火灾环境下热-冷循环作用对混凝土性能的影响研究

2021-08-02方万军

火灾科学 2021年1期

蒋敏，方万军

(1.台州职业技术学院建筑工程学院，台州，318000; 2.台州市路桥区住房和城乡建设局，台州，318000)

0 引言

近年来，随着我国现代城市高层、超高层建筑物工程的快速发展，对于建筑物消防安全的要求也日益提高[1]。火灾是一种十分严重的灾害，会导致建筑物在短时间内达到几百甚至上千摄氏度的高温，其热害作用对建筑材料造成不可恢复的损伤效应，同时也给建筑物的承载性能和稳定性带来了重大的安全隐患[2,3]。混凝土是一种最常用的建筑结构材料，其物理、力学特性对建筑物的安全性和耐久性有十分重要的作用[4]。由于火灾高温的热辐射损伤作用，混凝土中的硬化水泥砂浆会发生高温裂解现象，造成强度和结构性的劣化。对水泥砂浆结构在火灾发展过程中进行动态分析是深入认知混凝土宏观特性的重要基础[5]。

混凝土是一种多孔介质材料，具有丰富的孔隙结构,容易受高温热膨胀作用的影响，从而在火灾高温的作用下产生明显的结构损伤效应，严重地降低了相关结构工程的稳定性[6]。研究建筑混凝土力学行为受火灾热-冷环境作用的影响规律，对于建筑的设计和施工有重要现实意义[7]。王薇等[8]在研究中发现隧道衬砌混凝土材料在高温作用下，其砂浆结构发生了明显的裂解，裂隙面迅速扩展；张广泰等[9]基于实验分析了不同冷热循环次数对混凝土抗压强度、渗透性能和质量损失的影响规律，发现随着冷热循环次数增加，混凝土结构损伤程度不断升高。何浪[10]将混凝土试样分别置于不同温度中进行热处理，开展强度实验得到了不同温度对混凝土力学性质的劣化程度，并基于微观结构观察分析了结构损伤特点。以上研究结果说明高温作用对混凝土的物理、力学性能均会造成显著的损伤效应[11,12]。

本文以混凝土材料为对象, 利用高温燃烧炉进行加热处理，并对冷却后的试件开展实验研究。通过测量不同高温作用次数下的试样质量与尺寸，定量地探讨了混凝土结构损伤程度；通过开展无侧限压缩实验对混凝土冷却后的力学行为的变化规律进行了研究；最后进行XRD衍射实验和SEM扫描电子显微镜对混凝土的矿物成分与微观结构进行探测，文章旨在加深对火灾高温对混凝土的损伤效应的认识。

1 实验材料

1.1 实验原材料

本实验制备的混凝土试样基本物料为粗、细骨料、水，硅酸盐水泥和外加剂。其中，粗骨料为筛分后的碎石，粒径范围为5 mm～22.5 mm；细骨料为普通河砂，粒径范围为0.25 mm～5 mm，砂的粒径相对较小，主要矿物成分为石英、黄铁矿和铁锰角闪石等。采用P.O. 42.5级普通硅酸盐水泥制备混凝土样品，水泥的比表面积为352.5 m2/kg。采用实验室的自来水进行拌合，拌合前在自来水中添加含量为1%的减水剂。

1.2 混凝土试样的制备

制备混凝土的试样时，先将碎石、河砂、硅酸盐水泥按照表1所示的质量比进行干拌；再将减水剂含量为1%的水溶液导入装有浆体的容器内，按照水灰比为0.3将溶液倒入物料中，然后采用砂浆搅拌机进行充分搅拌；最后将水泥砂浆倒入相应的磨具中，在温度(20±1)℃、相对湿度> 90%的恒温箱中进行2天的标准养护后拆模，并在室温条件下继续养护28天，棱柱体试样尺寸为300 mm×100 mm×100 mm。

