高温作用下混凝土耐久性劣化性能研究

刘　庆，赵铁军，刘志强，曹承伟

(青岛理工大学土木工程学院，青岛　266033)



高温作用下混凝土耐久性劣化性能研究

刘庆，赵铁军，刘志强，曹承伟

(青岛理工大学土木工程学院，青岛266033)

建筑结构中的混凝土材料在遇到火灾时，往往会暴露在高温的作用下，而高温作用后混凝土的相关性能对建筑物的使用安全性至关重要。本文介绍了高温对混凝土的物理性能和力学性能的影响。混凝土试块会经过相对较低温度(小于300 ℃)和相对高的温度作用，并通过不同的冷却方式后得到混凝土试块的抗压强度。高温作用后混凝土的抗压强度会严重劣化，混凝土的剩余强度也随着冷却制度的不同而不同。随着温度的升高，混凝土的断裂能逐渐降低。且高温作用后混凝土抗毛细吸水性能严重劣化，喷水冷却后混凝土的毛细吸水能力显著增大。

高温作用； 剩余强度； 断裂能； 耐久性

1　引　言

混凝土被广泛应用于世界各地，石油工程、天然气产业、核工业和电力工业等是主要的使用对象。除了通常所说的火灾，以上所提到的建筑物有时还会在高温和压力下暴露相当长的一段时间，尽管混凝土通常被认为是防火性能很好的材料，但是很多研究表明混凝土在高温下会发生损伤甚至突变失效。高温下混凝土的强度、弹性模量和体积稳定性等力学性能均呈现出明显的降低。Noumowe等学者研究认为[1-3]：200 ℃左右时，混凝土抗压强度与常温下相比有所上升[4-6]； 400 ℃左右时，抗压强度开始下降；400～800 ℃时强度损失严重，其中400～600 ℃为强度下降最快的温度段。对于耐久性能的损失，当前研究[7-9]一致认为，混凝土的孔隙率和渗透性随温度的升高而增大。混凝土在高温下的损伤机理一般分为以下几个方面：①高温去水化作用；②温度梯度应力；③骨料及界面区的破坏；④蒸汽压力作用。这些机理的单因素或者多因素的结合，使得混凝土在高温下更容易产生劣化损伤。

国内外学者对高温后混凝土的性能进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果，但对高温后混凝土耐久性能影响的研究却相对较少。因此，本文对高温后混凝土的抗压强度，高温后混凝土的毛细吸水性能以及混凝土的断裂能进行了研究，从而定量评价高温对混凝土耐久性能的影响。

2　试　验

2.1原材料与配合比

本试验所用的原材料均来自青岛本地，且试件均为普通混凝土试件。水泥为山水水泥厂生产的PO·42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料选用粒径为5～25 mm连续集配的花岗岩碎石；细骨料为青岛大沽河砂，最大粒径5 mm；水为自来水；减水剂为聚羧酸高效减水剂；本试验用配合比如表1所示，水泥的具体成分如表2所示。

表1　混凝土的配合比

注：减水剂的质量为占胶凝材料的百分比。

表2　水泥的化学成分及矿物

2.2试验内容及方法

制作尺寸为100×100×100 mm3和100×100×515 mm3两种试块，24 h后拆模，拆模后将其放入标准养护室中养护至28 d龄期。28 d后将试块取出，将试块放在温度20 ℃、相对湿度为50%的环境中直至内外湿度平衡，以防止加热时由于试块内外温差过大导致的爆裂破坏。将试块放入高温炉中加热至试验设计温度(设计温度为100、200、300、400、500、600 ℃，强度试验时需要增加700、800 ℃两个温度点)，然后保持恒温3 h从而保证内部温度和表面温度一致。加热结束后，取出试块对其用不同冷却方式进行冷却，冷却方式包括自然冷却和喷水冷却。

2.2.1强度试验

对经过高温作用并通过不同的冷却方式冷却后的混凝土立方体试块进行抗压强度测试，对于两种冷却方式，每个温度点取三个试块的平均值作为其抗压强度，以减小试验误差。试验使用YAW-3000D型恒应力压力试验机，测试时加载速度为1 MPa/s，混凝土立方体的抗压强度按式(1)计算。

