高溫作用后不同冷卻條件下混凝土損傷演化研究

莊志凱　張偉　張坤　盧曉倉　陳勇

摘要：為研究高溫作用后不同冷卻方式對混凝土力學性能及損傷演化的影響，利用聲波儀及力學測試系統分別對經400 ℃高溫處理后的混凝土試件在不同冷卻條件下的波速和單軸強度進行測試，分析混凝土力學特性、測試波速、變形特性及損傷的演化規律。通過試驗結果得出如下結論：① 相對其他冷卻方式，半水冷條件下由于試件變形不均勻，混凝土強度劣化最嚴重；② 混凝土泊松比和彈性模量的變化表明，半水冷條件下試樣變脆，承載能力降低，且較自然冷卻條件、全水冷條件，半水冷條件對混凝土彈性模量的劣化最為嚴重；③ 在自然冷卻、全水冷、半水冷3種冷卻條件下，混凝土試樣測試波速分別為2.56，2.57，2.42 km/s，分析試驗損傷系數分別為0.480，0.476，0.534，表明半水冷條件對高溫作用后的混凝土損傷最大。研究成果對高溫條件下混凝土工程設計及高溫作用后混凝土結構的加固具有一定參考價值。

關 鍵 詞：高溫作用； 混凝土損傷； 冷卻方式； 波速； 力學性能

中圖法分類號： TU528

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.033

0 引 言

混凝土被廣泛應用于橋梁、隧道、建筑等基礎設施建設中。隨著建筑物對混凝土材料性能要求的不斷提高，混凝土的安全使用問題越來越突出。混凝土建筑中經常存在一些結構缺陷，在外荷載或高溫的作用下，混凝土結構變化，容易引起裂紋的萌生、擴展和連接，這也決定了裂紋擴展的規律［1］。在建筑物使用過程中，火災往往是危害性最大的因素之一，它會極大地改變混凝土的性能。溫度過高會導致混凝土剝落，造成重大結構損壞和承載力嚴重損失。多年來經過對高溫環境下混凝土強度變化的研究，已經建立了一些典型的強度變化模型。為了研究火災對混凝土的影響，評價火災環境下混凝土的結構性能和力學性能，學者們對高溫環境下的混凝土進行了大量的試驗，并對其力學性能進行了研究［2-6］。有學者［7-9］研究了自然冷卻（空氣中冷卻）和水冷（全水冷）兩種冷卻方式對高溫處理后的混凝土強度、殘余強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等力學參數的影響［10-14］；還有學者［6，15］對高溫及冷卻方式對混凝土強度及微觀機理等性能的影響進行了深入的研究。但是在實際中，火災后經受高溫作用的混凝土的冷卻過程，除了自然冷卻、水冷外，還存在一種特殊的冷卻方式，即一半置于水中一半裸露在空氣中，稱之為半水冷，試件兩端的冷卻速率不同，混凝土試件的劣化效果必然較大。目前關于這種半水冷對于混凝土強度及其力學性能影響的研究較少。為此，本文從自然冷卻、室溫冷卻、全水冷、半水冷4種冷卻方式出發，使用數字聲波儀及巖石三軸試驗機兩種設備對高溫處理后混凝土的波速、強度、彈性模量、泊松比進行測量，探究不同冷卻方式對高溫后混凝土強度劣化的影響，為高溫條件下混凝土工程設計及高溫作用后混凝土結構的加固提供參考。

1 試驗方法

本次試驗所使用的試樣為白混凝土試件，采用標準砂和白色硅酸鹽水泥澆筑而成，配合比為白水泥∶粗砂∶標準砂∶水=1∶3.5∶2.5∶0.6，澆筑成φ50 mm×100 mm的標準柱狀。養護28 d后采用箱式電阻爐加熱到400 ℃后保持1 h，然后分別置于空氣中、一半浸入水中、全部浸入水中冷卻至室溫。試件冷卻后將其放置在25 ℃恒溫恒濕箱中靜置1 d，然后采用WSD-4型數字聲波儀測量不同冷卻方式下的波速。最后，采用DSZ-1000巖石三軸試驗機進行單軸加載，加載速率為3 MPa/min，設備及試驗流程如圖1所示。該三軸試驗機最大軸向力為1 000 kN，測力范圍10～1 000 kN，測量精度≤±0.5%FS；最大加載行程為50 mm，主油缸位移加載速率0.1～100 mm/min；最大圍壓60 MPa，圍壓測量精度≤±0.25%FS，加載速率0.1～60 MPa/min。

