冻融损伤对陶粒混凝土高温后荷载变形性能的影响

王建民，贺智敏，程 博，黄 静

（宁波大学 建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211）

陶粒轻骨料混凝土相比较普通混凝土，具有容重小、相对强度高、良好的耐久性和耐高温性能，逐渐被推广应用于海工结构、高层建筑等工程.实际应用中，许多工程结构在服役期间有可能处于高温、冻融循环和腐蚀等恶劣环境条件下.有些结构或构件甚至处于不同环境因素的先后或交替叠加影响，如寒冷地区的沿海隧道、桥梁和海工结构等，在服役期内经历一定程度海水侵蚀冻融循环影响后，其后续使用过程中的抗火性能是否会受到前期海水侵蚀冻融的影响？考虑冻融损伤影响如何对后期的抗火性能、火灾评定进行科学的分析等.这种不同恶劣环境因素的叠加影响将给结构未来的安全性能带来很大的不确定性和隐患.

覃丽坤[1]对分别处于单轴应力和多轴应力状态下的普通混凝土，在高温后及冻融循环后的力学性能进行了试验研究和理论分析，没有考虑两种环境因素的叠加影响.程红强等[2]通过试验分析认为，冻融循环对混凝土强度的影响要比对相对动弹性模量或重量损失影响要大，在相对动弹性模量或重量损失满足要求时，混凝土强度不一定满足要求.文献 [3]通过试验分析表明，应力比和海水冻融循环次数对轻骨料混凝土极限拉压强度和劈拉强度都有较大影响，并建立了相应破坏准则.钢纤维和引气剂的联合应用可有效提高轻骨料混凝土的耐冻融性能[4].从常温状态到加热温度水平的逐渐升高，决定陶粒轻骨料混凝土抗压强度的因素在发生有规律的变化[5]：经过200℃加热后，陶粒与水泥石浆体的粘结性能开始削弱，但陶粒混凝土抗压强度仍主要决定于陶粒粗骨料；随加热温度的逐渐升高，陶粒骨料与水泥石浆体的粘结性能逐渐削弱明显，水泥石浆体自身强度也开始下降明显，等试验温度达到800℃后，水泥石强度可降低为常温状态下的40%以下[6]，且水泥石内裂缝变宽、变长至贯通.此时，决定陶粒混凝土强度的主要因素不再仅仅是陶粒骨料，甚至更主要是受到水泥石强度及界面粘结性能的影响.

关于轻骨料混凝土分别受高温和冻融循环影响下的力学性能和耐久性变化规律，目前有相关试验和研究.但在冻融循环及高温因素的先后叠加影响下，对陶粒轻骨料混凝土相关力学性能及耐久性等的影响及变化规律尚无相关试验和研究报告.本文首先对陶粒混凝土进行一定程度的冻融循环试验，在此基础上，采取分批阶梯式升温试验，研究陶粒混凝土冻融循环前后荷载变形性能的变化特征，以及聚丙烯腈纤维的掺入对陶粒混凝土冻融循环前后高温力学性能的影响.

1 试验概况

1.1 试验材料

粗骨料：宁波市远扬新型建材科技有限公司生产的淤泥质高强陶粒，堆积密度 =850 kg/m3，筒压强度为：6.39 MPa，吸水率为8.5%.

聚丙烯腈纤维（PANF）：郑州禹建钢纤维有限公司生产的聚丙烯腈纤维，直径为27 m，长度为6mm，抗拉强度 450 MPa，熔点为235～245℃.

其它材料：水泥为海螺牌P O 42.5普通硅酸盐水泥，各项性能符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）标准要求，粉煤灰为宁波镇海发电厂生产的I级粉煤灰.

1.2 试验方案

试配两组陶粒混凝土：一组是LC30无纤维陶粒混凝土，另一组是掺入聚丙烯腈纤维的陶粒混凝土LC30A，配合比及相关参数见表1.两组陶粒混凝土共制作100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试块120块.试块在标准养护条件下养护28 d后，在实验室自然室温条件下气干1个月后进行相关试验.

