高温对C80高性能混凝土轴压强度及红外热像的影响

吴振戌，杜红秀

(太原理工大学土木工程学院，太原 030024)

0 引 言

高强高性能混凝土因具有高强度、高耐久性、高工作性、高体积稳定性等特点，在大跨建筑、港口建筑以及高层建筑的应用中越来越广泛[1-3]。但高强高性能混凝土在火灾高温作用时更容易发生爆裂[4-5]，这是因为高强高性能混凝土密实度大，经受火灾高温作用时其内部产生的蒸汽压力无法释放，且蒸汽压力随受火温度的升高不断增大，当蒸汽压力超过高强高性能混凝土抗拉强度后，混凝土发生爆裂[6]。杜红秀等[7]通过试验发现高强高性能混凝土高温后抗压强度、弹性模量均下降，且最高温度越大，强度下降越大。肖建庄等[8]研究发现高性能混凝土抗折强度随着温度的升高而下降。

然而高温对掺加聚丙烯纤维(简称PP纤维)C80高性能混凝土高温后轴压强度、损伤检测等方面报道较少，需要做进一步研究。为此，对PP纤维体积掺量为0%、0.2%的C80高性能混凝土模拟火灾高温试验，观察其高温后爆裂情况，研究受火温度与C80高性能混凝土轴压强度、红外温升的关系。

1 实 验

1.1 红外热像检测原理

红外热像检测原理[9-10]：红外热像检测是利用物体表面温度和辐射发射率的差异形成可见的热图像，从而检测物体表面结构状态和缺陷，并以此判断材料性质的一种无损检测方法。高温后混凝土会发生开裂、疏松等破坏，受火温度越高混凝土损伤越严重。使用外加热源照射高温后混凝土，混凝土由于损伤情况不同其红外辐射不同，通过红外热像仪采集红外热像图，分析其温度变化数据，建立温升与受火温度的关系，进而推断混凝土高温后损伤情况。

1.2 原材料

水泥为太原产P·O 42.5的普通硅酸盐水泥；粗骨料为5～25 mm连续级配的石灰石碎石，级配合格；细骨料为细度模数2.89，级配良好的豆罗砂；矿粉是28 d活性指数为105.8%的S105级矿粉；硅灰是28 d活性指数为119.8%的埃肯微硅粉；减水剂选用聚羧酸高性能减水剂；水为市内自来水；PP纤维是长度15 mm、直径25 μm、熔点165 ℃左右的束状单丝，其体积掺量分别为0%、0.2%；试验用配合比见表1，HPC和PPHPC初始抗压强度值分别为85.03 MPa、85.91 MPa。

表1 C80HPC配合比Table 1 Mix proportions of C80HPC /(kg/m3)

1.3 试验方案

混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，试件成型、脱模后标准养护28 d，然后静置室内自然干燥三周。使用SRJX型箱式电阻炉(额定电压为220 V，最高工作温度为1 200 ℃)对HPC和PPHPC模拟火灾高温，本试验升温速率为5 ℃/min，受火温度等级设定为100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃六个温度等级，且HPC和PPHPC均留置一组作为常温(20 ℃)对比组，为确保混凝土试件内部温度与表面温度保持一致，另制备6块中心预埋热电偶的150 mm立方体试件，如图1所示，当混凝土试件中心热电偶的温度达到设定温度时，恒温20 min，使混凝土内外温度保持一致，即认为试件烧透，关闭电源，打开炉门，为了防止烫伤，待试件冷却后取出试件[11-13]。本试验一共七组，每组三块，为防止试件爆裂影响试验数据的准确性，HPC和PPHPC均制备27块。C80高性能混凝土试件如图2所示。

