MPa。

表1 C80HPC配合比Table 1 Mix proportions of C80HPC /(kg/m3)

1.3 試驗方案

混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，試件成型、脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，然后靜置室內(nèi)自然干燥三周。使用SRJX型箱式電阻爐(額定電壓為220 V，最高工作溫度為1 200 ℃)對HPC和PPHPC模擬火災(zāi)高溫，本試驗升溫速率為5 ℃/min，受火溫度等級設(shè)定為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃六個溫度等級，且HPC和PPHPC均留置一組作為常溫(20 ℃)對比組，為確保混凝土試件內(nèi)部溫度與表面溫度保持一致，另制備6塊中心預(yù)埋熱電偶的150 mm立方體試件，如圖1所示，當(dāng)混凝土試件中心熱電偶的溫度達到設(shè)定溫度時，恒溫20 min，使混凝土內(nèi)外溫度保持一致，即認(rèn)為試件燒透，關(guān)閉電源，打開爐門，為了防止?fàn)C傷，待試件冷卻后取出試件[11-13]。本試驗一共七組，每組三塊，為防止試件爆裂影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，HPC和PPHPC均制備27塊。C80高性能混凝土試件如圖2所示。

圖1 埋置熱電偶的150 mm試件Fig.1 150 mm specimen of embedded thermocouple

圖2 HPC和PPHPC試件Fig.2 Specimens of HPC and PPHPC

圖3 TH9100WV紅外熱像儀Fig.3 TH9100WV infrared thermal imager

圖4 紅外檢測示意圖Fig.4 Schematic diagram of infrared detection

試驗采用TH9100WV型紅外熱像儀拍攝高溫后混凝土的紅外熱像，紅外熱像儀如圖3所示。外加熱源選用紅外線燈泡，檢測時，試件與外加熱源的距離(測距)分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m，C80高性能混凝土試件開始加熱及加熱時間為3 min時各拍攝一張紅外熱像圖，通過MikroSpec分析、處理紅外熱像圖，得出不同火災(zāi)溫度后試件的紅外溫升值。檢測模型如圖4所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀現(xiàn)象

受火溫度小于200 ℃時，HPC和PPHPC表面均無裂縫；300 ℃時，HPC出現(xiàn)明顯細微裂縫，PPHPC未出現(xiàn)裂縫；400 ℃時，PPHPC開始出現(xiàn)明顯細微裂縫，隨著溫度的升高，裂縫數(shù)量增加；600 ℃時，HPC棱柱體的邊緣發(fā)生剝落，PPHPC裂縫數(shù)量明顯增多，但未發(fā)生剝落。受火溫度為400 ℃、500 ℃、600 ℃的HPC和PPHPC試件如圖5所示。

圖5 HPC和PPHPC經(jīng)受400～600 ℃后外貌特征Fig.5 Appearance characteristics of HPC and PPHPC after 400-600 ℃

2.2 高溫后軸壓強度

圖6 HPC和PPHPC軸壓強度值Fig.6 Axial compressive strength values of HPC and PPHPC

不同受火溫度下HPC和PPHPC軸壓強度如圖6所示。隨受火溫度的升高，HPC和PPHPC軸壓強度均下降。受火溫度小于300 ℃時，軸壓強度損失較低；300 ℃時HPC和PPHPC剩余軸壓強度分別為65.94 MPa、69.82 MPa；300～400 ℃時下降最為迅速；400 ℃時HPC和PPHPC剩余軸壓強度分別為38.52 MPa、41.04 MPa。比較HPC和PPHPC可以發(fā)現(xiàn)，20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃時PPHPC的軸壓強度較HPC的軸壓強度高3.86%～8.40%，表明摻加PP纖維能降低高性能混凝土高溫后強度損失。400 ℃之后HPC和PPHPC軸壓強度大致相同且大幅度下降，500 ℃時HPC和PPHPC剩余軸壓強度分別為29.52 MPa、28.45 MPa，軸壓強度損失嚴(yán)重；600 ℃時HPC和PPHPC剩余軸壓強度分別為12.67 MPa、11.87 MPa，軸壓強度基本消耗殆盡。由于C80混凝土軸壓強度在300 ℃前后下降趨勢不同，本試驗以300 ℃為界，提出圖6中所示的簡化計算公式(各受火溫度下軸壓強度為HPC和PPHPC平均值)，式中，x為受火溫度(℃)，y為試件的軸壓強度(MPa)，該公式可用于推斷C80高性能混凝土高溫后軸壓強度。

2.3 紅外檢測

2.3.1 紅外熱像特征分析

高溫后HPC和PPHPC測距1.0 m、照射3 min時紅外熱像分別如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，隨著受火溫度的升高，紅外熱像顏色有顯著變化，經(jīng)MikroSpec分析、處理紅外熱像，發(fā)現(xiàn)紅外熱像的溫度值隨受火溫度的升高而上升，原因可能是高溫后混凝土損傷較嚴(yán)重，混凝土表面有更多的孔隙和裂縫，當(dāng)紅外熱源照射時，高溫后混凝土表面與常溫時混凝土表面相比有更多的熱堆積，所以高溫后混凝土的紅外熱像溫度值較大。