表1 混凝土的物料配合比

1.3 高温加热实验

采用温度控制式燃烧炉进行混凝土的高温加热实验，该仪器由加热泵、可程式伺服控制装置，传感器和报警阀等组成。实验过程中，将混凝土样品放入加热箱后设置加热的温度和时间，升温过程中监测箱内温度，通过控制器调节加热泵的工作功率实现温度的准确控制。选取200 ℃～800 ℃的环境温度进行混凝土的高温加热处理，持续的加热时间为60 min。混凝土试件经过高温处理后从加热箱中取出，然后在20 ℃的室温环境中冷却2 h。对冷却后的混凝土试样进行相应实验。

2 实验结果

2.1 外观和质量损失测试结果

将混凝土的棱柱体试样置于高温燃烧炉进行热-冷循环处理，实验完成后观察混凝土试件的表观变化。图1清晰地显示了混凝土试样在经过热-冷后的表面形态的变化。混凝土在初始状态下的表面平整光滑，未见尺寸较长的裂缝；进行2次热-冷循环处理后，试件表面光滑的水泥凝胶体大量剥落；经过10次循环后，试件表面光滑的凝胶体基本上完全剥落，粗骨料基本裸露；在20次～60次热-冷循环过程中，混凝土表面的损伤程度进一步加深，试件的水泥凝胶体逐渐剥落和流失。

图1 热-冷处理后的混凝土试样Fig. 1 Concrete samples after heat and cold treatments

为了定量分析混凝土结构完整的变化,对不同火灾热-冷循环后混凝土试件的体积、质量和密度进行实验测定，并计算混凝土的质量损失率(ηm)和密度损失率(ηρ)，公式如下:

(1)

(2)

式中：V0,m0和ρ0为未经处理试样的体积、质量和密度；Va,ma和ρa是经过热-冷处理后混凝土试样的体积、质量和密度。

由公式(1)、公式(2)得到混凝土试件的质量损失率(ηm)和密度损失率(ηρ)与循环次数的关系曲线如图2所示。可以看出混凝土在0次～2次热-冷循环处理后的质量损失率(ηm)和密度损失率(ηρ)在0次～2次热-冷过程中的变化幅度最大，其中ηm由0上升至1.84%，ηρ由0上升至1.72%，即混凝土结构完整性的损伤在前2次热-冷循环过程中最显著。经过10次处理后，ηm与ηρ上升至2.11%和1.87%，上升速率明显下降；在此后的10次～60次热-冷循环过程中曲线的上升速率进一步减小，ηm与ηρ的值趋于平稳，经过60次循环后的混凝土质量损失率(ηm)和密度损失率(ηρ)分别为2.53%和2.02%。根据图2还可以看出混凝土质量损失率比密度损失率的值更大，这主要是因为在热-冷循环过程中的试件体积也有相应的减小。

图2 混凝土结构完整性指标的变化曲线Fig. 2 Change curve of concrete structure integrity index

2.2 单轴压缩实验结果

实验利用应变控制式单轴加载系统对混凝土试样开展力学测试，剪切加载速率设为0.02 MPa/s，实验得到了从开始加载到试样破坏阶段的应力-应变关系曲线，结果如图3所示。从图3中可以看出在单轴荷载的作用下，不同热-冷循环次数的混凝土试样均保持脆性破坏的变化特点，可将其应力-应变关系曲线分为三个主要变形阶段，分别为初始压密、弹性变形和脆性破坏的变形阶段。初始压密阶段：混凝土的应力随应变增加而缓慢上升；弹性变形阶段：混凝土应力随应变增加基本呈线性上升；脆性破坏阶段：混凝土的应力随应变增加而剧烈下降，期间发生明显的结构性破坏。

图3 不同循环次数下的混凝土应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves of sample under different cycles

