火災高溫對混凝土殘余強度和微觀結構的影響

宋寶峰,李和玉,張淑芬,王保權

(1.遼東學院城市建設學院,丹東 118003；2.黑龍江林業職業技術學院城市建設學院，牡丹江 157011)

0 引 言

在建筑工程中，火災是造成混凝土結構破壞的重大災害之一，也是嚴重影響建筑工程使用壽命的因素[1]。火災的熱膨脹效應對混凝土結構造成了嚴重的損傷，對混凝土結構加固需要耗費巨大的人力、物力[2]。隨著我國建筑工程建設要求的提高,對于混凝土在極端環境下的變化特征研究具有重要意義。為了減輕建筑結構在火災高溫作用下的損傷程度，應大力推廣耐火性良好的高性能混凝土材料[3-6]。混凝土結構的物理、力學特性對建筑安全運營具有十分重要的作用，作為建筑結構的主要材料之一，混凝土的微觀結構在火災中遭受了明顯的破壞，火災后的殘余強度也發生了明顯的弱化。因此，在設計具有高耐火性能的混凝土時，須對混凝土的殘余強度性能與微觀結構的損傷特性有清晰認識。

由于火災高溫環境的影響，混凝土材料內部的水泥水化物與骨料均可能出現熱裂解現象。因此對混凝土的微觀結構在高溫環境中的變異性開展試驗研究，是深入認識耐火性混凝土力學特性、滲透性、穩定性和耐久性的基礎,也是預測混凝土宏觀物理力學行為的重要參考[7]。隨著材料微結構分析與測試方法的發展,混凝土內部特點的研究已經成為了熱點[8]。由于骨料的不均勻分布、碎石形狀不規則以及水泥水化物的界面效應等因素,其內部孔隙結構復雜,難以用常規測試手段對孔隙特征開展分析。而X射線計算機斷層掃描即CT掃描技術，作為一種無損檢測方法,在混凝土材料的微觀探測中已經取得了廣泛應用[9-11]。CT掃描技術可以在對多孔材料的微結構無損傷的前提下直接獲取其內部空間的孔隙特征。粉煤灰混凝土作為一種多孔介質，宏觀力學特性本質上取決于其內部的孔隙結構。X射線計算機斷層掃描(CT)作為一種無損檢測技術已被廣泛應用于許多領域的幾何形狀檢測[12]。這項技術非常適合于混凝土孔結構觀測。三軸壓縮試驗是研究混凝土強度特征的一種重要手段,利用混凝土試件的三軸壓縮試驗可以測試不同固結圍壓作用下的材料抗壓強度指標[13]。

本研究以粉煤灰混凝土試樣為對象,利用混凝土三軸壓縮試驗和X射線計算機斷層掃描(CT)來獲取混凝土的殘余強度和孔隙分布的量化指標,同時分析了不同熱破裂高溫作用下粉煤灰混凝土的孔隙發育特征對殘余強度影響的機理,旨在為深入認識混凝土火災后的殘余強度特點提供參考。

1 實 驗

1.1 試 樣

圖1 粉煤灰混凝土試樣Fig.1 Photo of fly ash concrete sample

試驗所用的噴射混凝土材料由級配碎石(5～20 mm)、尾礦砂(細度模數 3.4)、P·O 42.5級硅酸鹽水泥、粉煤灰(三種粒級)、減水劑(BX-849萘系)以及實驗室的自來水組成。實驗采用的外摻料為發電廠生產的二級粉煤灰。實驗過程中，對一定比例拌和完成的漿料進行28 d的標準養護，最后得到粉煤灰改性混凝土試樣。混凝土樣品的表觀如圖1所示。根據測試要求進行試件的制備，將試樣加工成直徑50 mm，高度100 mm的圓柱樣進行力學性能測試，另外，進行CT掃描的混凝土試樣被切磨成直徑50 mm，高100 mm的標準圓柱體。

本試驗對三種不同溫度作用后的粉煤灰混凝土試樣進行CT掃描試驗和強度測試。將制備完成的混凝土試樣放置在美國莫帝斯公司生產的NBS型燃氣燃燒爐中進行高溫裂解，分別設置熱破裂溫度為200 ℃、500 ℃和800 ℃。該燃燒爐升溫速率快，隔熱能力好，爐體內部空間達到標準工作溫度時可保證試件受熱溫度恒定。本研究對粉煤灰混凝土試樣進行高溫裂解試驗，每次試驗時長為60 min。

