高溫及升溫速率對(duì)砂漿氣體滲透性與孔隙率的影響

陳 偉，盛明泉，許 澳，梁 越

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

0 引 言

火災(zāi)是建筑物不可避免的災(zāi)害之一，在火災(zāi)的作用下，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到不同程度的損傷，會(huì)降低建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能。目前，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者已對(duì)高溫后水泥基材料的力學(xué)性能做了大量研究[1-3]。例如金祖權(quán)等[4]通過研究高溫后普通混凝土與纖維混凝土發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高,兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，熱變形性能卻逐漸增強(qiáng)；邵偉等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高以及加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均降低，峰值應(yīng)力逐漸增大。與此同時(shí)，高溫對(duì)水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)影響也較大，已有學(xué)者[6-9]進(jìn)行了相關(guān)研究。柳獻(xiàn)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，高溫后混凝土材料微觀孔隙的變化主要是由毛細(xì)水、凝膠水和化學(xué)結(jié)合水的散失以及氫氧化鈣分解所致；趙東拂等[11]利用壓汞法研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，混凝土孔結(jié)構(gòu)中的納米級(jí)孔徑增多，混凝土力學(xué)性能降低。

目前大量研究多關(guān)注于溫度升高對(duì)水泥基材料的力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的影響，對(duì)不同升溫速率以及高溫后混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的研究相對(duì)較少[12-13]。由于滲透性在很大程度上影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，所以為了科學(xué)地評(píng)價(jià)高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，深入研究溫度對(duì)混凝土氣體滲透性的影響是非常必要的[14-16]。陳曉婷等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在高溫作用下，混凝土內(nèi)部的微裂紋發(fā)生延伸與擴(kuò)展，孔隙相互貫通，混凝土滲透性、孔隙率增大，從而影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性；宋楊等[18]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土氣體滲透性隨著溫度的升高逐漸增大，在350 ℃及以上高溫下，力學(xué)性能大幅降低。

本文以氣體滲透性作為主要的研究?jī)?nèi)容，主要對(duì)以不同的升溫速率(即5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min)升溫至目標(biāo)溫度為400 ℃、500 ℃、600 ℃的水泥砂漿進(jìn)行氣體滲透性、孔隙率、抗壓強(qiáng)度等研究，并進(jìn)一步探討不同升溫速率的高溫后混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損失與孔隙率、力學(xué)性能之間的關(guān)系，以期為高溫后混凝土耐久性能的評(píng)估與修復(fù)提供理論支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及試樣制備

本研究采用砂漿用于試驗(yàn)，其配合比見表1。原材料包括華新牌42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥；水為自來(lái)水；細(xì)骨料為天然河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.65。根據(jù)表1所示的配合比制備50 mm×100 mm的圓柱體砂漿試樣。澆筑成型后24 h拆模，將試樣繼續(xù)放入水中養(yǎng)護(hù)60 d。試樣養(yǎng)護(hù)好后，用端磨機(jī)將試樣兩端打磨平整進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表1 砂漿配合比

1.2 試驗(yàn)方法

(1)高溫試驗(yàn)

采用高溫馬弗爐對(duì)砂漿進(jìn)行高溫處理來(lái)模擬砂漿在火災(zāi)等高溫環(huán)境。高溫馬弗爐最高額定溫度為1 200 ℃，升溫速率范圍為1～20 ℃/min。試驗(yàn)采用均勻升溫的方式，升溫速率分別為5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min，目標(biāo)溫度分別為400 ℃、500 ℃、600 ℃，維持目標(biāo)溫度1 h，隨后自然冷卻至室溫。

在對(duì)砂漿進(jìn)行高溫加熱前，先將真空飽水后的砂漿試樣放入60 ℃的烘箱中烘干至恒重。經(jīng)過多次試驗(yàn)表明試樣加熱至60 ℃時(shí)，能使其內(nèi)部孔隙中的自由水蒸發(fā)，對(duì)凝膠水化產(chǎn)物沒有影響[17]。烘干至恒重的目的是防止升溫速率過快或加熱溫度過高使得砂漿發(fā)生爆裂。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，飽和砂漿試樣在10 ℃/min升溫速率下加熱至600 ℃的過程中發(fā)生了爆裂。