从图3可以看出：混凝土试件的应力-应变曲线均存在峰值点，峰值点纵坐标对应混凝土无侧限抗压强度fcus，fcus代表混凝土强度特性[13]；峰值点横坐标为峰值应变εs(peak strian)，该值大小表征了材料的延性，即试件从屈服到最大承载能力未出现明显降低期间的变形性能[14]。根据弹性变形阶段的斜率可以得到混凝土的弹性模量E(elastic modulus)，E是衡量混凝土抵抗变形的能力[15]。本研究获得了不同热-冷循环过程中的混凝土无侧限抗压强度、峰值应变和弹性模量，结果如图4所示。

图4 力学性质指标与循环次数的关系曲线Fig. 4 Relationship between cycles and mechanical index

从图4可以看出随着热-冷循环次数的增加，混凝土试样的强度指标，即无侧限抗压强度fcus与弹性模量E逐渐衰减，衰减速率先快后慢，在0次～2次循环之间的下降幅度明显比后期大，至40次循环后基本保持稳定。该现象说明混凝土在热-冷循环作用的前期过程中力学性质损伤明显比后期严重。而峰值应变εs的变化趋势与强度指标正好相反，随循环次数增加，弹性模量逐渐上升，且上升速率先快后慢。混凝土试件的峰值应变-循环次数的关系曲线与弹性模量-循环次数的关系曲线几乎呈反对称分布。该现象说明混凝土试件的延性在热-冷循环过程中逐渐增大，且循环前期的变化幅度明显比后期显著。

2.3 成分测定结果

对经历0次、10次、20次和60次热-冷循环作用后的混凝土开展XRD衍射实验，获取随热-冷循环作用次数增加的水泥硬化物矿物成分特征，结果如图5所示。当混凝土暴露于高温热害环境中时，其矿物成分发生了明显的变化。未经高温的混凝土材料的主要成分由水泥的水化产物，即Ca(OH)2、Ca4Al2O7·19H2O，以及碎石骨料与砂中的SiO2组成。经过10次～60次热-冷循环作用后，材料XRD图谱中的Ca(OH)2含量逐渐降低，表明混凝土中的水泥凝胶体中的 Ca(OH)2在高温作用下逐渐分解、消失[16]。

图5 不同热-冷循环次数材料的XRD衍射图谱Fig. 5 XRD pattern of samples under different heating-cooling cycles

2.4 微观结构测试结果

对不同热-冷循环次数下的混凝土进行SEM扫描电子显微镜实验，以分析混凝土微观结构的变化形式，结果如图6所示。图6中标记的字母A表示孔隙，F为裂隙，Q为碎石骨料。在800倍放大图像中,可以看出未经历高温作用的混凝土中砂浆硬化体的排列比较致密，碎石骨料被水泥砂浆完全包裹，试样表面只有少量小孔隙和较短的裂隙分布(图6(a))。经过10次热-冷循环的混凝土试样孔隙的数量和尺寸有所增长，并观测到有明显的连通裂隙出现在试样表面，但裂隙的宽度较小，连通程度也不高，且主要存在于水泥水化物中(图6(b))；经过20次热-冷循环的混凝土试样的裂隙进一步连通、扩大，部分水泥砂浆硬化体变得较为疏松，碎石骨料也观察到有裂缝产生(图6(c))；经过60次循环后，混凝土内部的裂隙尺寸的规模进一步增大，骨料颗粒间以水泥水化物为主的胶结物明显减少，砂浆结构呈现破碎状。

图6 不同热-冷循环次数试样的SEM图像Fig. 6 SEM images of samples under different heating-cooling cycles

根据SEM图像显示的结果，可以看出混凝土的微观结构损伤在热-冷循环过程中不断累积。究其原因，混凝土结构微观形貌的改变主要是：反复热-冷作用使得水泥水化物受到热膨胀作用，产生应力集中而逐渐分解，该物理反应使得混凝土内部留下了较大的连通裂隙通道[17]。同时，混凝土中的大量结合水也发生了蒸发、蒸腾作用，进一步加快了水泥水化物的分解。由于反复多次的热-冷循环作用，混凝土内部结构的损伤程度逐渐累积，在微观上表现为裂隙的扩展和结构的破碎化，在宏观上表现为力学性能的衰变与密度、质量的下降。