高溫噴水冷卻后水泥基灌漿料力學性能研究

郭亞紅，徐國強,2，張 薇，陳 思

(1. 華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063210；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

引言

近年來，建筑火災已成為發生概率最大、造成損失程度最為嚴重的一種災害[1,2]，對于發生火災的建筑物，通常采用噴水冷卻的方式。隨著現代建筑工業化的發展，裝配式結構體系開始逐步發展，灌漿套筒連接被廣泛采用，水泥基灌漿料的性能研究至關重要。現今火災頻發，為了減少火災帶來的損失，對高溫作用后的水泥基灌漿料力學性能劣化規律進行深入研究具有重要意義。

國內外學者們對水泥基灌漿料進行了研究，并取得了很多的優秀成果，而對其高溫性能研究較少，但對與其性能相似的高強高性能混凝土的高溫性能進行了大量試驗研究。Muhammad等[3]對高溫后活性粉末混凝土(RPC)的性能進行了研究，研究結果表明，隨著溫度范圍的增大，高溫后抗壓強度逐漸降低。楊單單等[4]對高溫后不同冷卻方式的高強混凝土進行了試驗研究，研究結果表明，隨溫度的升高其強度降低，且高溫后采用噴水冷卻各力學強度均低于自然冷卻后的強度王燕玲[5]、張晗[6]對高溫后高強混凝土的性能進行了研究，結果表明，當溫度低于400 ℃時，噴水冷卻的高強混凝土剩余強度低于自然冷卻，當溫度為400～ 600 ℃時，冷卻方式對其剩余強度影響并不明顯。當溫度超過600 ℃時，噴水冷卻的剩余強度明顯低于自然冷卻的剩余強度。葉顯等[7]研究了不同摻量粉煤灰、硅灰等礦物摻合料的灌漿料耐高溫性能，研究結果表明，300 ℃和400 ℃時，灌漿料的殘余強度在各種礦物摻合料的加入下得到提高，粉煤灰最為明顯。該項研究探究了不同高溫噴水冷卻后水泥基灌漿料的抗折強度、抗壓強度與溫度之間的關系，為今后對水泥基灌漿料高溫后損傷程度的評估提供理論依據。

1試驗概況

試驗采用北京紐維迅建筑工程技術有限公司生產的CGM-300A水泥基灌漿料，骨料粒徑小于4.75 mm，拌合水采用普通自來水，摻水率為13%，流動度不小于300 mm，1 d強度為21.5 MPa，3 d強度為42.3 MPa，28 d強度為71.8 MPa。

試驗試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，試件24 h后脫模，水中養護210 d，養護完成后對其進行烘干，在60 ℃溫度下烘干24 h，然后采用馬弗爐進行高溫試驗。

高溫試驗過程如下：試件目標溫度設為200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃，開始升溫并達到預定溫度后恒溫60 min，關閉電源，取出試塊，將試件放置在指定位置，采用噴水冷卻，冷卻完成后在60 ℃溫度下烘干6 h，然后再進行后續試驗。

2試驗結果與分析

2.1 經高溫處理后水泥基灌漿料的表觀特征

水泥基灌漿料試件經歷不同高溫后其表觀特征變化情況如表1所示。

表1 不同溫度后水泥基灌漿料的表觀特征

在噴水冷卻條件下，從常溫到1 000 ℃，試件外觀顏色變化依次為青灰色-灰褐色-棕褐色-深灰色-黃褐色，敲擊聲音由清脆變為低沉，溫度達到400 ℃時表面出現細微裂紋，隨著溫度升高，裂紋不斷增多且加長加寬。溫度達到1 000 ℃時，表面大量長寬裂紋逐漸擴展且貫通。