1.2 三軸壓縮試驗

采用應變控制式巖石三軸壓力機對經過不同熱破裂高溫作用后的混凝土標準試件開展壓縮試驗，巖石試樣的圍壓分別設為5 MPa、10 MPa、15 MPa和20 MPa，根據三軸試驗得到的應力-應變曲線確定混凝土在加熱后的殘余強度。試驗中先將混凝土圓柱試樣安裝在壓力室內；然后施加圍壓，控制加壓速率保持0.05 MPa/s，直到圍壓值保持穩定；最后，施加軸向壓力對試樣進行壓縮，軸向變形速率設置為0.001 mm/min。

1.3 CT掃描試驗

利用德國Springman公司生產的高精度微米CT掃描儀進行微觀結構觀測，儀器如圖2所示。試驗中掃描儀的電壓為140 kV，電流為330 mA，掃描的精度約為0.03 mm。采用計算機中的自動分割閾值法對圖像的灰度進行統計，按照多值化的特征進行圖像分割。

圖2 混凝土的CT掃描系統Fig.2 CT scanning system of concrete

2 結果與討論

2.1 三軸壓縮試驗結果

利用混凝土的三軸壓縮試驗分析3種不同熱破裂高溫作用下的粉煤灰混凝土的殘余強度特征。由圖3可以看出，在不同圍壓下，應力-應變曲線的總體變化趨勢較為相似，圍壓越大，應力-應變曲線的線性段斜率越高，說明圍壓增加提高了材料的彈性模量[14]。而當圍壓大于15 MPa后，彈性模量的變化不再明顯，表明圍壓過大使得混凝土內部的原生缺陷發生閉合。根據峰值殘余應力的分布情況，發現當三軸壓縮試驗的固結圍壓相同時，20 ℃、200 ℃、500 ℃和800 ℃溫度下的粉煤灰混凝土的殘余強度有明顯差異。總體上，熱破裂溫度越高，混凝土的殘余強度值越低。根據徐明等[15]對混凝土力學特性衰減機理的分析，在200 ℃溫度下，混凝土的強度衰減主要是內部結合水發生蒸發使得孔隙發生膨脹引起的；當環境溫度上升到500 ℃后，水泥硬化物的分解作用降低了砂漿硬化物的粘結力；當溫度升至800 ℃后，骨料中的結合水蒸發，水泥硬化物進一步分解，導致砂漿結合面明顯損傷，強度因此迅速下降。

圖3 粉煤灰混凝土試樣的三軸試驗應力-應變曲線Fig.3 Triaxial stress-strain curves of fly ash concrete sample

圖4 粉煤灰混凝土試樣的殘余強度與固結圍壓的關系Fig.4 Peak stress-confining pressure curves of fly ash concrete sample

對于同一熱破裂溫度作用下的粉煤灰混凝土試樣，殘余強度τ與固結圍壓值存在良好的線性關系。如圖4所示，三軸殘余強度τ與圍壓σn之間線性關系的擬合相關系數超過了0.98。固結圍壓對混凝土試件抗壓強度的影響說明應力狀態與強度有密切的關系，隨著圍壓的增加，粉煤灰混凝土試件彈性模量逐漸增大，故峰值應力呈線性上升的變化趨勢[16]。

2.2 CT掃描試驗結果分析

2.2.1 圖像結果

由于混凝土內部組成成分的密度差異顯著，反映在CT掃描圖像中的孔隙和固體物質可通過各自的灰度值進行識別[17]。低灰度值的區域表示孔隙(黑色)，高灰度值的區域表示高密度的碎石骨料(灰白色)，中等灰度值的區域表示水泥、粉煤灰和砂組成的硬化物(深灰色)。如圖5所示，混凝土試件內部的孔隙分布特點隨溫度升高出現了顯著的變化。圖像中黑色區域為孔隙，可以看出在200 ℃作用下的混凝土孔隙的體積和連通程度均比較小，未出現明顯的裂隙拓展現象；在500 ℃作用下的混凝土孔隙形狀為條形裂隙，具體形態較為復雜，孔隙的數量明顯增加；在800 ℃高溫作用下，混凝土的裂隙網絡進一步連通和擴展，裂隙的總體積明顯擴大。

圖5 不同溫度作用下混凝土的CT掃描二維圖像Fig.5 Two-dimensional CT scanning images of concrete under different temperatures