(2)氣體滲透性和孔隙率試驗(yàn)

氣體滲透測(cè)試系統(tǒng)采用法國(guó)引進(jìn)的高精度、高密閉性的氣液滲透系統(tǒng)。該儀器主要由圍壓室、高精度伺服圍壓加載系統(tǒng)、氣體傳輸控制系統(tǒng)組成。圍壓加載極限為60 MPa，氣體滲透率測(cè)量可達(dá)10-22m2。本試驗(yàn)以惰性氣體氬氣作為滲透介質(zhì)。經(jīng)過后期改進(jìn)升級(jí)，在測(cè)量滲透率的基礎(chǔ)上，亦可基于注入氣體測(cè)量介質(zhì)有效孔隙率。測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際操作圖如圖1所示，其簡(jiǎn)化原理圖如圖2所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)圖

圖2 簡(jiǎn)化原理圖

將砂漿試樣放置于氣體滲透儀的壓力室內(nèi)，采用防水的橡膠皮套進(jìn)行套箍束縛，防止圍壓液體滲入，并保證氣體沿一維進(jìn)行傳輸。圍壓由油泵提供，逐級(jí)從3 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa加載至20 MPa，最后再依次卸載至3 MPa。并測(cè)量不同圍壓下的氣體滲透率和連通孔隙率。

氣體滲透率測(cè)量采用達(dá)西定律為基本原理的穩(wěn)態(tài)流方法：

(1)

式中：Kx為氣體滲透系數(shù)；Vx=Qx/A,為距離試件進(jìn)氣端距離x的氣體流速，Qx為距離試件進(jìn)氣端距離x時(shí)的流量，A為試件表面積；μ為氣體黏度系數(shù)；P(x)為試樣內(nèi)氣壓隨試樣高度的變化函數(shù)。

該方法為在進(jìn)氣口通過儲(chǔ)氣罐維持穩(wěn)定的進(jìn)氣壓，出氣口為大氣壓。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,儲(chǔ)氣罐中的壓力值P1在Δt時(shí)間內(nèi)降低了ΔP1，假定在Δt時(shí)間內(nèi)，滲透的進(jìn)氣壓平均值P均為緩沖氣罐的均值氣壓P1-P1/2，并根據(jù)理想氣體定律，時(shí)間Δt內(nèi)試樣的平均流量Q均為：

(2)

結(jié)合公式(1)和(2)，滲透系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

式中：h為試樣的高度；P0為大氣壓。

在本研究中，砂漿的孔隙率通過氣體法測(cè)量。如圖2所示，試驗(yàn)前對(duì)儀器管路進(jìn)行體積測(cè)量和校正，可得到管路體積V1和V2。試驗(yàn)過程中記錄管路內(nèi)壓力變化，直至氣壓達(dá)到均勻穩(wěn)定分布(穩(wěn)定過程需30 min)。根據(jù)波意耳定律，可計(jì)算出連通孔隙的體積:

PAV1=PB(V1+V2+Va)

(4)

(5)

式中：Φ為砂漿的孔隙率；PA為體積V1的初始?jí)毫Γ籔B為整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定后的最終壓力；V1為初始部分導(dǎo)管體積；V2為閥門B右側(cè)整個(gè)導(dǎo)管與壓力室底座內(nèi)部通路體積；Va為砂漿內(nèi)部孔隙體積；V為砂漿體積。

(3)力學(xué)試驗(yàn)

力學(xué)試驗(yàn)使用儀器為ETM系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)可用于最大壓縮力為300 kN的壓縮、拉伸和三點(diǎn)彎曲等力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)先將加載壓頭調(diào)至試樣表面位置，且無(wú)初始?jí)毫Γ缓笥捎?jì)算機(jī)控制加載速度進(jìn)行加壓，力學(xué)試驗(yàn)加載速率為0.1 mm/min。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得加載力與位移。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿的質(zhì)量損失