2.2 經高溫處理后水泥基灌漿料的質量損失變化規律

經高溫處理后水泥基灌漿料的質量損失變化規律如圖1所示。

圖1 損失率與溫度關系曲線

從圖1可以看出，水泥基灌漿料試件經歷200～1 000 ℃高溫后，其質量損失率分別為0.5%、1.66%、2.49%、5.27%、6.82%；隨著受火溫度的升高，水泥基灌漿料質量損失越來越大，溫度低于600 ℃時，質量損失較為平緩，超過600 ℃后質量損失加快。這是由于當外界環境溫度升高后，自由水逐漸蒸發，從20 ℃到200 ℃過程中，質量損失主要來自于自由水蒸發；凝膠水又被稱為吸附水，存在于凝膠相表層，溫度低時較穩定，當溫度超過200 ℃后，凝膠水開始蒸發逸出；當溫度超過500 ℃后，水化產物高溫下分解，化學結合水才會蒸發；與此同時，高溫過程中水泥基灌漿料會發生缺角、崩落等現象，導致其質量損失。

2.3 經高溫處理后水泥基灌漿料的強度變化規律

經高溫處理后水泥基灌漿料的抗折強度和抗壓強度變化規律如圖2和圖3所示。

圖2 抗折強度與溫度關系曲線 圖3 抗壓強度與溫度關系曲線

從圖2可以看出，水泥基灌漿料試件經歷200 ℃到1 000 ℃高溫處理后，其抗折強度較常溫下分別降低了61.13%、69.86%、92.13%、94%、97.06%；隨著溫度的升高，水泥基灌漿料抗折強度呈下降趨勢，溫度低于600 ℃時，下降迅速，溫度高于600 ℃時，下降趨勢趨于平緩。從圖3可以看出，水泥基灌漿料試件經歷200 ℃到1 000 ℃高溫處理后，其抗壓強度較常溫下分別降低了19.34%、23.6%、45.98%、64.85%、87.92%；隨著溫度的升高，水泥基灌漿料抗壓強度呈下降趨勢，溫度低于400 ℃時，其下降趨勢平緩，400 ℃后其抗壓強度急速下降。這是由于當溫度達到550 ℃時，C-S-H凝膠大量分解，Ca(OH)2脫水分解生成CaO，而石英晶體也在500 ℃以上高溫時由穩定的α型石英蛻變為β型石英，導致體積快速膨脹，出現內部裂縫，且隨著溫度和恒溫時間的增長快速發展，造成灌漿料抗折強度和抗壓強度下降[8]。此外，噴水冷卻導致的不均勻溫度場對試件形成損傷，強度持續降低。

2.4 擬合分析

根據已得到的試驗數據，對高溫噴水冷卻后灌漿料質量損失、抗折強度和抗壓強度與受熱溫度之間的關系進行擬合分析，建立回歸公式，相應的擬合結果見表2，擬合曲線如圖4～圖6所示。

圖4 溫度與質量損失關系 圖5 溫度與抗折強度關系

圖6 溫度與抗壓強度關系的擬合

表2 擬合結果

由圖4～圖6和表2可知，水泥基灌漿料的受熱溫度與質量損失擬合曲線的R2(相關系數的平方)為0.981 5，水泥基灌漿料的受熱溫度與抗折強度擬合曲線的R2(相關系數的平方)分別為0.987 5，水泥基灌漿料的受熱溫度與抗壓強度擬合曲線的R2(相關系數的平方)分別為0.990 4，說明試驗值與擬合值吻合度高，評價高溫后水泥基灌漿料性能時，其結果相關性較好，為災后正確的評估火災后整體損傷程度提供可靠依據。

3結論

(1)隨著受火溫度的升高，試件的顏色經歷青灰色-灰褐色-棕褐色-深灰色-黃褐色變化，敲擊聲由清脆到低沉，裂縫逐步增多，且出現裂縫貫通。

(2)隨著受火溫度的升高，噴水冷卻后水泥基灌漿料質量損失率隨之增大，溫度低于600 ℃時，質量損失變化較為平緩，溫度超過600 ℃后質量損失明顯加快。

(3)隨著受火溫度的升高，噴水冷卻后水泥基灌漿料抗折強度和抗壓強度呈下降趨勢，溫度低于600 ℃時，抗折強度下降迅速，溫度高于600 ℃時，抗折強度下降趨勢趨于平緩；溫度高于400 ℃后抗壓強度急速下降，經歷1 000 ℃高溫處理后水泥基灌漿料強度基本喪失。

(4)通過對受火溫度與質量損失、抗折強度和抗壓強度進行擬合分析，試驗值與擬合值吻合度高，擬合結果良好，為災后正確的評估火災后整體損傷程度提供可靠依據。