2 試驗結果及分析

2.1 應力-應變曲線分析

圖2給出了經不同冷卻方式處理后的混凝土試件的應力-應變曲線。加載過程混凝土受力變形可分為4個階段：裂縫無明顯變化階段（收縮裂縫階段）、裂縫發展階段、裂縫穩定增長階段和裂縫的不穩定擴展階段。① 在裂縫無明顯變化階段混凝土外觀無明顯變化，內部空隙及微裂隙稍有壓密，混凝土處于彈性變形階段；② 在裂縫發展階段混凝土內部裂縫數量、裂縫長度和裂縫寬度漸漸增大，但無明顯的砂漿裂縫出現；③ 在裂縫穩定增長階段荷載超過臨界荷載后，裂縫隨著荷載增大而增大，混凝土表面裂紋擴展，若立即保持恒定荷載，裂縫不再擴展；④ 在裂縫的不穩定擴展階段荷載達到極限荷載之后，荷載不變，裂縫不斷擴展，隨后應力快速降低，應變持續快速增大，直至破壞。由此可知，高溫未改變混凝單軸壓縮條件下的應力-應變曲線變化趨勢，而不同冷卻條件未對混凝土變形階段產生影響，但對混凝土強度變化產生影響。

圖3列出常溫下混凝土單軸壓縮的峰值強度及經歷400 ℃高溫后在不同冷卻條件下混凝土的峰值單軸抗壓強度。由圖3可知，400 ℃高溫前后，混凝土的峰值抗壓強度不同；同時，高溫后冷卻方式不同亦影響混凝土的強度。室溫條件下混凝土峰值抗壓強度為16.72 MPa，自然冷卻條件下混凝土峰值抗壓強度為15.42 MPa，相對室溫條件減小了1.30 MPa；全水冷條件下混凝土峰值抗壓強度為12.52 MPa，相對室溫條件減小了4.20 MPa；半水冷條件下混凝土峰值抗壓強度為7.36 MPa，相對室溫條件減小了9.36 MPa。400 ℃高溫使混凝土內部水蒸氣蒸發形成孔隙，而在自然冷卻條件下高溫使骨料界面上形成的裂縫致混凝土抗壓強度降低。此外強度降低程度與其所經受的冷卻方式有關，氣冷強度降低最小，其次是全水冷，強度劣化最嚴重的是半水冷。由此可見，不均勻冷卻方式對于混凝土試件的強度劣化影響最大，這是由于水冷和氣冷的冷卻速度不一致，造成了受熱不均勻，使得試樣在冷卻的過程中其內部產生了較多的損傷，從而造成其承載能力大幅度降低。雖然水冷使得試樣急劇冷卻，但是整體上其冷卻是均勻的，因此，其強度劣化相較于半水冷而言，降低的幅度較小。氣冷是一種均勻緩慢的冷卻方式，其內部的熱量可緩慢輻射到空氣中，因此對于強度的劣化較小，但增強了混凝土的脆性特征。

2.2 冷卻方式對波速的影響

利用聲波儀測量經過400 ℃高溫后不同冷卻方式處理的混凝土試件聲波參數，數據如表1所列。從表中可知，混凝土試樣的聲波波速變化與冷卻方式有關。相對常溫條件下混凝土，經過高溫處理后，各冷卻條件下混凝土波速不同程度降低。其中，空氣中自然冷卻時，混凝土的波速最小，值為2.56 km/s；高溫后全浸泡冷卻時，混凝土波速居中，達到2.57 km/s；而高溫后半浸泡冷卻時，混凝土波速最小，其值為2.42 km/s。產生這一現象的原因有幾個方面：① 混凝土試件是由砂粒和水泥膠結而成，與砂巖等巖石類材料相似［16］，高溫后混凝土中砂粒之間的膠結變弱，內部產生諸多細小的微裂紋；② 超聲波在包含不同介質的混凝土中傳播時，遇到不同介質，將發生波的反射、折射、繞射、衰減等現象，從而導致聲波振幅、波形、頻率變化，而高溫后混凝土中晶體變化及空隙增加導致聲波傳播路徑增長。因此經過高溫處理后試件的波速呈減小的趨勢。