圖3為砂漿的質(zhì)量損失率隨升溫速率及溫度變化的柱狀圖。可以看出同一升溫速率，質(zhì)量損失率隨著溫度的升高而增大，這是因?yàn)樯皾{在不同的溫度下會(huì)發(fā)生不同的物理化學(xué)變化。已有文獻(xiàn)[8]表明，60～100 ℃水泥漿體中的自由結(jié)合水脫去，低于200 ℃時(shí)，水泥漿體中鈣礬石脫水分解，高于400 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，水泥漿體中Ca(OH)2、C-S-H膠體等水化產(chǎn)物逐漸脫水分解，這與高溫下砂漿質(zhì)量損失過程大致相同。同一溫度下，升溫速率越快質(zhì)量損失率越大，但在400 ℃時(shí)，升溫速率15 ℃/min的質(zhì)量損失率略小于10 ℃/min,這是因?yàn)樯郎厮俾蔬^快，達(dá)到400 ℃時(shí)所需要的時(shí)間很短，所以導(dǎo)致內(nèi)部的水化產(chǎn)物不能及時(shí)脫水分解。

圖3 砂漿質(zhì)量損失率

2.2 砂漿氣體滲透率的變化

將飽和后的砂漿經(jīng)過60 ℃烘干至恒重后，選取一組砂漿作為對(duì)照試驗(yàn),烘干后的砂漿表觀變化相似，隨著溫度的升高，試樣的顏色由灰白色變?yōu)榘咨Ｔ?00 ℃和500 ℃內(nèi)，升溫速率的增大對(duì)試樣表觀無(wú)影響，但在600 ℃時(shí)，隨著升溫速率的增大，試樣表面開始出現(xiàn)肉眼可見宏觀裂紋。由于升溫速率過快使得砂漿內(nèi)外產(chǎn)生一定的溫度差，內(nèi)外膨脹速率不同，導(dǎo)致砂漿表面產(chǎn)生微裂紋等[18]。

圖4是60 ℃砂漿的滲透率與孔隙率隨圍壓變化的關(guān)系圖。圍壓加載初期，砂漿的滲透率和孔隙率大幅度下降，在之后加卸載階段兩者變化不大。可以看出，在加卸載階段，滲透率和孔隙率的變化趨勢(shì)相似，當(dāng)圍壓卸載至3 MPa時(shí)，滲透率與孔隙率均不能回到初始值。這說(shuō)明，在較低的溫度下，砂漿的滲透率和孔隙率在加卸載圍壓后均具有不可逆性。

圖4 60 ℃砂漿的滲透率與孔隙率

圖5為3種升溫速率在不同的溫度下砂漿滲透率隨圍壓變化的關(guān)系圖。與60 ℃的對(duì)照組(圖4)相比，砂漿滲透率增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)(15 ℃/min升溫至600 ℃)。當(dāng)以10 ℃/min、15 ℃/min分別加熱砂漿至500 ℃與600 ℃時(shí)，加載3 MPa圍壓下的滲透率較5 ℃/min時(shí)的滲透率相比分別提高了20.4%、73.9%與63.6%、88.7%。可以看出，加熱溫度越高，升溫速率對(duì)滲透率的影響越大。在400 ℃時(shí)，升溫速率從5 ℃/min升高至10 ℃/min時(shí)滲透率增加，升溫速率為15 ℃/min時(shí)滲透率略有下降，由圖5(a)400 ℃砂漿滲透率的曲線關(guān)系圖可以看出，3種升溫速率的滲透率非常相近，這說(shuō)明了當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，升溫速率對(duì)砂漿滲透率的影響不明顯。

由圖5可以進(jìn)一步得出，升溫速率越快，加熱溫度越高，對(duì)砂漿滲透率的影響越大，并且在加卸載圍壓的過程中，不可逆性越來(lái)越明顯。這種不可逆性主要是在圍壓的作用下，裂縫的閉合和孔隙的壓碎引起的，當(dāng)圍壓減小時(shí)，其孔隙的變形無(wú)法完全恢復(fù)，并且砂漿在加卸載的過程中經(jīng)歷了塑性變形。從圖5中可以觀察到，所有損傷后的砂漿，在加卸載圍壓后滲透率均無(wú)法恢復(fù)到初始值。還可以看出，當(dāng)圍壓卸載到3 MPa時(shí)砂漿的滲透率與圍壓加載到10 MPa時(shí)砂漿的滲透率非常接近。為了更詳細(xì)地分析不同升溫速率、不同溫度作用后砂漿滲透率對(duì)圍壓的敏感程度，現(xiàn)對(duì)相對(duì)于圍壓的初始值進(jìn)行歸一化(即K/K3MPa)處理，如圖6所示。

