高溫后靜置輕骨料混凝土力學性能試驗

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摘要：研究了高溫作用溫度、靜置時間和冷卻方式對高溫后輕骨料混凝土抗壓強度的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，輕骨料混凝土的抗壓強度基本呈降低趨勢；自然冷卻試件在溫度低于900℃時，抗壓強度隨著靜置時間的延長基本趨于穩(wěn)定；900℃高溫作用后，試件的抗壓強度隨靜置時間延長明顯降低。噴水冷卻試件在溫度低于300℃時，抗壓強度隨靜置時間的延長基本保持不變；500℃和700℃作用后抗壓強度隨靜置時間延長明顯提高；900℃作用后，抗壓強度隨靜置時間延長大幅降低。靜置1d時，各溫度作用后自然冷卻試件的強度均高于噴水冷卻試件；靜置14、28d時，經(jīng)500、700℃作用后，噴水冷卻試件強度高于自然冷卻試件。

關(guān)鍵詞：高溫；輕骨料混凝土；靜置時間；冷卻方式；抗壓強度

在建筑行業(yè)高速發(fā)展的同時，火災頻發(fā)給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來嚴重威脅?；炷帘┞队诨馂母邷丨h(huán)境中，其力學性能嚴重劣化最終導致建筑物破壞，噴水滅火措施則可能引起混凝土強度進一步降低?；馂暮螅炷翉姸入S時間變化規(guī)律對災后結(jié)構(gòu)損傷評估與加固修復至關(guān)重要。國內(nèi)外學者普遍認為混凝土在高溫作用后靜置一段時間其力學性能會發(fā)生顯著變化。呂天啟等[1]研究認為，高溫后靜置混凝土的強度會在某一個時間出現(xiàn)最小值，這個特定的時間可以認為是合理加固時間，隨著受火溫度的升高，合理加固時間會縮短。安然等[2]的研究則認為，隨著靜置時間延長，混凝土強度不但不再降低，反而有所提高。賈福萍等[3]的研究表明，高溫后試件的殘余強度比隨靜置時間大致經(jīng)歷了降低-回升-持續(xù)3個階段，且最低強度出現(xiàn)的時間與受火溫度和冷卻方式密切相關(guān)。閻繼紅等[4]通過大量工程案例分析得出，混凝土高溫殘余強度與受火溫度、靜置時間、冷卻方式和養(yǎng)護條件相關(guān)。一般來說，強度的最低值出現(xiàn)在靜置后的第3d。此外，骨料類型也是影響混凝土高溫后殘余強度的一個不可忽略的因素。姚建國等[5]的研究表明，對于自然冷卻試件，當溫度低于400℃時，硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料混凝土均在高溫作用后第14d時達到抗壓強度最小值，硅質(zhì)骨料混凝土殘余強度比鈣質(zhì)骨料混凝土高；當溫度高于400℃時，硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料混凝土均在高溫作用后第28d時達到抗壓強度最小值，鈣質(zhì)骨料混凝土殘余強度比硅質(zhì)骨料混凝土高。輕質(zhì)骨料混凝土往往表現(xiàn)出比普通骨料混凝土更為優(yōu)越的耐高溫性能[6]，但高溫后靜置時間對輕質(zhì)骨料混凝土殘余力學性能的影響還有待進一步研究。因此，本實驗選用頁巖陶粒作為粗骨料配制輕骨料混凝土，探究作用溫度、冷卻方式和靜置時間對殘余抗壓強度的影響。

1實驗

1.1原材料

水泥：華新水泥有限公司昆明分公司生產(chǎn)的P•O42.5水泥，主要性能見表1，化學成分見表2；粗骨料：寶珠牌頁巖碎石型陶粒（見圖1），最大粒徑20mm，級配良好，主要技術(shù)性能見表3；細骨料：由機制砂和山砂按質(zhì)量比1∶1混合而成的混合砂，Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.6；減水劑：四川卓科達建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率20%，固含量23%；水：自來水。

