圍壓對高溫后玄武巖纖維混凝土滲透率及孔隙結構的影響

薛維培, 高 聰, 申 磊, 劉曉媛

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 土木建筑學院, 安徽 淮南 232001)

玄武巖纖維強度高、耐腐蝕、耐高溫,摻入混凝土中能夠提高工作性能[1],因而掌握玄武巖纖維混凝土(BFRC)的性能對結構設計和安全評估具有重要意義,特別是火災作用后BFRC的性能更受學者關注.趙燕茹等[2]針對高溫后BFRC的靜態力學性能進行了研究,發現存在溫度閾值,閾值前隨著溫度的升高,其抗壓強度有所增加、抗折強度快速降低,閾值后隨著溫度的升高,其抗壓強度和抗折強度均明顯降低.REN等[3-4]研究發現不同溫度下BFRC的動態強度、臨界應變、沖擊韌性隨著動態荷載速率的增大而增加,表現出明顯的速率敏感性.樸戰東[5]研究發現隨著溫度的升高BFRC的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度先增加后減小,軸心抗壓強度逐漸降低.當前研究主要圍繞高溫后BFRC的力學性能[2-6],然而滲透性能對火災中BFRC構件的爆裂剝落行為存在重要影響,現有關于BFRC滲透性能的研究是在常溫下開展[7-8],與高溫后滲透性能存在區別;同時火災過后構件服役過程還將受到變荷載作用,此時對構件耐久性評估則需考慮變荷載的影響,而滲透性能優劣又取決于內部孔隙結構的發育情況.

因此,本文針對高溫后BFRC開展變圍壓作用下的滲透性能研究,通過改變試驗過程中的圍壓來模擬工程中變荷載作用,測試各級圍壓作用下BFRC的滲透率,明確滲透率隨圍壓變化規律,并對圍壓作用前后試件內部孔隙結構的變化特征進行研究,采用圍壓敏感系數和無因次滲透率分析了變圍壓過程中BFRC滲透率的演化規律.研究結果對火災后BFRC構件的耐久性評估與修復具有參考價值.

1 試驗

1.1 原材料與試件制備

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細度模數為2.6的河砂,粒徑范圍為5～16mm的玄武巖,NF-F復合型外加劑[9],BC3-12型玄武巖纖維[10].為便于比較,同時制備了基準組混凝土(RC),混凝土的配合比見表1.

表1 混凝土的配合比

成型150mm×150mm×150mm的立方體試塊,標準養護28d,再對立方體試塊取芯,獲得φ50×100mm圓柱體,采用聲波測試儀篩選波速相近的試件進行變圍壓作用下滲透率測試試驗.為避免水在試件內部滲流過程中與膠凝材料進一步水化對測試結果造成的干擾,將篩選出的試件置于靜水養護池內養護180d[11].達到養護齡期后,將試件從靜水養護池內取出自然晾干5d,隨后放入SX5-12型箱式電阻爐內加熱,設置溫度t=100、300、600℃.

1.2 試驗方案

為研究高溫對試件孔隙結構的影響,將高溫后的試件進行飽水處理,用MesoMR23-060V-1型核磁共振儀對其開展第1次核磁共振試驗.隨后采用TAW-2000型三軸試驗機對飽水試件進行變圍壓作用下的滲透率測試,設置圍壓C=3、4、5、6、7、8MPa,滲透水壓恒定為1.6MPa,軸壓恒定為1kN[12].試驗開始后,進行圍壓分級穩壓加載,在每級圍壓作用下孔隙水流量與時間曲線呈線性增長且斜率保持不變時,認為其處于穩態滲流狀態,保持該狀態1h以上,再調整圍壓進入下1級.當第1級圍壓達到預定值后,在試件上端施加滲透水壓、下端與大氣壓相連,滲透率測試試驗完成后再次進行第2次核磁共振試驗.

高溫后試件在各級圍壓作用下的滲透率K由達西定律計算：

(1)

式中：μ為滲流水黏度系數;Q為水滲入試件內的流量,m3;L為試件高度,m;A為水通過試件的橫截面面積,m2;P為滲透水壓,Pa.

