高温后长龄期在役混凝土抗压强度及微观分析

白亮+周天华+吕晶+张轶+罗伟

摘要：为了研究高温后长龄期在役混凝土损伤及微观变化特征，通过对龄期在20年以上的钢筋混凝土结构取样，进行在役混凝土高温试验，提出高温后在役混凝土残余抗压强度变化规律，建立在役混凝土残余抗压强度与不同温度之间的拟合回归公式，利用热重（TG）及扫描电镜观察，分析了高温后在役混凝土物相及微观形貌随受火温度的变化情况。研究结果表明：高温后在役混凝土残余抗压强度变化规律与实验室新浇筑混凝土类似，相比而言，当受火温度T≤300 ℃时，在役混凝土相对残余抗压强度略低；当T>700 ℃时，在役混凝土相对残余抗压强度较高，所得结论可为实际工程中长龄期在役混凝土结构高温后的损伤评估提供参考依据。

关键词：高温；在役混凝土；残余抗压强度；失重率；微观分析；龄期

中图分类号：TU392.5 文献标志码：A

0 引 言

近年来，各国学者对高温后混凝土材料的性能进行了大量的试验研究工作[1-5]，研究了高温对混凝土材料性能的影响。目前火灾高温试验研究对象均是实验室新浇筑混凝土试件，对于在役混凝土高温后性能变化的研究极少。一般而言，混凝土试件浇筑后放置一段时间即可进行相关试验，放置时间少则1个月，多则数个月，这段时间对于构件的一般力学性能试验来说基本满足要求，但是对于抗火试验而言显然太短[6]。因混凝土试件室温环境下放置数月后，虽然表面已干燥，但是内部水分散发不多，试件内部含水率仍然较高。

文献[7]，[8]中指出，当温度达到100 ℃时，混凝土背火面出现明显的水分逸出，温度出现明显停滞，这是混凝土内部水分迁移、蒸发的宏观表现。在役钢筋混凝土结构发生火灾时可能已经使用了几年甚至几十年，混凝土内部自由水在使用过程中已逐渐减小至可以忽略的程度，火灾试验时较高含水率的存在直接影响了温度场的分布。文献[9]中的研究表明，较大含水量易引起混凝土爆裂，影响构件力学性能。火灾现场调查结果表明，实际火灾中混凝土表面遍布细小温度裂缝，未见大面积爆裂现象。由于新浇筑混凝土试件内部水分较多，水分蒸发速度相对缓慢，增加了混凝土发生爆裂的可能性。同时在役混凝土经过二三十年的使用，存在材料性能变化及初始随机损伤，在高温作用下混凝土中的微裂缝等损伤进一步发展，并出现新的损伤特征。因此为了研究混凝土结构高温后的实际受损状况及其性能变化，本文中笔者对龄期在20年以上的钢筋混凝土结构取样，进行在役混凝土高温试验，通过大量试验研究了高温后在役混凝土的残余抗压强度变化规律，建立在役混凝土残余抗压强度与不同温度之间的拟合回归公式，利用热重（TG）及扫描电镜等微观检测手段，分析了高温后长龄期在役混凝土物相及微观形貌随受火温度的变化特征。

1 试验概况

由于城区开发改造原因，一幢建于1990年的6层钢筋混凝土框架结构将实施拆除重建（图1），通过现场勘察，房屋混凝土构件基本完好，未见明显裂缝及变形，可对该房屋混凝土构件进行钻芯，获得在役混凝土试件。经查阅设计图纸及竣工归档资料，房屋框架梁、柱混凝土强度等级为C30，混凝土配合 为了尽可能消除因浇筑位置不同造成混凝土力学性能的差异，在框架柱同一截面位置钻取6个混凝土芯样，见图2。选取12处框架柱截面，共72个芯样，芯样直径为100 mm，高径比为1.0。将同一截面位置6个芯样分为2组，每组3个，一组室温，另一组实施高温试验，受火温度分别为100 ℃，300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃。

2 试验结果分析

2.1 试验现象

将加工好的试件放入SX2-12-16型箱式电阻炉进行加热，加热升温速率10 ℃·min-1，恒温6 h，打开炉门冷却1 h后，取出试件置于室内自然冷却。在役混凝土试件由室温加热至900 ℃，物理状态发生一系列变化。高温后在役混凝土试件表面特征变化与文献[8]中所述新浇筑混凝土试件基本一致，随着温度的升高，试件表面颜色经历青灰色→灰白色→浅红色的变化过程，试件表面裂缝增多；当温度达到900 ℃时，试件表面明显疏松，裂缝增宽，试件仍成定型，未见爆裂破碎，不同过火温度下在役混凝土试件表面特征变化如图4所示。

2.2 在役混凝土高温失重率

混凝土在升温过程中逐渐失重，本文中测量得到的高温后在役混凝土失重率见图5。

将本文的混凝土高温失重率与文献[10]中所述新浇筑混凝土试件高温失重变化进行对比，二者趋势基本一致，但是在同一温度下，在役混凝土失重率明显小于新浇筑混凝土试件。究其原因在于，当温度为100 ℃～300 ℃时，混凝土失重率是因试件中所含自由水蒸发所致，由于在役混凝土龄期较长，混凝土内的自由水已经基本蒸发，相比实验室新浇筑混凝土试件，其失重率较小。