圖5 不同溫度和升溫速率下砂漿滲透率隨圍壓的變化

圖6 不同溫度與升溫速率下砂漿滲透率歸一化

K/K3MPa反映了砂漿滲透率對(duì)圍壓的敏感程度，其數(shù)值越接近1，表明砂漿受到圍壓的影響越小[18]。由圖6可以看出，當(dāng)溫度為500 ℃、600 ℃時(shí)，10 ℃/min與15 ℃/min作用下的砂漿滲透率對(duì)圍壓的敏感程度與5 ℃/min相比略有增大，但3種升溫速率之間差別很小，對(duì)圍壓的敏感程度比較相近。例如，在600 ℃下，當(dāng)圍壓卸載到3 MPa時(shí)，K/K3MPa由5 ℃/min的0.529下降至15 ℃/min的0.499。因此，可以認(rèn)為在同一溫度內(nèi)，不同升溫速率作用后的砂漿滲透率對(duì)圍壓的敏感程度比較相近。在同一升溫速率下，例如5 ℃/min，當(dāng)圍壓卸載到3 MPa時(shí)，K/K3MPa由400 ℃的0.835下降到600 ℃的0.529；在15 ℃/min，當(dāng)圍壓卸載到3 MPa時(shí)，K/K3MPa由400 ℃的0.837下降到600 ℃的0.499。因此，與升溫速率相比，加熱的溫度對(duì)砂漿氣體滲透率圍壓敏感性的影響更顯著。同時(shí)，升溫速率越快，加熱溫度越高，其氣體滲透性對(duì)圍壓更敏感。

砂漿在升溫速率快、加熱溫度高的作用下，其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，滲透率增大并且對(duì)圍壓更加敏感。這主要是因?yàn)樽杂伤c結(jié)合水的散失以及水化物的分解，會(huì)導(dǎo)致孔徑增大和微裂紋產(chǎn)生；膠凝材料和骨料之間不同的膨脹系數(shù)差異、材料各向異性造成兩者的交界面產(chǎn)生微裂紋；同時(shí)，由于加熱速率不同，砂漿內(nèi)外產(chǎn)生了一定的溫度差，膨脹速率不同，導(dǎo)致砂漿產(chǎn)生微裂紋。

2.3 砂漿孔隙率的變化

孔隙率是滲透率隨圍壓變化之間的一個(gè)重要聯(lián)系因素。隨著圍壓的增大，砂漿內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)或微裂紋被壓實(shí)，孔隙率減小，滲透率相應(yīng)降低。砂漿孔隙率在不同溫度與不同升溫速率下隨圍壓變化的關(guān)系如圖7所示。在圖7中，首先可以看出，無(wú)論是加熱溫度還是升溫速率均對(duì)砂漿孔隙率有影響。與圖4中60 ℃下相比，在加載3 MPa圍壓下，當(dāng)溫度以15 ℃/min升高至600 ℃時(shí)，砂漿的孔隙率由13.58%增加至23.97%，增大了1.77倍；在同一升溫速率下，加熱溫度越高，砂漿孔隙率越大。例如，當(dāng)升溫速率為15 ℃/min時(shí)，在加載3 MPa圍壓下，砂漿孔隙率由400 ℃時(shí)的17.63%增加至600 ℃時(shí)的23.97%；在同一溫度下，升溫速率越快，砂漿孔隙率越大。例如，當(dāng)加熱溫度為600 ℃時(shí)，在加載3 MPa圍壓下，孔隙率由升溫速率5 ℃/min的22.19%增加至15 ℃/min的23.97%；由此可見，高溫對(duì)砂漿孔隙率的影響大于升溫速率的影響。同時(shí)升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿孔隙率越大。由圖7(b)和(c)可以看出，砂漿的孔隙率隨圍壓的變化而變化，說(shuō)明在溫度超過500 ℃時(shí)，砂漿內(nèi)部產(chǎn)生較大的裂紋和孔隙。同時(shí)，加熱后的孔隙率對(duì)圍壓非常敏感，在加卸載圍壓過程中不可逆。例如，在升溫速率為5 ℃/min時(shí)，當(dāng)圍壓卸載到3 MPa時(shí)，此時(shí)3種溫度的孔隙率分別僅恢復(fù)到加載3 MPa時(shí)的98.6%、98.6%和97.7%；在600 ℃時(shí)，當(dāng)圍壓卸載到3 MPa時(shí)，此時(shí)3種速率的孔隙率分別恢復(fù)加載3 MPa時(shí)的97.7%、97.5%和97.2%。雖然卸載后的孔隙率與起始孔隙率相差并不大，但測(cè)得的滲透率有很大差異，這意味著滲透率對(duì)微裂紋的開閉合及孔隙的壓碎更敏感。同時(shí)這也表明了，無(wú)論使用何種類型的材料(即處理或未處理)，圍壓水平(加載或卸載期間)如何，滲透能力的變化與孔隙率密切相關(guān)。現(xiàn)將所有孔隙率與對(duì)應(yīng)下的滲透率進(jìn)行擬合，如圖8所示。將滲透率表示為一個(gè)關(guān)于孔隙率的函數(shù)，指數(shù)擬合效果良好，R2=0.928 9。