1.2配合比設(shè)計

本實驗按結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土強度等級進行配合比設(shè)計，依據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和JGJ51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》，配制設(shè)計強度等級為LC30、坍落度為90~120mm的輕骨料混凝土。經(jīng)過多次適配，在保證拌合物不泌水、不離析且流動性良好的基礎(chǔ)上得到輕骨料混凝土的配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（粗骨料）∶m（細骨料）∶m（減水劑）=470∶179∶534∶802∶4.7，拌合物坍落度為90~115mm，輕骨料混凝土的28d抗壓強度為53.1MPa。在配制混凝土前，將陶粒泡入水中使其預吸水1h，這部分水不計入配合比計算。

1.3試件制備

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件。試件成型1d后拆模，然后放入溫度為（20±2）℃，相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28d后取出擦干備用。1.4試驗方法混凝土高溫試驗采用編程式箱式電爐以10℃/min的升溫速率將試件加熱到目標溫度（100、300、500、700、900℃），之后恒溫3h。隨后對試件分別進行如下2種冷卻方式處理：自然冷卻（隨爐自然冷卻至室溫）和噴水冷卻（高溫后立即取出噴水冷卻30min），分別記為A類和B類。在高溫作用后，試件分別靜置1、14、28d，之后進行抗壓強度測試。試件分別標記為A類1d、A類14d、A類28d、B類1d、B類14d和B類28d?？箟簭姸劝凑誈B/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試，加載速率為0.7MPa/s。

2試驗結(jié)果與討論

2.1溫度對輕骨料混凝土抗壓強度的影響

圖2為試件經(jīng)不同溫度作用后的抗壓強度，圖3為試件經(jīng)不同溫度作用后的相對殘余抗壓強度（fcu，T/fcu，20），即各溫度作圖3溫度對輕骨料混凝土相對殘余抗壓強度的影響用后的抗壓強度（fcu，T）與其常溫20℃時抗壓強度（fcu，20）之比。由圖2、圖3可知，隨著溫度的升高，各組混凝土的抗壓強度基本呈降低趨勢。100℃作用后，A類1d組與B類1d組的抗壓強度略有提高，分別為常溫20℃時抗壓強度的106%和102%；其它組強度相較于常溫亦無明顯變化。在100℃高溫作用下輕骨料的返水特征可能促進了水泥未水化顆粒的反應，使得混凝土的抗壓強度基本無衰減甚至略有提高[7]。之后至700℃，各組混凝土的抗壓強度隨溫度升高幾乎呈線性降低；700℃作用后，各組混凝土仍有53%~69%抗壓強度殘余。700~900℃，各組混凝土的強度急劇降低，900℃時，各組混凝土僅有4%~30%抗壓強度殘余。在整個溫升過程中，A類試件相對殘余抗壓強度普遍高于B類試件。B類試件在噴水冷卻時，伴隨有尖銳的劈啪爆裂聲，骨料剝落，試件整體逐漸坍塌。