(1)

式中，fcu-混凝土立方体试件抗压强度(MPa);P-破坏荷载(kN);A-试件承压面积(mm2)。

2.2.2断裂能试验

本文采用三点弯曲法来测试混凝土的断裂能，该方法是由Hillerborg教授在1985年最先提出，1985年RILEM协会认定为测试断裂能的标准方法，是目前应用比较广泛的测定混凝土断裂能的方法之一[10]。三点弯曲试验采用尺寸为100×100×400 mm3的混凝土棱柱体试件，在对试件加热并冷却后，在试件下表面的中心处制作一个凹槽和预留一个缝高比a/H=0.5的初始裂缝。具体细节如图1所示。

试验使用日本岛津生产的电子万能试验机进行加载，两支点之间的距离为390 mm，把两个电子引伸计固定于混凝土试件两侧用于测量其弯曲挠度。试验开始前先测量试件的自重W，然后安装好试件。加载速度设定为0.3 mm/min。通过与试验机相连的电脑实时测定荷载和挠度的变化，并直接得到三点弯曲试验的荷载-挠度曲线。三点弯曲试验的断裂能按照式(2)[11]计算。

GF=(E+Wδ0)/Alig

(2)

式中：E-荷载-挠度曲线与坐标轴所围成的面积；W-梁的线密度，可用梁重除以Lz得到；δ0-试件最终破坏时的挠度变形；Alig-断裂韧带面积。

图1　三点弯曲试验试件加载示意图Fig.1　Three point bending test

图2　毛细吸水示意图Fig.2　Capillary suction schematic

2.3毛细吸水试验

用切割机将100×100×100 mm3的混凝土立方体试块切成100×100×50 mm3，对其进行高温加热，然后进行毛细吸水试验。试验按照国际标准ISO 15148[12]规定的方法，试验前先将试块放入(60±1) ℃的烘箱中烘至恒重，烘干后将试块取出放在试验温度下静置24 h，并用环氧树脂密封试块的四个侧面仅保留成型面和底面，从而保证试块是一维吸水。其具体试验过程如图2所示。

在试块开始毛细吸水之前先称量试块的质量，并在吸水时间达到0、0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d 时，分别将试块从试验箱中取出，擦干表面的附着水，并迅速称量试块的质量，然后将试块放回原处进行后续的试验。根据测得的试块质量变化数据绘制ΔW-√t曲线，并通过曲线拟合得到毛细吸收系数A，用来描述混凝土的渗透性。

图3　高温作用后混凝土的剩余强度(a)A ratio；(b)B ratioFig.3　Residual strength of concrete after elevated temperature

3　结果与讨论

3.1高温作用后混凝土剩余抗压强度的变化

图3所示为A、B配比混凝土在高温加热并经过喷水冷却和自然冷却(喷水冷却用W表示，自然冷却用A表示)两种冷却方式后的剩余强度变化曲线。由图中曲线可知，随着温度的升高，混凝土试块的剩余强度总体上呈现下降趋势。自然冷却的混凝土试块，当温度小于400 ℃时，其剩余强度变化并不明显，在300～400 ℃之间剩余强度表现出了一定程度的升高。已有相关研究表明，在300～400 ℃温度范围内，混凝土内部的水分大量汽化，使未水化的水泥颗粒发生类似蒸汽养护的作用。也就是说相对较低的高温有利于水泥的水化[13]，水泥水化的主要产物为C-S-H凝胶和Ca(OH)2晶体，这两大产物构成了混凝土中水泥石的强度，从而使混凝土的强度有一定程度的增长[14]。A配比混凝土在400 ℃高温作用后强度增大，而B配比混凝土在300 ℃高温作用后便产生强度增长。高温作用使得内部未水化水泥颗粒水化速度加快的同时也会对混凝土的内部造成损伤，使混凝土内部产生微裂缝，从而其内部的孔隙率增大。由于B配比混凝土的水灰比较大，孔隙率较高，因此在相对较低的温度下混凝土内部孔隙率便达到临界值，其强度达到最大。此外，由于冷却制度的不同，冷却后混凝土的剩余强度有明显的差异。喷水冷却后的混凝土剩余强度明显小于自然冷却后混凝土的剩余强度。在喷水冷却的过程中，由于混凝土表面温度较高，当与水接触时表面温度迅速降低，而内部温度高，较大的温差导致混凝土膨胀，使其内部产生更多新的微裂缝，混凝土的损伤加剧，进而使剩余抗压强度迅速降低[15]。