图1 埋置热电偶的150 mm试件Fig.1 150 mm specimen of embedded thermocouple

图2 HPC和PPHPC试件Fig.2 Specimens of HPC and PPHPC

图3 TH9100WV红外热像仪Fig.3 TH9100WV infrared thermal imager

图4 红外检测示意图Fig.4 Schematic diagram of infrared detection

试验采用TH9100WV型红外热像仪拍摄高温后混凝土的红外热像，红外热像仪如图3所示。外加热源选用红外线灯泡，检测时，试件与外加热源的距离(测距)分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m，C80高性能混凝土试件开始加热及加热时间为3 min时各拍摄一张红外热像图，通过MikroSpec分析、处理红外热像图，得出不同火灾温度后试件的红外温升值。检测模型如图4所示。

2 结果与讨论

2.1 宏观现象

受火温度小于200 ℃时，HPC和PPHPC表面均无裂缝；300 ℃时，HPC出现明显细微裂缝，PPHPC未出现裂缝；400 ℃时，PPHPC开始出现明显细微裂缝，随着温度的升高，裂缝数量增加；600 ℃时，HPC棱柱体的边缘发生剥落，PPHPC裂缝数量明显增多，但未发生剥落。受火温度为400 ℃、500 ℃、600 ℃的HPC和PPHPC试件如图5所示。

图5 HPC和PPHPC经受400～600 ℃后外貌特征Fig.5 Appearance characteristics of HPC and PPHPC after 400-600 ℃

2.2 高温后轴压强度

图6 HPC和PPHPC轴压强度值Fig.6 Axial compressive strength values of HPC and PPHPC

不同受火温度下HPC和PPHPC轴压强度如图6所示。随受火温度的升高，HPC和PPHPC轴压强度均下降。受火温度小于300 ℃时，轴压强度损失较低；300 ℃时HPC和PPHPC剩余轴压强度分别为65.94 MPa、69.82 MPa；300～400 ℃时下降最为迅速；400 ℃时HPC和PPHPC剩余轴压强度分别为38.52 MPa、41.04 MPa。比较HPC和PPHPC可以发现，20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃时PPHPC的轴压强度较HPC的轴压强度高3.86%～8.40%，表明掺加PP纤维能降低高性能混凝土高温后强度损失。400 ℃之后HPC和PPHPC轴压强度大致相同且大幅度下降，500 ℃时HPC和PPHPC剩余轴压强度分别为29.52 MPa、28.45 MPa，轴压强度损失严重；600 ℃时HPC和PPHPC剩余轴压强度分别为12.67 MPa、11.87 MPa，轴压强度基本消耗殆尽。由于C80混凝土轴压强度在300 ℃前后下降趋势不同，本试验以300 ℃为界，提出图6中所示的简化计算公式(各受火温度下轴压强度为HPC和PPHPC平均值)，式中，x为受火温度(℃)，y为试件的轴压强度(MPa)，该公式可用于推断C80高性能混凝土高温后轴压强度。

2.3 红外检测

2.3.1 红外热像特征分析

高温后HPC和PPHPC测距1.0 m、照射3 min时红外热像分别如图7、图8所示。由图7、图8可知，随着受火温度的升高，红外热像颜色有显著变化，经MikroSpec分析、处理红外热像，发现红外热像的温度值随受火温度的升高而上升，原因可能是高温后混凝土损伤较严重，混凝土表面有更多的孔隙和裂缝，当红外热源照射时，高温后混凝土表面与常温时混凝土表面相比有更多的热堆积，所以高温后混凝土的红外热像温度值较大。

图7 HPC在不同受火温度情况下红外热像Fig.7 Infrared images of HPC at different fire temperatures

图8 PPHPC在不同受火温度情况下红外热像Fig.8 Infrared images of PPHPC at different fire temperatures

比较图7和图8，HPC红外热像温度值与PPHPC红外热像温度值相比较低，原因可能是高温后PP纤维融化，致使PPHPC生成较多的毛细孔，当外加热源照射时，PPHPC表面较HPC有更多的热堆积，致使PPHPC红外热像的温度值高于HPC红外热像的温度值。