2 結果與分析

2.1 圍壓對滲透率的影響

圖1為不同圍壓下RC和BFRC試件的滲透率.由圖1可見：

圖1 不同圍壓下RC和BFRC試件的滲透率Fig.1 Permeability of RC and BFRC specimens under different confining pressures

(1)RC和BFRC試件的滲透率均隨圍壓增加呈下降趨勢,符合負指數函數衰減規律,試驗曲線與擬合曲線吻合度高.圍壓加載初期(3～5MPa),滲透率下降速度最快;圍壓繼續增加(5～7MPa),滲透率下降速度變緩;最終當圍壓為7～8MPa時,滲透率趨于平穩.這主要是圍壓增大使得試件的滲流通道被壓密,致使其滲透率降低.圍壓加載初期,試件內部存在大量孔隙[13],而這些孔隙是組成滲流通道的重要部分,初始孔隙多、隙寬大,更容易受圍壓影響,故在加載初期滲透率下降速度最快;隨著圍壓的增加,較小的孔隙被壓密,剩余孔隙數量減小且隙寬變窄,滲透率下降速度逐漸變緩;當圍壓加載至特定水平時,試件內部可被壓密孔隙達到最大數量且隙寬最窄,滲透率便不再受圍壓變化影響,趨于平穩發展.

(2)同組試件經不同高溫處理后,初始滲透率隨溫度升高而增大.以RC試件為例,100、300、600℃高溫后初始滲透率分別為10.052×10-19、4.311×10-18、8.247×10-18m2.這是因為300℃時試件內水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠由于受熱脫去一部分化合水或結晶水,水蒸發逸出時產生的微小孔洞,使漿體結構較為松散;600℃時試件內C-S-H凝膠中大量化合水或結晶水喪失,顆粒間結合力松弛,漿體結構松散[14],因此滲透率增大.

(3)相同溫度下,BFRC試件初始滲透率低于RC試件,當溫度由100℃上升至600℃時,2組試件初始滲透率依次相差48.16%、33.89%、1.57%.600℃高溫后,隨著圍壓增加BFRC試件滲透率逐漸大于RC試件,差距范圍在1.85%～16.18%.這是因為玄武巖纖維能抑制混凝土內部原有缺陷擴展并有效延緩新孔隙出現,進而提高基體密實性,致使滲流通道減少,故BFRC試件滲流能力較弱.而當溫度達到600℃時,此時非常接近玄武巖纖維使用溫度極限(650℃),玄武巖纖維增強基體密實性效果逐步減弱甚至喪失,故2組試件滲透率非常接近.

2.1.1圍壓敏感系數

為了定量描述各級圍壓作用下試件滲透率變化情況,引入圍壓敏感系數ξ：

(2)

式中：K0為初始滲透率,m2.

圖2為圍壓敏感系數擬合曲線.由圖2可見：(1)圍壓敏感系數ξ隨圍壓增大呈減小趨勢,且服從負指數函數變化規律.(2)根據ξ值的大小,將整個過程分為敏感區(3MPa≤C≤5MPa)、過渡區(5MPa

圖2 圍壓敏感系數擬合曲線Fig.2 Fitting curves of confining pressure sensitive coefficient

2.1.2無因次滲透率

為減少因試件自身差異造成的影響,對所得滲透率進行歸一化處理,定義無因次滲透率λ為：

(3)

式中：Ki為各級圍壓作用下滲透率,m2.

圖3為無因次滲透率擬合曲線.由圖3可見：隨著圍壓的增加,RC和BFRC的無因次滲透率均先快速下降、再緩慢降低、最終趨于平穩;當圍壓從3MPa加載至5MPa時,100、300、600℃下,RC試件的無因次滲透率依次降低了40.62%、61.71%、74.34%,BFRC試件的無因次滲透率依次降低了26.65%、57.14%、68.91%,可見在圍壓敏感區范圍內隨著溫度的升高,無因次滲透率呈增加趨勢,2組試件無因次滲透率降幅的差距越來越小.這是因為100℃下圍壓作用對試件內部孔隙結構的影響相對最小,且該級溫度要遠小于玄武巖纖維的使用溫度極限,故此時玄武巖纖維能夠很好地發揮出抑制孔隙結構劣化的作用,宏觀表現為初始滲透率低且滲透率下降速度慢;隨著溫度的升高,尤其在600℃時非常接近玄武巖纖維使用溫度極限,從而使得玄武巖纖維逐漸失去抑制孔隙結構劣化的作用,故其內部孔隙結構發育程度,與RC較為接近.