3.2高温后混凝土断裂能的变化及分析

本试验对B配比混凝土棱柱体试块在高温作用后并经过不同冷却方式后的棱柱体试块进行三点弯曲试验。将所得试验数据从电脑中导出，可以得到试件的荷载—挠度曲线，然后用Origin软件进行处理，得到混凝土试件的平均荷载—挠度曲线。

图4　混凝土棱柱体荷载-挠度曲线(a)高温后自然冷却；(b)高温后喷水冷却；(c)未加热混凝土Fig.4　(a)The load-deflection curve of the natural-cooling concrete prism after elevated temperature (b)The load-deflectioncurve of the water-cooling concrete prism after elevated temperature (c)The load-deflection curve of the concrete without heating

图4所示a、b分别为混凝土试块高温后经过自然冷却和喷水冷却后的平均荷载—挠度曲线，c为未经处理的混凝土试块的平均荷载—挠度曲线。由图中曲线可知：(1)随着温度的升高，混凝土的最大弯曲荷载呈现下降的趋势。100℃作用后混凝土的弯曲荷载出现一定的增长，而随着作用温度的继续升高混凝土的最大荷载逐渐减小，其原因是混凝土在高温作用下，内部未水化的水泥颗粒继续水化使其强度逐渐增大，而在更高的温度作用后，其内损伤的累积使得承载力逐渐降低；(2)随着温度的升高，混凝土的荷载-挠度曲线逐渐变缓并有平行于横轴的趋势，最大极限挠度增大。这是因为在高温作用下，混凝土内部和表面出现微裂缝和宏观裂缝，这些裂缝在荷载作用下会张开、闭合或进一步发展，增大了弹塑性变形能力；(3)随着作用温度的升高，混凝土的荷载增长阶段曲线的斜率变缓，在达到最大荷载后混凝土的软化阶段也更加不明显，其原因为高温后混凝土产生的裂缝使混凝土提前进入塑性阶段；(4)不同的冷却方式混凝土的荷载-挠度曲线相差不大。

图5　CONSOFT软件拟合界面Fig.5　Fitting interface of CONSOFT

图6　高温温度及不同冷却制度对混凝土断裂能的影响Fig.6　Influence of elevated temperature and cooling system on the fracture energy of concrete

通过Consoft软件可将不同温度作用后的混凝土试件的平均荷载—挠度曲线进行光滑处理，并用Consoft软件拟合，得到试件的平均断裂能。Consoft软件处理数据界面如图5所示。

高温后混凝土的断裂能见图6。从图中曲线可以看出，随着作用温度的升高，混凝土的残余断裂能整体上呈下降的趋势。在100 ℃和400 ℃温度作用后，自然冷却的混凝土的断裂能出现一定增长，而喷水冷却的混凝土的残余断裂能总体上呈现下降的趋势。已有研究表明[16]，混凝土的断裂能与其内部含水量的大小有关。一方面，混凝土内部的水分含量越高，液体的表面张力也就越大，混凝土的内部颗粒所受到的排斥力就越大，在外部荷载的作用下更容易产生裂缝，使其断裂能降低；另一方面，混凝土在荷载作用下会产生变形，变形所吸收的能量以应变能的形式储存在混凝土中。随着荷载的增大，混凝土内部的应变能不断积累，当应变能达到某一临界值时，就会形成裂缝以表面能的形式释放出来，而当释放的应变能和形成新裂缝的所需的表面能相同时，裂缝停止发展。随着混凝土内部水分的增加，混凝土的表面能逐渐降低，形成裂缝所需的应变能变小，从而断裂能减小。

3.3高温对混凝土毛细吸水性能的影响

图7　混凝土的毛细吸水量变化曲线(a)自然冷却后A配比；(b)喷水冷却后A配比；(c)自然冷却后B配比；(d)喷水冷却后B配比Fig.7　Capillary water absorption curve of concrete