圖7 不同溫度和升溫速率下砂漿孔隙率隨圍壓的變化

圖8 滲透率與孔隙率擬合函數(shù)曲線圖

2.4 砂漿力學(xué)性能的變化

圖9為不同溫度、不同升溫速率砂漿的抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖。可以看出，隨著溫度的升高，砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，同一溫度下，升溫速率越快，抗壓強(qiáng)度下降越多。與對(duì)照組60 ℃相比，當(dāng)升溫速率為15 ℃/min時(shí)，砂漿加熱至400 ℃、500 ℃和600 ℃后的抗壓強(qiáng)度分別降低了34.7%、49.1%和51.7%；當(dāng)砂漿以不同升溫速率加熱至600 ℃時(shí)，與對(duì)照組相比，抗壓強(qiáng)度分別降低了45.9%、48.7%和51.7%；可以得出，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿抗壓強(qiáng)度降低的越大。值得注意的是在400 ℃時(shí)，升溫速率為15 ℃/min的抗壓強(qiáng)度大于前兩種升溫速率下的抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)榧訜崴俾蔬^快，升高至400 ℃的時(shí)間過短，砂漿受損傷的程度較低。

圖9 砂漿的抗壓強(qiáng)度

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)以3種升溫速率分別加熱砂漿至400 ℃、500 ℃、600 ℃時(shí)，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿氣體滲透性越大；當(dāng)以15 ℃/min加熱砂漿至600 ℃時(shí)，與60 ℃相比，砂漿氣體滲透性顯著提高，增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)通過氣體法測(cè)得的孔隙率，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿的孔隙率越大。孔隙率由13.58%(對(duì)照組)增加至23.97%(15 ℃/min加熱至600 ℃)。

(3)在升溫速率較快、加熱溫度較高的情況下，氣體滲透率對(duì)圍壓的敏感性增強(qiáng)。當(dāng)升溫至600 ℃時(shí)，在加卸載圍壓后，砂漿氣體滲透率不可逆的降低。這主要是由于某些裂紋始終保持閉合和某些孔隙最終被壓碎，均無(wú)法完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。

(4)孔隙率對(duì)圍壓的敏感性與氣體滲透率相比相對(duì)較小，但孔隙率對(duì)圍壓的敏感性也證實(shí)了一些孔隙的不可逆破碎。對(duì)于所有處理后的試樣，在所有圍壓下的氣體滲透率和孔隙率之間發(fā)現(xiàn)了很好的相關(guān)性,這說(shuō)明滲透能力的變化與孔隙率密切相關(guān)。

(5)當(dāng)以3種升溫速率分別加熱砂漿至400 ℃、500 ℃和600 ℃時(shí)，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿的抗壓強(qiáng)度越低。