圖7 HPC在不同受火溫度情況下紅外熱像Fig.7 Infrared images of HPC at different fire temperatures

圖8 PPHPC在不同受火溫度情況下紅外熱像Fig.8 Infrared images of PPHPC at different fire temperatures

比較圖7和圖8，HPC紅外熱像溫度值與PPHPC紅外熱像溫度值相比較低，原因可能是高溫后PP纖維融化，致使PPHPC生成較多的毛細孔，當(dāng)外加熱源照射時，PPHPC表面較HPC有更多的熱堆積，致使PPHPC紅外熱像的溫度值高于HPC紅外熱像的溫度值。

2.3.2 紅外溫升結(jié)果與分析

圖9 測距對紅外溫升的影響Fig.9 Effect of ranging on infrared temperature rise

不同測距時，HPC和PPHPC紅外溫升隨受火溫度的變化如圖9所示。相同受火溫度、PP纖維摻量時，紅外溫升隨測距增加而降低，在0.8～1.0 m時紅外溫升下降最為迅速，受火溫度為20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃時，HPC在1.0 m紅外溫升較0.8 m紅外溫升分別降低了41.67%、38.46%、40.63%、50%，PPHPC在1.0 m紅外溫升較0.8 m紅外溫升分別降低了36%、41.38%、36.36%、44%。原因可能是隨著測距的增加，外加熱源照射到混凝土表面紅外輻射能降低，雖然混凝土表面孔隙和裂縫沒有變化，但混凝土表面的熱堆積減少，則加熱到3 min時紅外熱像的溫度較低，從而混凝土紅外溫升值較低。

相同測距時，HPC和PPHPC紅外溫升隨溫度的升高均增加，在300～400 ℃時上升最為迅速，測距越近變化越明顯。測距為0.8 m時，HPC在200 ℃、400 ℃、600 ℃的紅外溫升較20 ℃紅外溫升分別升高了8.33%、33.33%、37.55%，PPHPC在200 ℃、400 ℃、600 ℃的紅外溫升較20 ℃紅外溫升分別升高了16%、32%、44%。相同測距、受火溫度時，PPHPC紅外溫升大于HPC紅外溫升，原因可能是PP纖維高溫后融化生成毛細孔和通道，在外加熱源照射時PPHPC紅外熱像溫度值大于HPC紅外熱像溫度值，從而PPHPC紅外溫升大于HPC紅外溫升。

2.4 受火溫度與紅外溫升對抗壓強度的影響

考慮紅外檢測技術(shù)在實際工程中應(yīng)用，HPC和PPHPC的受火溫度與紅外溫升(1.2 m)對軸壓強度的影響分別如圖10和圖11所示，擬合公式如下：

HPC受火溫度、紅外溫升與軸壓強度的關(guān)系：

Z=73.49+8.07×10-3X+1.2×10-2Y-1.46×10-4X2-3.25×10-7XY-1.99×10-4Y2

(1)

R2=0.959 8

PPHPC受火溫度、紅外溫升與軸壓強度的關(guān)系：

Z=79.23+1.23×10-3X+6.26×10-3Y-1.36×10-4X2-4.78×10-7XY-2.11×10-4Y2

(2)

R2=0.967 2

式中，X為紅外溫升(℃)，Y為受火溫度(℃)，Z為混凝土試件的軸壓強度(MPa)。

由式(1)和式(2)可知，C80高性能混凝土紅外溫升、受火溫度和軸壓強度的相關(guān)性較高，可為C80高性能混凝土火災(zāi)后軸壓強度的損傷推斷提供參考。

圖10 HPC紅外溫升、受火溫度對軸壓強度的影響Fig.10 Effects of infrared temperature rise and fire temperature on axial compressive strength of HPC

圖11 PPHPC紅外溫升、受火溫度對軸壓強度的影響Fig.11 Effects of infrared temperature rise and fire temperature on axial compressive strength of PPHPC

3 結(jié) 論

(1)受火溫度小于200 ℃，HPC和PPHPC均無裂縫，隨受火溫度升高，混凝土出現(xiàn)裂縫且逐漸增多；600 ℃時，HPC棱柱體的邊緣發(fā)生剝落，PPHPC裂縫數(shù)量明顯增多，但未發(fā)生剝落。

(2)隨受火溫度升高，HPC和PPHPC軸壓強度均呈下降趨勢；當(dāng)受火溫度小于300 ℃時，軸壓強度下降緩慢，大于300 ℃時其下降迅速，600 ℃時HPC和PPHPC剩余軸壓強度分別為12.67 MPa、11.87 MPa；PPHPC軸壓強度總體略高于HPC，表明摻加PP纖維降低了高溫對混凝土軸壓強度的損傷。

(3)隨受火溫度升高，HPC和PPHPC紅外溫升均呈升高趨勢，在400 ℃時溫升驟升，相同受火溫度，HPC和PPHPC的紅外溫升均隨測距的增加而降低，PPHPC的紅外溫升略大于HPC的紅外溫升。

(4)建立了PP纖維體積摻量為0%、0.2%時，C80高性能混凝土紅外溫升、受火溫度和軸壓強度的關(guān)系式，可為C80高性能混凝土火災(zāi)后軸壓強度的損傷推斷提供參考。