图8　高温后混凝土的毛细吸收系数变化示意图Fig.8　The change of capillary absorption coefficient of concrete after high temperature

图7所示为A、B配比混凝土在不同温度作用后并经过自然冷却和喷水冷却后的单位面积毛细吸水量与时间的平方根之间的关系曲线。由图中曲线可知，随着温度的升高，混凝土的毛细吸水量增大，毛细吸水曲线变陡，当作用时间超过一定值时，吸水曲线变缓，。其原因是在高温作用下，由于混凝土内部温度场的不均匀分布等因素使其内部产生较高的应力，从而对混凝土造成损伤。高温使混凝土内部产生微裂缝，进而使其孔隙率增大，在毛细作用下水分快速的进入混凝土中，从而使混凝土的吸水量迅速增大。

本文取混凝土前两个小时的试验数据，并对其用Origin进行拟合，所得到的曲线斜率即为混凝土的毛细吸收系数。高温作用后混凝土毛细吸收系数的变化情况如图8所示。由图像可知，随着作用温度的升高，混凝土的毛细吸收系数逐渐增大。对于A配比混凝土，在100 ℃作用后，混凝土的毛细吸收系数增长缓慢。在200～500 ℃温度区间时，混凝土的毛细吸收系数逐渐增大，但当温度达到600 ℃后，混凝土的毛细吸收系数急剧增大，这说明此温度作用下混凝土内部遭到严重的破坏。而对于B配比混凝土试块，随着温度的升高，混凝土的毛细吸收系数与A配比混凝土相比增长较为缓慢，当温度高于200 ℃以后，A配比混凝土的毛细吸收系数便超过相同温度作用下的B配比混凝土的毛细吸收系数，这说明水灰比较小的混凝土在高温作用下其渗透性劣化更为严重。不同的冷却方式下，喷水冷却的混凝土的毛细吸收系数大于自然冷却的混凝土的毛细吸水系数。

4　结　论

(1)随着作用温度的升高，混凝土的剩余抗压强度总体上呈现下降的趋势。当作用温度小于300 ℃时，自然冷却的混凝土试块的剩余抗压强度降低较小，400 ℃左右时甚至有小幅上升；而在高温作用后，经过喷水冷却的混凝土试块的剩余强度则逐渐降低，且整体上小于自然冷却的混凝土试块的剩余强度；

(2)对得到的混凝土试块的平均荷载—挠度曲线进行拟合，可以得到混凝土试件在不同温度作用后的残余断裂能。随着温度的升高，混凝土的残余断裂能逐渐降低，自然冷却的混凝土试件的断裂能大于喷水冷却的混凝土试件；

(3)混凝土的抗毛细吸收性能由于高温作用而劣化严重，因此其毛细吸水量和毛细吸收系数迅速增长，这说明高温作用后混凝土的抗渗透性显著降低。高温作用后，经过喷水冷却的混凝土试块内部的微裂缝增多，孔隙率明显增大，吸水能力显著提高，耐久性劣化严重。

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Degradation of Durability of Concrete under Elevated Temperature

LIUQing,ZHAOTie-jun,LIUZhi-qiang,CAOCheng-wei

(Department of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China)

Concrete material in structures is likely exposed to high temperatures during fire. The relative properties of concrete after such an exposure are of great importance in terms of the serviceability of buildings. This paper presents the effects of elevated temperatures on the physical and mechanical properties of concrete. Compressive strengths of concrete which were exposed to a relatively low temperature (less than 300 ℃), a relatively high temperature and cooled differently (in air and water) were obtained. The compressive strength of specimens will deteriorate badly after heating, and the residual strength of concrete is also different with the cooling regime. With the increase of the temperature, the fracture energy of concrete can be reduced gradually. Moreover, the ability of anti-capillary absorption was deteriorated seriously and the capillary water absorption capacity of concrete is significantly increased after water cooling.

elevated temperature;residual strength;fracture energy;durability

973项目(2015CB655100)；国家自然科学基金资助重点国际合作项目(51420105015)

刘庆(1991-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土材料耐久性方面的研究.

赵铁军，教授，博导.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0897-06