2.3 力學參數的變化

2.3.1 泊松比

泊松比是巖體變形性質的重要參數之一［17-18］。本文計算試樣破壞前的泊松比，并繪制應力-泊松比曲線，如圖4所示。從圖中可知：室溫冷卻混凝土試件的泊松比在14.8 MPa前基本保持不變，之后則迅速增大；自然冷卻的混凝土試件其泊松比則是在5.6 MPa（壓密階段結束后）后才隨應力增大而逐漸增大；半水冷處理的試件其泊松比則直至峰值強度前都基本上保持不變，峰值強度后才迅速增大；而全水冷處理的混凝土試件則是隨著應力的增大，緩慢增大，但直至達到試件承載的峰值強度前也沒有明顯增大，即峰值強度前經過全水冷處理的混凝土試件的泊松比變化較小。通過以上分析可知，混凝土試件的泊松比變化與其所經受的冷卻處理方式有關：高溫處理后，試件內部顆粒間的膠結變弱，當經受荷載作用時，更容易變形；同時，不均勻的冷卻方式使得試樣變脆，承載能力降低；但是，當試樣全部放入水中急劇冷卻時其效果與鋼材淬火作用相似，增大了試件的脆性。

2.3.2 彈性模量

彈性模量是表征混凝土力學性能的重要參數，對于混凝土結構的變形、裂紋等具有重要的影響［19］。通過應力-應變曲線彈性階段計算出未處理、氣冷、半水冷、全水冷的彈性模量，繪制應力-彈性模量曲線如圖5所示。由圖5可知，彈性模量在線彈性階段內呈現不同幅值的浮動，但半水冷整體上呈直線，而未處理的試件則是先緩慢增大后保持恒定，全水冷和氣冷處理的試件則是先增大后減小。另外，通過比較彈性模量的大小，則是半水冷＜全水冷≈自然冷卻＜室溫冷卻，可見，400 ℃溫度處理后的混凝土試樣其彈性模量發生改變，但改變的大小及趨勢與其冷卻方式有關，緩慢冷卻增大了其彈性模量，而全水冷（急劇冷卻）則在線彈性前期沒影響，隨著應力的增大則呈現出一定的劣化效果，半水冷（不均勻冷卻方式）對混凝土的彈性模量劣化最為嚴重。

2.4 冷卻方式對應變特性的影響

圖6（a）給出了混凝土單軸壓縮條件下應力峰值時的應變與不同冷卻方式的關系。自然冷卻下軸向應變ε1為0.003 17，側向應變ε3為-0.000 85，體積應變εv為0.002 32；半水冷條件下ε1為0.007 58，ε3為-0.000 311，體積應變εv為0.007 25；全水冷條件下應變ε1為0.012 24，ε3為-0.007 84，體積應變εv為0.002 31。這表明氣冷條件下軸向應變最小，半水冷條件下軸向應變次之，而軸向應變最大值出現在全水冷條件下。此外，混凝土在高溫后全水冷條件下體積應變最大，說明該條件下混凝土內部裂縫發展最快且變形劣化最為嚴重。同時，為了分析相同荷載條件下不同冷卻方式對混凝土位移特性的影響，如圖6（b）所示，選取了荷載為6 MPa時的應軸向、側向及體應變進行分析。試驗發現全水冷對混凝土試件應變的影響小于半水冷，而自然冷卻條件下軸向應變最小。

2.5 基于超聲波的混凝土損傷分析

巖石等經荷載或者是高溫等作用后，內部會產生一定的損傷。而通過超聲波測試可以方便地對材料進行無損測試。很多學者對于縱波波速與巖石損傷之間的關系進行了廣泛的研究，并通過縱波速度的變化來定義試樣的損傷因子D［17，20］：