表1 陶粒混凝土配合比及相关参数Tab.1 Test m ixing proportion of ceramsite LWAC and parameters

首先取出两组配合比试块各一半进行快速冻融试验，冻融循环次数为25次，所用设备为浙江路达机械仪器有限公司CABR-HDK9型混凝土快速冻融仪，试件在冻融试验过程中均处于完全水浸泡状态，每次冻融循环时间为3 h左右，在冻结和融化终了时，试件中心温度分别控制在 17.5℃和7.5℃.

待冻融试验结束后，将所有试块烘干，再分常温（20℃）、200℃、400℃、600℃和800℃5个温度水平进行升温试验.为防止试块加热过程中发生爆裂，对试块分批进行阶梯式升温试验，即炉温每升高50℃恒温保持一定时间，待有预埋热电耦的温控试块的中心温度接近炉温时，再将炉温升高50℃，循环直至试块中心温度达到设计温度.然后恒温保持30 m in，打开炉门令试块自然冷却至室温.高温试验采用长春方锐科技有限公司GWM-1100型电炉加热系统，图1为相关试验过程.

图1 试块高温及荷载试验Fig.1 Test of high temperature and loading

2 试验结果分析

2.1 荷载变形曲线

图2为归一化处理后棱柱体试块的实测抗压荷载变形曲线.不论经历冻融循环试验与否，高温试验后达到极限荷载状态下，掺入聚丙烯腈纤维后可有效减缓陶粒混凝土的脆性破坏特性.在常温～200℃较低温度范围内，冻融循环前后LC30和LC30A两组试块的峰值荷载均有较小幅度的变化.其中，无冻融循环前LC30A经历200℃升温试验后，其峰值略有增长.影响这一阶段峰值荷载小幅度变化的原因，一方面是经历200℃升温试验，陶粒混凝土内部游离水的逸出使水泥颗粒更紧密，其作用相当于对混凝土进行蒸汽养护，促进了水泥颗粒的进一步水化，对强度提高有一定的积极作用；另一方面，此阶段由于水泥石与骨料间粘结性能削弱造成一定程度的强度损失.二者作用的相互叠加，加之试验结果的偶然因素，最后导致在该温度段内峰值荷载出现小幅度的上升或下降.

图2 冻融循环前后LC30与LC30A棱柱体高温试验荷载变形曲线Fig.2 Load-deformation curves of LC30 and LC30A prism test blocks before and after freeze-thaw cycling

表2给出冻融前后LC30和LC30A陶粒混凝土棱柱体抗压强度随高温试验的变化.相对200℃升温试验，经历400℃后，LC30陶粒混凝土的峰值荷载开始出现明显的削弱下降.而掺入聚丙烯腈纤维的LC30A陶粒混凝土经历400℃后的下降幅度小于LC30，超过400℃后，其峰值荷载才开始明显下降.究其原因，聚丙烯腈纤维的熔点为235～245℃，经历400℃升温试验后，混凝土内部纤维组织大部分熔融并蒸发溢出，剩余尚未蒸发溢出的纤维在冷却后对混凝土尚能发挥一定的增韧阻裂效应，在一定程度上减缓了峰值荷载的降低.

经历冻融循环试验后，LC30陶粒混凝土的抗压强度在各温度段内均出现下降.其中，在200℃升温试验后的下降幅度较小，其余温度段的平均下降幅度为4.6%.相比较LC30，LC30A陶粒混凝土冻融循环后，在200℃和400℃的升温试验中，其抗压强度无明显下降，尚略微有所上升，在其它温度段的平均下降幅度为2.1%.其可能原因主要是在常温～400℃较低温度范围内，聚丙烯腈纤维有效的增韧阻裂效应抑制了陶粒混凝土抗压强度的降低，超过400℃后，纤维组织的熔融蒸发致使增韧和阻裂作用丧失.

表2 棱柱体抗压强度随温度变化 MPaTab.2 Change of prism compressive strength w ith high temperature

2.2 弹性模量

两组陶粒混凝土冻融循环前后弹性模量随温度的降低变化见表3.对于无纤维掺入的LC30陶粒混凝土，不经历冻融循环试验，弹性模量随温度的降低变化规律与文献[7]基本相似，本次试验在200℃和400℃升温后的实测数据略低于文献 [7]所配LC20陶粒混凝土拟合结果.冻融循环试验后，不同高温水平后的弹性模量均低于冻融循环前.其中，经历200℃升温试验后，弹性模量的降低幅度小于常温状态下.超过200℃后，弹性模量相对冻融循环前明显降低，平均降低幅度为4.6%.