2.3 高温后在役混凝土残余抗压强度

混凝土在高温（火灾）后的残余抗压强度是评估结构火灾后损伤程度及剩余承载能力的主要依据。将试件加热至设定温度，再恒温6 h后打开炉门，自然冷却至室温，在室温条件下加载，测定其抗压强度。在役混凝土升温和高温持续作用下，材料内部受到损伤，试件力学性能降低。通过试验得到高温后在役混凝土相对残余抗压强度，见图6。高温后在役混凝土相对残余抗压强度KTc为

由图6可见，随温度升高，在役混凝土相对残余抗压强度先略微升高后迅速下降，与文献[10]中所述新浇筑混凝土试件变化趋势基本一致。经统计得到文献[10]～[17]中新浇筑混凝土试件高温后相对残余抗压强度均值，见表2。

与新浇筑混凝土试件相比，当受火温度T≤300 ℃时，在役混凝土相对残余抗压强度略低，当T≥500 ℃时，在役混凝土相对残余抗压强度较高。究其原因在于，当温度为100 ℃～300 ℃时，新浇筑混凝土试件因温度升高而使部分尚未水化的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）水化生成水化硅酸钙（C-S-H），其残余抗压强度明显高于长龄期在役混凝土。当温度达到700 ℃时，水泥水化产物Ca（OH）2脱水和分解反应基本完成，对于实验室新浇筑混凝土试件，水泥石内部水化生成物和未充分水化的熟料因温度膨胀系数的不一致而在界面上发生应力集中，形成微裂缝，同时粗骨料、细骨料与水泥浆界面形成微裂缝，随着温度的升高，各类裂缝进一步发展，因此，温度较高时（T≥700 ℃），新浇筑混凝土试件相对残余抗压强度低于长龄期在役混凝土试件。endprint

2.4 高温后在役混凝土相对残余抗压强度回归公式

由于室温至300 ℃时混凝土残余强度较离散，波动性大，不考虑其强度衰减，将其等同于室温情况。根据本文中的试验数据，采用多项式y=At2+Bt+C对高温后长龄期在役混凝土相对残余抗压强度变化规律进行拟合，即

高温后在役混凝土相对残余强度拟合曲线见图7。由图7可见，回归曲线与试验结果吻合较好。与文献[10]～[17]中新浇筑混凝土试件试验结果相比，当T≥500 ℃时，由公式（2）计算得到的在役混凝土相对残余抗压强度偏高。

3 微观分析

高温后混凝土宏观力学性能与其内部成分的变化密切相关[18-19]，为了分析长龄期在役混凝土内部成分的变化，进行了水泥石差热-热重分析及扫描电镜观察。

3.1 差热-热重分析

经100 ℃，300 ℃，500 ℃，900 ℃高温煅烧后的在役混凝土水泥石差热-热重分析曲线如图8所示。由图8可以看出：水泥石不同温度后的热重（TG）曲线均呈下降趋势，差示扫描量热（DSC）曲线大致在400 ℃时出现明显的吸热峰，根据无机非金属图谱手册[20]，当温度达到400 ℃时，Ca（OH）2发生分解；当温度T≤500 ℃时，Ca（OH）2失重率变化不大，失重率为3.96%～4.03%；当温度T≥900 ℃时，Ca（OH）2失重率明显降低，水泥石中的CH含量减少。由此可知，高温对混凝土内部各水化物脱水分解影响显著，温度越高，脱水分解的组分及数量越多。

3.2 扫描电镜分析

在试验压力机压溃的试件芯部和表面选取规整薄片，干燥和除尘气干后抽真空， 进行喷镀碳膜，用镀膜后的试件进行扫描电镜分析，得到的电镜扫描图像见图9。

由图9可见：当温度T≤300 ℃时，水泥石微观结构比较密实，CH结晶完整，C-S-H凝胶体均匀致密；经700 ℃高温作用后，CH晶型残缺不齐，C-S-H凝胶体变得多孔疏松；经900 ℃高温作用后，内部结构疏松多孔，缺陷、裂纹增多，使混凝土强度下降。4 结 语

（1）与实验室新浇筑混凝土试件相比，高温后在役混凝土失重率较小；在役混凝土残余抗压强度变化规律与实验室新浇筑混凝土类似，相比而言，当受火温度T≤300 ℃时，在役混凝土相对残余抗压强度略低，当T>700 ℃时，在役混凝土相对残余抗压强度较高，本文中尝试从高温后混凝土内部成分的变化分析了该差异产生的原因。

（2）对于长龄期在役混凝土残余抗压强度计算，可参考本文中给出的公式（2）进行计算，考虑到混凝土力学性能与其组分密切相关，建议按相同掺合料及配合比进行高温后长龄期混凝土力学性能对比试验研究。

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