高溫冷卻對混凝土剪切性能的影響*

林乙玄

(福建林業(yè)職業(yè)技術學院建筑工程系,福建 南平 353000)

0 引言

隨著現代工程活動的頻繁增加,混凝土作為原材料在工程上的應用也越來越廣泛,現代建筑物不僅為了滿足居住的需求,還要滿足在某些特殊條件下的安全使用,比如滿足軍事戰(zhàn)略的防御要求等.混凝土中往往會含有天然的結構缺陷,這些缺陷會影響混凝土的性能,在受到不同外力或者高溫情況下,這些缺陷容易引起結構自身的失穩(wěn)破壞[1],在混凝土建筑物的長期使用中,極大概率的會遇到發(fā)生火災的情況,火災對于混凝土的性能有重大影響,高溫會引起混凝土骨料及水泥基體之間發(fā)生熱膨脹,嚴重時甚至會引起混凝土的剝落,這將極大地削減混凝土的承載能力[2-3].混凝土在高溫過后的性能會發(fā)生較大改變,經過國內外學者數年來針對這一課題的研究,得出了熱處理對混凝土強度影響的經典強度損失模型[4-5].為了研究火災后混凝土建筑的安全使用情況,評價火災后混凝土結構性能與力學特性,研究者們對經歷高溫后的混凝土進行了試驗,探究了混凝土的力學特性[6-7].

影響混凝土剪切性能的不僅是在加熱階段,在冷卻階段時不同的冷卻方式對混凝土的性能也有很大影響.然而,過去的大量研究只關注了混凝土在升溫階段中的熱損傷,忽略了混凝土在降溫階段過程中結構的改變.因此對于混凝土在不同溫度以及不同的冷卻方式下的高溫力學行為非常有必要展開研究.雖然近年來對于高溫下的混凝土的力學行為和物理、化學方面的改變有較多研究,對于不同的冷卻方式也有較多研究.然而,關于高溫后不同冷卻方式下混凝土的剪切力學行為研究較少,關于混凝土在不同溫度和冷卻方式下的聲發(fā)射規(guī)律的報道也較少.高溫處理后對于混凝土的剪切性能有何重要影響,微觀結構如何變化?這對于火災后建筑物和隧道的安全使用具有重要意義.

早期研究者們就發(fā)現混凝土的性能與混凝土前期的配合比、養(yǎng)護條件、壓實度、水灰比以及水泥類型等因素密切相關[8-9].混凝土后期的性能受到溫度、環(huán)境濕度、腐蝕以及凍融等眾多因素的影響,這些影響不僅會改變混凝土的外觀顏色,更重要的是改變了混凝土內部的結構以及化學成分[10-11].這些研究對于后人研究的開展具有重要意義,但在解釋溫度對于混凝土力學性能的提高或者降低是不全面的,混凝土力學性能的改變往往是多種因素共同作用的結果.因此,研究高溫處理后對于混凝土的剪切性能變化的影響,對火災后建筑物和隧道的安全使用具有重要意義.

1 試驗方法

1.1 試樣準備

試驗使用混凝土試件為22塊,其中常溫組2塊,高溫溫度梯度為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃以及500 ℃,每個溫度梯度的試件為4塊(水冷2塊、氣冷2塊).經過溫度處理的試件用阿拉伯數字+英文字母命名,前者表示試件的溫度,后者表示冷卻方法,例如200 ℃水冷卻試件用200-W表示.混凝土試樣水灰比為0.4,水為自來水,水泥為IP42.5硅酸鹽水泥,砂為機制砂,三者配合比為水∶水泥∶砂=0.4∶1∶2,混凝土利用模具澆筑一天后對其進行脫模,之后放入養(yǎng)護箱中進行相對濕度為95%的養(yǎng)護,養(yǎng)護時間28 d,試件尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的方形試件,試驗前對試件端面進行磨平,使其平整度滿足試驗要求.