圖3 無因次滲透率擬合曲線Fig.3 Fitting curves of dimensionless permeability

2.2 圍壓對孔隙結構的影響

圍壓作用前后T2譜分布曲線如圖4所示.T2譜分布曲線中：橫坐標弛豫時間T2越長,孔隙半徑越大;縱坐標信號幅度值越高,相應孔隙半徑下的孔隙數量越多[15]；T2譜面積為核磁共振孔隙度，等于或略小于有效孔隙度，可用來表征孔隙結構變化.

圖4 圍壓作用前后T2譜分布曲線Fig.4 T2 spectrum distribution curve before and after confining pressure

2.2.1T2譜變化情況

由圖4可見：圍壓作用前經過不同高溫損傷后試件的T2譜分布曲線均出現3個波峰,從左往右依次命名為峰1、峰2、峰3,分別表示小尺寸孔隙、中尺寸孔隙、大尺寸孔隙[16];隨著溫度的升高,試件內孔隙數量呈增加趨勢,峰1對應孔隙半徑下的孔隙數量增幅最大;同時,T2譜分布曲線整體向右偏移,說明孔隙半徑增大;100℃作用下,RC試件的信號幅度值依次為102.04、13.05、15.14,BFRC試件的信號幅度值依次為98.91、10.97、10.65,兩者分別相差3.07%、15.94%、29.66%,這說明摻入玄武巖纖維能夠有效阻止混凝土內部中、大尺寸孔隙發展;300℃后,BFRC試件的信號幅度值略大于RC試件,說明此時玄武巖纖維抑制混凝土內部孔隙發展的效果逐漸減弱.

由圖4還可見：圍壓作用后T2譜分布曲線同樣出現3個波峰,但是峰3的波峰峰值明顯降低,說明大尺寸孔隙在圍壓加載過程中壓密程度最大,且卸載后恢復率低;圍壓作用后T2譜分布曲線較圍壓作用前整體向左偏移,說明試件內孔隙結構向中、小尺寸孔隙發展,水在試件內的滲流通道變窄,故圍壓作用后滲透率呈下降趨勢;經歷100、300、600℃高溫后,RC試件在圍壓作用前后T2譜面積依次變化了92.16%、83.09%、78.79%,BFRC試件的T2譜面積依次變化了97.42%、5.45%、82.93%,可見圍壓對試件內部孔隙結構改變有著重要影響.

2.2.2孔隙半徑變化情況

圖5為圍壓作用前后孔隙半徑分布曲線.為了對圍壓作用前后孔隙半徑變化進行細分,參照Lutz提出的孔隙分類標準[17],對圖5開展了不同溫度損傷后的RC和BFRC試件孔隙特征分段統計,得到圍壓作用前后孔隙半徑分布,結果見表2.

由表2可見：RC和BFRC試件在圍壓作用前主要由微孔和介孔2類孔隙組成,且以較小的微孔分布為主,圍壓作用后也表現出同樣的特征,但是微孔所占比例得到進一步提高,平均占比由圍壓前81.07%增加至圍壓后92.24%.結合圖5中孔隙半徑分布曲線比較可知,圍壓后孔隙半徑分布曲線整體向左偏移,說明圍壓作用使得介孔孔隙被壓密并向微孔孔隙過渡,同時試件內原有微孔孔隙也被壓密縮小,使得圍壓后介孔孔隙數量減少、微孔孔隙數量增多,滲透率呈減少趨勢.

圖5 圍壓作用前后孔隙半徑分布曲線Fig.5 Pore radius distribution curve before and after confining pressure

表2 圍壓作用前后孔隙半徑分布

3 結論

(1)圍壓加載過程中,玄武巖纖維混凝土(BFRC)滲透率呈負指數函數衰減,高溫后試件初始滲透率隨溫度升高呈增大趨勢.與基準混凝土(RC)相比,在100、300、600℃高溫后BFRC的初始滲透率降低了48.16%、33.89%、1.57%,即隨著溫度的升高,BFRC和RC的滲透率差距逐步縮小.

(2)根據圍壓敏感系數將整個加載過程分為敏感區、過渡區和不敏感區,敏感區內滲透率隨圍壓變化降低幅度最大.

(3)圍壓作用使得BFRC內部原有孔隙結構發生改變,即隨著圍壓增大BFRC孔隙尺寸變小、孔隙數量降低,由于孔隙是水在試件內部滲流的主要通道,故圍壓增大,滲透率降低.