D≈1－（Vp/Vf）2

式中：Vp為損傷后巖石中的縱波波速，m/s；Vf為損傷前巖石中的縱波波速，m/s。在定量計算混凝土不同冷卻后的損傷因子時，同樣引入公式（1）計算得到，在空氣中自然冷卻、半水冷、全水冷處理的損傷因子依次為0.480，0.534，0.476。可見混凝土試件在經受400℃高溫作用后，冷卻方式對其損傷影響不是特別大，緩慢冷卻（空氣中冷卻）和急劇冷卻（全水冷）所造成的損傷相近，且大于不均勻冷卻（半水冷）。分析原因可以認為急劇冷卻導致了內部產生較多的微裂紋，而在空氣中緩慢冷卻則因高溫作用，砂粒間的水泥漿膠結減弱；而半水冷方式則是在冷卻的同時，存在一定的余溫，毛細作用下毛細水與水泥漿等作用析出微小晶體將微裂紋填充，因此，半水冷產生的損傷相對較大。

3 結 論

本文對混凝土試件進行400 ℃高溫處理后，采用自然冷卻、室溫冷卻、半水冷、全水冷4種方式進行冷卻處理，并使用聲波儀及力學測試系統分別對處理后混凝土試件波速和單軸強度進行測試，并對不同冷卻條件下混凝土力學特性、波速變化、應變特性及損傷演化進行分析，得到以下結論：

（1） 高溫作用后混凝土試件的強度劣化程度與其冷卻方式密切相關。不均勻冷卻方式（半水冷）對于混凝土試件的強度劣化影響最大；全水冷使得試樣急劇冷卻，但是整體上其冷卻是均勻的，其強度劣化相較于半水冷而言，降低的幅度較小；氣冷是一種均勻緩慢的冷卻方式，其內部的熱量可緩慢輻射到空氣中，對于強度的劣化降低較小，但增強了混凝土的脆性特征。

（2） 試樣的波速變化與冷卻方式有關。自然冷卻時混凝土的波速最小，為2 560 m/s；高溫后全浸泡冷卻時混凝土波速居中，為2 570 m/s；而高溫后半浸泡冷卻時混凝土波速最小，為2 420 m/s。

（3） 高溫后混凝土試件的泊松比變化也受冷卻方式的影響。高溫處理后不均勻的冷卻方式使得試樣變脆，承載能力降低，而混凝土試件全部放入水中急劇冷卻，脆性顯著增強。混凝土彈性模量的變化也受冷卻方式的影響，自然冷卻使彈性模量增大；全水冷對彈性階段前期影響較小，而隨著荷載增加，彈性模量劣化較嚴重；半水冷對混凝土的彈性模量的劣化最為顯著。

（4） 不同冷卻方式對高溫后混凝土損傷劣化的影響程度不同，緩慢冷卻（自然冷卻）、急劇冷卻（全水冷）和半水冷對應的損傷系數分別為0.480，0.476，0.534。

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（編輯：鄭 毅）

Research on damage evolution of concrete under different cooling methods after high temperature treatment

ZHUANG Zhikai1，ZHANG Wei1，ZHANG Kun2，LU Xiaocang1，CHEN Yong1

（1.PowerChina Guiyang Engineering Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China； 2.College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

In order to explore the impact of different cooling conditions on the mechanical properties and damage evolution of concrete after high temperature treatment，the wave velocity and uniaxial strength of concrete specimens were measured by sonic instrument and a mechanical testing system.According to the results，the concrete strength deteriorated the most under half water-cooling condition compared with other cooling conditions.Meanwhile，the analysis on Poisson＇s ratio and elastic modulus of concrete specimens showed that the half water-cooling condition had the great impact on concrete bearing capacity and crisped the concrete.Under the three cooling conditions of natural cooling，full water-cooling and half water-cooling，the test wave velocities of concrete samples were 2.56，2.57 km/s and 2.42 km/s，and test damage coefficients were 0.480，0.476 and 0.534 respectively，which showed that the half water-cooling damaged the concrete most after the high temperature treatment.The conclusions can be applied to the design and maintenance of concrete structure after high temperature.

Key words： high temperature treatment；concrete damage；cooling methods；wave velocity；mechanical property

收稿日期：2022-01-26

基金項目：貴州省科技計劃項目（黔科合支撐［2017］2036）；國家自然科學基金項目（52078261）

作者簡介：莊志凱，男，高級工程師，研究方向為建筑結構抗火、工程抗震以及混凝土無損檢測。E-mail：18985191638@qq.com