1.2 升溫過程曲線

利用馬菲爐對混凝土試件進行升溫試驗,將養(yǎng)護完成的混凝土試件利用真空飽水機進行完全飽水后,采用核磁共振儀對試件進行T2譜測定,之后將測試完成的試件放置烘干箱內進行烘干,烘干至混凝土試件質量不再發(fā)生變化為止.試件的溫度分別設置為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃,馬菲爐升溫速度為每分鐘6 ℃,試件升溫至目標溫度后保持該溫度2 h.之后對試件進行冷卻處理,冷卻方式分為空氣冷卻和遇水冷卻,空氣冷卻為將馬菲爐中加熱到目標溫度的混凝土試件放置在爐內自然冷卻,遇水冷卻為將馬菲爐中的混凝土試件加熱到目標溫度2 h后直接取出,放入事先準備好的水中迅速降溫至室溫.

1.3 直接剪切試驗過程

試驗采用DSZ-1 000應力-應變控制式三軸剪切滲透試驗儀對試樣進行直剪試驗,該試驗系統(tǒng)所能施加的最大水平荷載為500 kN.加載裝置及加載模型如圖1所示,試件放入剪切盒中,上下剪切盒水平,上剪切盒可前后水平移動,下剪切盒固定,通過壓頭推動上剪切盒向后移動進行直剪試驗,試驗利用位移對試件進行剪切加載,試驗剪切速度為0.02 mm/min,加載之前,先將法向壓力加載至1 MPa再進行剪切方向的加載,并在剪切盒四周貼上聲發(fā)射探頭對試驗過程中的破壞進行實時監(jiān)控.

(a)剪切加載裝置

(b)模型示意圖

2 結果和分析

2.1 不同冷卻方式下混凝土的應力-應變曲線特征

空氣冷卻方式下混凝土試樣的剪應力-位移曲線見圖2.由圖2中曲線可以得出,常溫組混凝土試樣在剪切過程中隨著位移的增大剪應力也在不斷上升,呈線性變化,剪應力到達峰值后突然下降至2 MPa附近,隨著位移的繼續(xù)增加剪應力保持該數值不變.100-A、200-A、300-A組混凝土試樣曲線和常溫組試樣曲線相似,都是剪應力到達峰值后突然下跌并保持在一定數值附近.400-A和500-A組混凝土試樣剪應力在達到峰值后并未突然降低,而是緩慢下降,表現出較強的塑性特征.在空氣冷卻條件下,隨著溫度的升高,混凝土的剪切強度先增大后減小,在300 ℃時達到峰值,比常溫時升高了36.7%,而當溫度達到400 ℃時,混凝土剪切強度下降明顯,尤其是溫度達到500 ℃時,峰值剪應力僅為常溫下的38%,基本失去了抗剪能力.隨著溫度的升高混凝土表現出的脆性特征先增強后減弱,300-A組混凝土破壞形式表現為突然的脆性破壞,而在400 ℃和500 ℃混凝土則表現出明顯的塑性特征.

圖2 空氣冷卻下的混凝土剪應力應變曲線

空氣冷卻方式下混凝土試樣的剪應力-位移曲線見圖3.由圖3中曲線可以看出,經歷水冷卻后的混凝土試樣抗剪強度均有所下降,100-W、200-W、300-W組混凝土試樣脆性特征較空氣冷卻下的混凝土試樣有所減弱,400-W和500-W組混凝土試樣抗剪強度降低幅度較大,并且破壞后的曲線較為復雜.在遇水冷卻條件下,隨著溫度的升高,混凝土的剪切強度單調遞減,尤其是500 ℃水冷卻時,混凝土的抗剪強度僅為常溫組的25%,在相同的溫度下表現出了比空氣冷卻更強的塑性特征,峰值剪應力也有所降低,說明水冷卻比氣冷卻對混凝土的損傷大.

圖3 遇水冷卻下的混凝土剪應力-應變曲線

2.2 力學參數變化特征

對混凝土試件的峰值剪應力進行分析,研究了不同溫度下混凝土試件的峰值剪應力,其變化規(guī)律如圖4所示,并對散點圖進行擬合得出一定規(guī)律.