表3 弹性模量相对变化 %Tab.3 Relative change of elastic modulus

对于LC30A陶粒混凝土，不经历冻融循环试验，在常温～200℃温度范围内，弹性模量的降低比LC30混凝土相对较小.超过200℃后，弹性模量下降加快.其主要原因可能为，在常温～200℃较低温度范围内，聚丙烯腈纤维的增韧阻裂效应能有效抑制LC30A的变形；超过200℃后，纤维组织开始熔融蒸发，从而减弱和丧失其原有增韧阻裂效应，并产生较多孔洞，加速了弹性模量的降低.冻融循环试验后，LC30A弹性模量的降低变化规律与LC30混凝土基本相似，经历200℃升温试验后，弹性模量的降低幅度尚略小于常温状态下.超过200℃后，除600℃异常数据外，弹性模量相对冻融循环前明显降低，平均降低幅度为6.1%，说明掺入聚丙烯腈纤维后，在较低温度范围内，能有效抑制弹性模量的降低.但在较高温度范围内，由于纤维组织熔融蒸发丧失原有增韧阻裂效应，且在混凝土内产生较多孔洞，二者相互叠加影响下加速了弹性模量的降低.

3 结论

本文通过试验，分析了一定程度的冻融循环前后，陶粒混凝土的荷载变形及弹性模量随高温温度的变化，以及掺入聚丙烯腈纤维对陶粒混凝土相关性能的影响.

1）冻融循环后，陶粒混凝土的抗压强度在不同温度水平均呈现不同程度的降低.其中经历200℃升温试验后，其抗压强度的降低相对较小，其它温度段的平均降幅为4.6%.

2）掺入聚丙烯腈纤维后，在常温～400℃温度范围内，陶粒混凝土抗压强度的降低随温度变化较缓慢，冻融循环前后陶粒混凝土的抗压强度无明显变化；超过400℃后，其抗压强度才开始明显降低，其主要原因为，较低温度范围内，纤维组织有效的增韧阻裂效应抑制了陶粒混凝土强度的降低；较高温度后，纤维组织的熔融蒸发导致增韧阻裂效应丧失.

3）冻融循环导致陶粒混凝土高温后弹性模量产生一定程度的降低，其中经历200℃后弹性模量的降低相对较小；掺入聚丙烯腈纤维后，在较低温度范围内对弹性模量的降低有一定的抑制作用，当试验温度超过纤维熔融点，导致纤维组织的增韧阻裂效应丧失，并在陶粒混凝土内部形成孔洞，因而加速了弹性模量的降低.

本文分析基于所配制的LC30和LC30A纤维陶粒混凝土，对于因试件材料的离散造成试验结果的随机不确定性，需进一步通过足够的试验给出一定的置信区间和统计分析.

致谢

本文工作得到宁波大学科研项目“陶粒混凝土与普通混凝土粘结性能试验研究”（F01622144302）的资助；作者对王宽诚教育基金会的资助谨致谢忱。

[1]覃丽坤.高温及冻融循环后混凝土多轴强度和变形试验研究 [D].大连：大连理工大学，2003.

[2]程红强，张雷顺，李平先.冻融对混凝土强度的影响 [J].河南科技，2003，21（2）：214-216.

[3]王立成，刘汉勇，王海涛.冻融循环后轻骨料混凝土双轴拉（劈拉）压强度试验和破坏准则研究 [J].岩石力学与工程学报，2006，25（增2）：3847-3853.

[4]霍俊芳，刘大鹏.钢纤维改善轻骨料混凝土耐冻融性能研究 [J].混凝土，2009，23（2）：76-79.

[5]蒋文婷，王建民，程博.高温后陶粒混凝土性能试验研究 [J].工业建筑，2014，44（2）：110-114.

[6]李固华，风凌云，郑盛峨.高温后混凝土及其组成材料性能研究 [J].四川建筑科学研究，1991（2）：1-5.

[7]王建民，袁丽莉，汪能君，等.高温加热后轻骨料混凝土力学性能实验研究 [J].自然灾害学报，2014，23（1）：258-263.