冷卻方式對高溫后玄武巖纖維混凝土靜態力學性能的影響

宋世興 SONG Shi-xing

（中鐵二十五局集團第二工程有限公司，南京 210033）

0 引言

纖維混凝土因可通過添加不同纖維的方式達到改變混凝土的各方面的性能而被廣泛應用于當代混凝土建筑與結構中[1]。其中，玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡稱BF）混凝土因具有熱穩定性好、彈性模量高、強度高、耐腐蝕性好等特點而被頻繁應用于建筑的防火設計中[2]。當代建筑不可避免的面臨火災風險。火災發生時，火焰灼燒產生的高達400~600℃的高溫嚴重威脅著混凝土結構建筑的安全穩定性，研究高溫對混凝土的影響對火災救援及災后評估具有重要意義[3]。研究表明，高溫對混凝土的力學性能具有顯著的影響，并且這種影響與混凝土的組分及加熱方式有一定的聯系[4]。在實際火災救援過程中，受到火焰灼燒的混凝土不可避免的會與救援過程中所使用的水及其他快速降溫滅火材料有一定的接觸，受滅火材料的影響，受到火焰灼燒的混凝土表面溫度會快速下降。盡管高溫后混凝土力學性能的問題得到了足夠的重視[5]，并得到了豐富的成果，然而，這些研究多是針對于加熱溫度及加熱方式對混凝土材料力學性能的影響，而對于受高溫影響的混凝土材料在冷卻過程中力學性能的變化卻沒有得到充分的研究，對于冷卻方式對高溫后混凝土材料力學性能的影響需要進一步探索。本文對經過不同溫度等級高溫處理的BF混凝土進行不同冷卻方式（自然冷卻/水中冷卻）的處理，利用TWD-2000液壓機對冷卻后的BF混凝土進行無側限靜態壓縮實驗，探索冷卻方式對高溫后BF混凝土的靜態力學特性的影響。

1 實驗概況

1.1 實驗方案

C30混凝土被廣泛應用于橋梁、建筑等工程實踐中，本文選擇C30混凝土及以C30混凝土為標準的高性能BF混凝土為研究對象。為了探索冷卻方式對高溫后BF混凝土靜態力學性能的影響，對經過不同冷卻方式（自然冷卻/水中冷卻）和不同溫度高溫（200℃、400℃、600℃、800℃）處理后的BF混凝土進行準靜態力學性能測試實驗，為了便于對比，設置了相同工況下的C30普通混凝土的靜態力學性能測試實驗作為對照組。

1.2 試件加工

參考相關規范及文獻[6]中給出的C30混凝土的配合比（表1和表2）及制作方法，配置C30普通混凝土及C30BF混凝土。根據規范要求，對初步制作的混凝土試塊進行取芯、切割、打磨處理[7]，進一步加工成?75mm×100mm圓柱體試件，加工過程如圖1所示。

表1 C30普通混凝土配合比 （單位：kg/m3）

表2 C30BF混凝土配合比 （單位：kg/m3）

圖1 混凝土試件加工過程

1.3 混凝土試件的高溫處理

為了確保試件在高溫處理過程中均勻受熱，利用xw7L-12型陶瓷馬弗爐對C30普通混凝土試件及C30BF混凝土試件進行高溫加熱處理。設置升溫速率為0.5℃/min，參考文獻[8]設置目標溫度為200℃、400℃、600℃、800℃，達到目標溫度后，恒溫保存2h并對加熱后的試件進行不同方式的冷卻（自然冷卻/水中冷卻）處理。

2 結果與分析

不同冷卻方式下高溫后C30普通混凝土及BF混凝土靜態強度變化情況如圖2、圖3所示。從圖2可以看出，溫度和冷卻方式均對BF混凝土的強度存在較大的影響，可以分成兩個溫度變化階段觀察溫度對BF混凝土強度的影響：在由常溫加熱至200℃時，BF混凝土的強度隨著加熱溫度等級的提升而不斷增大，即高溫對強度產生強化作用；從200℃開始，BF混凝土的強度開始隨著加熱溫度等級的提升而不斷減小，即高溫對強度產生劣化作用。以上規律與邵蔚等[9]進行的高溫后沙漠砂混凝土力學性能實驗的現象相一致。通過與相同條件下高溫后C30普通混凝土的靜態變化情況進行對比可以看出，盡管添加玄武巖纖維無法避免高溫對混凝土強度的劣化作用，但是添加玄武巖纖維緩解了混凝土試件在高溫影響下的強度劣化現象，如在同等自然冷卻條件下，加熱溫度等級為400℃的BF混凝土的強度為34.6MPa，相對于常溫條件下的強度下降了7.73%，而相同條件下的C30普通混凝土的強度下降了24.12%。