圖4 峰值剪應力隨溫度的變化

圖4為不同冷卻方式下混凝土峰值剪應力隨溫度的變化,其峰值強度有明顯區(qū)別.在300 ℃之前氣冷試件的峰值剪應力單調增加,當溫度超過300 ℃后單調遞減,說明一定范圍內的高溫對混凝土的抗剪強度有提升作用.遇水冷卻下試件的峰值剪應力隨溫度的升高單調遞減.峰值剪應力與溫度的線性擬合表明,兩者之間存在一定的準則.具體而言,不同冷卻處理的砂漿試件準則可表示為:

風冷條件下:

σmax=(-8.75e-5)t2+0.037t2+6

(1)

式(1)中,e代表的是自然常數.

水冷條件下:

σmax=-0.011 16t+8.2

(2)

圖5 剪切應力差隨溫度的變化

從圖5中能夠得出,同樣的處理溫度下,不同的冷卻方式對混凝土峰值剪應力有很大影響,當溫度達到300 ℃時兩者的剪切應力差最大,隨著溫度的繼續(xù)升高兩者的剪切應力差逐漸減小.由此看出,在加熱溫度為0～300 ℃時,水冷卻對混凝土試件的損傷大于氣冷卻,且這種損傷差會隨著溫度的升高而不斷增大,而當溫度上升到一定值后,二者對混凝土損傷的區(qū)別會逐漸降低.

混凝土經歷了高溫作用后,水泥基體和骨料接觸界面的黏結性能得到提高,水泥對骨料的包裹性得到加強,試件的整體性得到提升.在加載初期,隨著剪應力的增加,聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡稱AE)事件率發(fā)生較低,峰前穩(wěn)定增長階段比常溫組的試件更加平緩,此階段由于水泥基體和骨料的黏結性得到加強,水泥基體和骨料共同承受了剪應力,骨料相較于常溫組分擔了更多的剪應力,使水泥基體破壞的過程延后,造成了峰前穩(wěn)定增長階段的AE事件率發(fā)生較低.在剪應力達到最大值后,此時峰值剪應力發(fā)生突降,產生了一次較大的AE事件率,累計AE事件進入峰后快速增長階段,對應的是剪切面水泥基體產生裂縫,之后剪應力繼續(xù)緩慢下降,此階段對應的是水泥基體裂縫逐漸與骨料貫通,此時剪應力發(fā)生突降,剪切面上水泥基體和骨料接觸界面發(fā)生了破壞開裂,接觸界面裂縫與水泥基體的裂縫連接貫通,試件剪切成兩塊.

圖6為不同溫度下空氣冷卻混凝土試件的累計AE事件圖,通過對比五組數據發(fā)現,經歷高溫后的混凝土試件在剪切過程中,表現出不同特點.常溫組試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較快,經過高溫處理后的試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較慢,尤其是200-A和300-A兩組試件,在峰前穩(wěn)定增長階段幾乎沒有AE事件率的發(fā)生,分析原因是由于水泥基體和骨料之間的黏結性能得到較大提高,混凝土試件的整體性增強,在剪切過程中水泥基體和骨料共同承擔剪應力,使水泥基體的破壞延后.而400-A和500-A兩組試件在峰前穩(wěn)定增長階段增長速率相較于前三組高溫氣冷試件略有提升,仍小于常溫組試件,說明經歷了過高的溫度后試件內部產生了較多的小孔隙和微裂隙,嚴重影響了混凝土的力學性能.

圖6 空氣冷卻下不同溫度試件的累計AE事件

3 結論

1)不同溫度和冷卻方式對混凝土的影響不盡相同:氣冷條件下,隨著溫度的升高,混凝土抗剪強度呈現先增后降的趨勢,在初始加熱溫度達到300 ℃時,混凝土抗剪強度達到最高,而后隨著溫度的繼續(xù)升高抗剪強度快速下降.水冷條件下,混凝土試件的抗剪強度隨著溫度的升高單調降低.同樣溫度條件下水冷對混凝土試件的損傷大于氣冷.

2)在一定范圍內溫度升高時,水冷卻對混凝土的損傷比氣冷卻更加明顯,而當溫度上升到一定值后,二者對混凝土損傷的區(qū)別會逐漸降低.

3)經歷高溫后的混凝土試件在剪切過程中,表現出不同特點,常溫組試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較快,經過高溫處理后試件的累計AE事件在峰前穩(wěn)定增長階段增長較慢,在峰后快速增長階段增長速度較快.