2.2.2 孔隙分布特征

通過圖像分析軟件對所得到的混凝土CT掃描圖像進行三維重構，并統計混凝土試樣中孔隙的像素數量，以此計算孔隙的數量和對應的體積，統計結果如表1所示。以混凝土中孔隙的體積為依據區分微孔隙和微裂隙，當樣品的體積v≥20 mm3時，該孔隙為微裂隙，反之則為微孔隙。由CT掃描數據的灰度統計分析得到不同粉煤灰混凝土樣品的孔隙數量及其體積，結果如圖6(a)所示,可以看出微孔隙的數量先增加后減少，500 ℃時微孔隙數量最多，微裂隙的數量始終呈增長趨勢，且增速不斷加快。經過800 ℃高溫作用后，微孔隙的數量上升幅度為18.8%左右，而微裂隙的上升幅度為350%。因此，初始狀態的粉煤灰混凝土內部的裂隙數量較少，高溫作用使混凝土產生大量的新生微裂隙。從圖6(b)中可以發現,隨著試樣受熱作用溫度的增加，孔隙總體積及單位質量孔隙體積均明顯增加，并且500～800 ℃之間的孔隙體積增加最顯著。綜上所述，由CT掃描實驗得到了孔隙分布的定量化指標，可知高溫熱效應對粉煤灰混凝土內部孔隙發育程度有明顯的影響，微結構的損傷隨著作用溫度的提高而逐漸累積。

表1 CT 掃描結果統計表Table 1 Statistics data of sandstone in CT tests

圖6 孔隙分布的定量化結果直方圖Fig.6 Histogram of quantitative results of pore distribution

2.3 殘余強度與孔隙體積的關系

通過不同熱破裂溫度作用后三軸壓縮試驗結果和CT掃描試驗的量化指標來建立混凝土宏觀破壞效應和微觀結構損傷的聯系。以試樣的總孔隙體積表征混凝土孔隙發育程度，殘余強度與孔隙體積的關系曲線如圖7所示，從圖中可以看出隨著混凝土孔隙體積的上升，不同固結圍壓下的殘余強度均呈降低趨勢，且可以采用線性方程進行擬合。

圖7 殘余強度與孔隙體積的關系曲線Fig.7 Relationship curves between residual strength and pore volume

從前面的分析可知粉煤灰混凝土殘余強度與熱破裂溫度有明顯的關系，溫度越大，殘余強度相對越低。根據殘余強度與孔隙體積之間的線性關系可以推斷，混凝土力學性質的高溫弱化效應本質上是由材料內部微觀結構的變異引起的[18]。從CT掃描結果來看，800 ℃溫度作用下的混凝土內部孔隙體積最大，微裂隙數量最多，說明孔隙的發育程度最高，結構損傷最嚴重。孔隙發育程度的增加降低了混凝土骨料間的密實程度，影響了在壓縮過程中骨料之間膠結強度的發揮，使得粉煤灰混凝土試樣的整體抵抗壓能力下降。處于相同圍壓下粉煤灰混凝土在試驗中受到的熱破裂溫度越小，混凝土水泥水化物的排列越密實，顆粒間的粘結強度損失越小，則混凝土試樣的殘余強度越大。

根據CT圖像的顯示表明粉煤灰混凝土試件初始狀態較為密實，孔、裂隙不發育；隨著加熱溫度的升高，裂隙網絡逐漸形成，結構損傷愈發明顯，此現象與陳薇等[19]的研究具有類似規律。微結構的損傷是力學性能衰變的本質原因，隨著混凝土密實度的降低和膠結強度的損失，其彈性模量有所減小，使得混凝土抵抗外荷載作用的性能降低。因此，粉煤灰混凝土試件在不同固結圍壓下的三軸抗壓強度與孔隙體積呈線性關系。

3 結 論

(1)由三軸壓縮試驗發現粉煤灰混凝土的力學性能在高溫裂解作用中具有明顯的劣化效應，隨著熱裂解溫度的上升，混凝土試件的殘余強度明顯降低。同時，在相同火災溫度下，殘余強度隨圍壓增大呈線性上升趨勢。

(2)由X射線CT掃描獲得不同溫度的高溫裂解作用后的粉煤灰混凝土二維截面圖像，觀察到混凝土的裂隙發育程度在高溫作用過程中逐漸累積，經過孔隙分布數據的統計發現粉煤灰混凝土孔隙體積隨著溫度升高而迅速增加，且在500～800 ℃之間的孔隙體積增長幅度最顯著。

(3)通過對不同熱破裂溫度下粉煤灰混凝土的力學試驗結果與CT掃描結果進行分析，發現隨著溫度的上升，粉煤灰混凝土殘余強度的劣化效應與內部孔隙體積的增大是同步變化的。