圖2 不同冷卻方式下高溫后BF混凝土靜態強度變化情況

圖3 不同冷卻方式下高溫后C30普通混凝土靜態強度變化情況

除了溫度的影響，冷卻方式同樣對BF混凝土的強度有明顯的影響，通過對比不同冷卻方式下高溫后BF強度的變化情況，水中冷卻條件下的BF混凝土強度與溫度等級呈負相關關系，與自然冷卻的情況相比，并沒有出現加熱溫度對試件強度“強化”的現象。此以外，相同加熱溫度等級下，水冷條件下BF混凝土的強度劣化的速率是大于自然冷卻條件下的，如在自然冷卻條件下，加熱溫度等級為400℃的BF混凝土的強度為34.6MPa，相對于常溫條件下的強度下降了7.73%，而相同加熱等級水中冷卻的玄武巖試件的強度相對于常溫條件下的強度下降了39.27%。以上現象可以通過溫度差[10]的相關理論進行解釋，高溫加熱后的混凝土試件外表面遇水后發生急速冷卻，混凝土的內部和外部存在明顯的熱程差，試件內外部在冷卻過程中的體積縮小程度和速率不一致，導致試件內部孔隙、骨料間隙、裂紋的發育與擴張，進而影響混凝土試件的強度。此外，高溫加熱條件后的混凝土試件遇水后會發生的二次水化反應同樣會加劇混凝土試件強度的劣化。

不同工況下BF混凝土試件靜態實驗破壞形態如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，在靜態荷載作用下，不同加熱溫度等級下的試件的破壞方式并不完全相同：未經溫度處理的試件在無側限約束靜態荷載作用下先產生“V”型裂紋，后發生裂紋的連接與貫通直至破壞；高溫加熱后的試件在相同加載條件下開始出現剪切破壞的特征，并且隨著加熱溫度等級的提升，逐漸出現劈裂破壞的特征；加熱溫度等級800℃條件下，試件破壞情況加劇，僅殘留錐形破壞面。除此以外，試件的破壞后顆粒形態表現出了明顯的溫度效應，隨著加熱溫度等級的提升，試件破壞后碎塊大小不斷減小，碎塊數量不斷增加。

圖4 自然冷卻條件下高溫后BF混凝土靜態壓縮實驗破壞形態

圖5 水中冷卻條件下高溫后BF混凝土靜態壓縮實驗破壞形態

相對于自然冷卻條件，水中冷卻條件下高溫后BF混凝土試件的破壞形態（圖5）表現出更為明顯的溫度效應，除此以外，破壞形式較為統一，基本以劈裂破壞為主。除此以外，不同冷卻方式下BF混凝土破壞程度和裂紋擴展方式也有明顯區別：在自然冷卻條件下，試件的破壞主要由持續發育的微裂紋和骨料間隙相互貫通造成；在水中冷卻條件下，出現了較為明顯的外表面局部剝落現象，隨著荷載的增加，剝落區域不斷擴大，直至與內部持續發育的裂隙貫通進而導致試件的最終破壞。聯系不同冷卻條件下高溫后BF混凝土試件靜態強度變化特征，內外熱程差仍然是造成該現象的主要原因，在水中冷卻條件下，試件外表面的冷卻速度遠高于試件內部，試件內外部的熱程差造成不均勻的體積收縮變化，進而導致外表面的剝落及試件的失穩。

3 結語

①溫度和冷卻方式均對高溫后BF混凝土的強度存在較大的影響，水中冷卻條件下的BF混凝土強度與溫度等級呈負相關關系，與自然冷卻的情況相比，并沒有出現加熱溫度對試件強度“強化”的現象。在相同條件下，水冷條件下BF混凝土的強度劣化的速率大于自然冷卻條件下的BF混凝土強度劣化的速率。

②在無側限靜態荷載作用下，隨著加熱溫度等級的提升，自然冷卻條件下BF混凝土試件破壞后碎塊大小不斷減小，碎塊數量不斷增加。水中冷卻條件下高溫后BF混凝土試件的破壞形式較為統一，基本以劈裂破壞為主，破壞后碎塊大小及數量相對于自然冷卻的情況具有更明顯的溫度效應。