2.3.2 红外温升结果与分析

图9 测距对红外温升的影响Fig.9 Effect of ranging on infrared temperature rise

不同测距时，HPC和PPHPC红外温升随受火温度的变化如图9所示。相同受火温度、PP纤维掺量时，红外温升随测距增加而降低，在0.8～1.0 m时红外温升下降最为迅速，受火温度为20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃时，HPC在1.0 m红外温升较0.8 m红外温升分别降低了41.67%、38.46%、40.63%、50%，PPHPC在1.0 m红外温升较0.8 m红外温升分别降低了36%、41.38%、36.36%、44%。原因可能是随着测距的增加，外加热源照射到混凝土表面红外辐射能降低，虽然混凝土表面孔隙和裂缝没有变化，但混凝土表面的热堆积减少，则加热到3 min时红外热像的温度较低，从而混凝土红外温升值较低。

相同测距时，HPC和PPHPC红外温升随温度的升高均增加，在300～400 ℃时上升最为迅速，测距越近变化越明显。测距为0.8 m时，HPC在200 ℃、400 ℃、600 ℃的红外温升较20 ℃红外温升分别升高了8.33%、33.33%、37.55%，PPHPC在200 ℃、400 ℃、600 ℃的红外温升较20 ℃红外温升分别升高了16%、32%、44%。相同测距、受火温度时，PPHPC红外温升大于HPC红外温升，原因可能是PP纤维高温后融化生成毛细孔和通道，在外加热源照射时PPHPC红外热像温度值大于HPC红外热像温度值，从而PPHPC红外温升大于HPC红外温升。

2.4 受火温度与红外温升对抗压强度的影响

考虑红外检测技术在实际工程中应用，HPC和PPHPC的受火温度与红外温升(1.2 m)对轴压强度的影响分别如图10和图11所示，拟合公式如下：

HPC受火温度、红外温升与轴压强度的关系：

Z=73.49+8.07×10-3X+1.2×10-2Y-1.46×10-4X2-3.25×10-7XY-1.99×10-4Y2

(1)

R2=0.959 8

PPHPC受火温度、红外温升与轴压强度的关系：

Z=79.23+1.23×10-3X+6.26×10-3Y-1.36×10-4X2-4.78×10-7XY-2.11×10-4Y2

(2)

R2=0.967 2

式中，X为红外温升(℃)，Y为受火温度(℃)，Z为混凝土试件的轴压强度(MPa)。

由式(1)和式(2)可知，C80高性能混凝土红外温升、受火温度和轴压强度的相关性较高，可为C80高性能混凝土火灾后轴压强度的损伤推断提供参考。

图10 HPC红外温升、受火温度对轴压强度的影响Fig.10 Effects of infrared temperature rise and fire temperature on axial compressive strength of HPC

图11 PPHPC红外温升、受火温度对轴压强度的影响Fig.11 Effects of infrared temperature rise and fire temperature on axial compressive strength of PPHPC

3 结 论

(1)受火温度小于200 ℃，HPC和PPHPC均无裂缝，随受火温度升高，混凝土出现裂缝且逐渐增多；600 ℃时，HPC棱柱体的边缘发生剥落，PPHPC裂缝数量明显增多，但未发生剥落。

(2)随受火温度升高，HPC和PPHPC轴压强度均呈下降趋势；当受火温度小于300 ℃时，轴压强度下降缓慢，大于300 ℃时其下降迅速，600 ℃时HPC和PPHPC剩余轴压强度分别为12.67 MPa、11.87 MPa；PPHPC轴压强度总体略高于HPC，表明掺加PP纤维降低了高温对混凝土轴压强度的损伤。

(3)随受火温度升高，HPC和PPHPC红外温升均呈升高趋势，在400 ℃时温升骤升，相同受火温度，HPC和PPHPC的红外温升均随测距的增加而降低，PPHPC的红外温升略大于HPC的红外温升。

(4)建立了PP纤维体积掺量为0%、0.2%时，C80高性能混凝土红外温升、受火温度和轴压强度的关系式，可为C80高性能混凝土火灾后轴压强度的损伤推断提供参考。