2.2靜置時間對輕骨料混凝土抗壓強度的影響

A、B類試件高溫后抗壓強度隨靜置時間變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。以靜置時間1d時的抗壓強度（fcu，1d）為基準，各靜置時間的抗壓強度（fcu，t）與基準強度的比為相對抗壓強度（fcu，t/fcu，1d）。從圖4、圖5可以看出，常溫下混凝土試件靜置至14d時，抗壓強度隨時間的延長持續(xù)提高至1d抗壓強度的113%，之后抗壓強度基本保持不變。對于A類試件，在100℃作用后，抗壓強度隨著時間的延長而提高。300℃和500℃作用后，抗壓強度先下降后回升，14d圖5靜置時間對B類試件相對抗壓強度的影響時出現(xiàn)強度的最低值，28d時可大致提高至1d時的強度值。700℃和900℃作用后，強度隨時間的延長而降低。900℃作用下，試件強度損失最嚴重，28d時僅為1d時的22%。在較低溫度作用后，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的微裂紋可能在輕骨料返水特性作用下隨著時間的延長逐漸愈合，強度有所提高。而在較高的溫度作用后，裂紋發(fā)展充分，加之水分喪失嚴重，所產(chǎn)生的裂紋不易愈合。因此強度隨靜置時間回升不明顯甚至急劇降低。對于B類試件，100℃作用后，強度隨靜置時間延長先提高后降低。300℃作用后，靜置14d和28d的試件強度較1d時略有提高。而在500℃和700℃作用后，抗壓強度隨靜置時間的延長明顯提高。尤其是700℃作用后，14d抗壓強度可以提高至1d的125%，28d抗壓強度甚至提高至1d的139%。900℃作用后，抗壓強度隨靜置時間的延長呈直線降低趨勢，28d時的抗壓強度僅為1d時的24%。試件在500℃和700℃作用后抗壓強度的提高可能是由于Ca（OH）2高溫分解生成的CaO在噴水條件下重新生成Ca（OH）2，而輕骨料的多孔結(jié)構(gòu)可能為該反應所產(chǎn)生的膨脹應力提供了緩沖空間。

2.3冷卻方式對輕骨料混凝土抗壓強度的影響

對比圖3試件在2種冷卻方式下的相對殘余抗壓強度可知，在靜置1d時，各溫度下A類試件的抗壓強度均高于B類試件，而在靜置14d和28d后，在500℃和700℃作用后，出現(xiàn)了B類試件抗壓強度高于A類試件的情況。B類試件在噴水冷卻時，由于試件內(nèi)外溫差而產(chǎn)生較大的溫度應力使得混凝土開裂，導致靜置1d時抗壓強度降低；但隨著時間的延長，高溫分解生成的CaO逐漸與水作用生成Ca（OH）2，而輕骨料的多孔結(jié)構(gòu)較好地緩解了因Ca（OH）2生成而造成的膨脹應力，因此B類試件在500℃和700℃作用下抗壓強度高于A類試件。

3結(jié)論

（1）隨著溫度的升高，輕骨料混凝土的抗壓強度基本呈降低趨勢。（2）自然冷卻試件在溫度低于900℃時，抗壓強度隨著靜置時間的延長基本趨于穩(wěn)定；900℃高溫作用后，試件的抗壓強度隨靜置時間的延長降低明顯。噴水冷卻試件在溫度低于300℃時，抗壓強度隨靜置時間延長基本保持不變；500℃和700℃作用后抗壓強度隨靜置時間延長明顯提高；900℃作用后，強度隨靜置時間延長大幅降低。（3）靜置1d時，各溫度作用后自然冷卻試件的抗壓強度均高于噴水冷卻試件；靜置14d和28d時，500℃和700℃作用后，噴水冷卻試件抗壓強度高于自然冷卻試件。

參考文獻：

[1]呂天啟，趙國藩，林志伸.高溫后靜置混凝土力學性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，25（1）：63-70.

[2]安然，王清遠，閻慧群，等.高溫后混凝土力學性能研究[J].四川建筑，2005，25（6）：69-72.

[3]賈福萍，王永春，渠艷艷，等.冷卻方式和靜置時間對高溫后混凝土殘余強度影響[J].建筑材料學報，2011，14（3）：400-405.

[4]閻繼紅，林志伸，胡云昌.高溫作用后混凝土抗壓強度的試驗研究[J].土木工程學報，2002（5）：17-19.

[5]姚建國，袁廣林，宋永娟，等.粗骨料類型對混凝土高溫后抗壓強度的影響研究[J].混凝土，2011（2）：89-91.

[6]周梅，李少偉，竇艷偉，等.高溫后自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓性能[J].建筑材料學報，2018，21（6）：134-141.

[7]劉中煒，趙康，湯玉斐，等.輕骨料對泡沫混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2019，46（10）：19-23，38.

作者：郭榮鑫 管柏倫 馬倩敏 顏峰 王鋒憲 郭佳棟 單位：昆明理工大學