水利工程高性能混凝土高温劣化试验研究

2022-10-31周欢

广西水利水电 2022年5期

周欢

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

0 前言

高性能混凝土（High Performance Concrete，简称“HPC”）因具有强度高、耐久性好等优点在建筑行业得到了广泛的应用，但是，其脆性易爆裂、耐火性差等缺点也一直是阻碍其发展的重要原因。近年来，HPC 不仅大量应用于大跨度桥梁、隧道和高层建筑工程，在水库大坝工程中也得到了广泛的应用[1，2]。水库大坝在施工过程和竣工后使用过程均有发生火灾的可能，火灾发生时形成的高温环境对混凝土力学性能与耐久性能存在很大的劣化作用[3]。相比于普通混凝土，在火灾发生的高温环境下，HPC更容易发生剥落甚至爆炸现象，给灾后救援工作造成很大的不便。与普通混凝相比，HPC则更加密实，其内部自由水的散发与排除也更加困难，这也是其在高温环境易产生爆炸现象的主要原因。有研究表明[4]，在高温环境条件下，HPC内部将会与外界形成的蒸汽压力差，这将会导致混凝土内部产生一定程度的拉伸应力，其应力值可达5 MPa 甚至更大，该应力将会导致HPC 发生爆炸性剥蚀和脱落。因此，HPC的耐高温性能是一个值得重视的问题。

目前，针对高温后混凝土性能变化问题国内外学者已有了大量的研究，并取得了一些具有重要意义的成果，但有关高性能混凝土（尤其是可广泛应用于水库大坝工程中的C60、C70 高性能混凝土[3]）耐高温性能的相关研究仍需进一步完善。鉴于此，本文以C60 混凝土为研究对象，对其进行不同温度和不同冷却方式（4种不同温度和2种冷却方式）的处理后，测试其强度（包括抗压、劈裂抗拉强度），并采用核磁共振技术测试其微观孔结构性能。研究结论对高性能混凝土在大跨度桥梁、高层建筑和大坝工程中的应用具有一定的指导和参考意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5 级硅酸盐水泥，其主要性能见表1；粉煤灰：F 类Ⅱ级，45 μm 方孔筛筛余率为28.3%，需水量比为95.0%，烧失量为5.65%；矿粉：S95级，比表面积为435 m2/kg，流动度比为98%，活性指数（28 d）为97%；采用细度模数为2.8 的普通河砂，5～20 mm 连续级配碎石；减水剂采用减水率为28%的高性能减水剂；水为实验室普通自来水。

表1 水泥物理力学性能

1.2 试验方法

（1）高温与冷却。制作试件的边长为150 mm×150 mm×150 mm，将其在标准条件下养护至28 d。待试件达到养护龄期对其进行干燥处理（将其置于温度为105℃±5 ℃环境中烘干48 h）。将烘干后的试件置于高温炉中进行高温试验，待高温炉达到相应的设计温度后恒温2 h，取出试件，采用不同的冷却方式对试件进行冷却处理。高温试验温度设计为常温对照组（20℃基）、高温200℃、高温400℃和高温600℃4种，采用自然冷却（NC）和浸水冷却（WC）两种冷却方式对高温后试件进行冷却处理。

（2）力学性能测试。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）测试高温冷却后的各试验组混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度值。

（3）微观孔结构试验。采用棱长为70.7 mm 的立方体试件，与强度试件在相同条件下养护、处理，高温完成后对其进行真空饱水，采用多功能核磁共振微结构分析与成像系统（Macro-MR12-150H-I）测试其T2谱分布。

1.3 配合比

以水库大坝工程中常用的C60高性能混凝土为研究对象，配合比见表2。

表2 C60高性能混凝土配合比kg

2 结果与分析

2.1 劈裂抗拉强度

高温冷却后的混凝土劈裂抗拉强度值见图1。由图1 可知，与基准组混凝土相比，自然冷却条件下，经历200℃、400℃和600℃高温的混凝土劈裂抗拉强度分别降低4.8%、12.0%和19.0%；浸水冷却条件下混凝土劈裂抗拉强度分别降低4.8%、17.5%和27.0%。浸水冷却比自然冷却后强度分别低0%、5.5%和9.8%。200℃高温冷却后，劈裂抗拉强度降低幅度较小，且其在自然冷却和浸水冷却条件下的差别不大；当温度大于等于400℃后，劈裂抗拉强度降低幅度明显增大，且其在浸水冷却后的降低幅度明显大于自然冷却。随试验温度的升高劈裂抗拉强度呈现明显降低趋势。

图1 混凝土劈裂抗拉强度值

2.2 抗压强度

高温冷却后各试验组混凝土抗压强度值见图2。由图2 可知，与基准组混凝土相比，自然冷却条件下，经历200℃、400℃和600℃高温的混凝土抗压强度分别降低3.4%、10.4%和24.9%；浸水冷却条件下混凝土抗压强度分别降低5.7%、17.2%和31.0%。浸水冷却比自然冷却后强度分别低2.3%、7.3%和7.5%。结合图1～2 可以看出，高温后混凝土的劈裂抗拉强度、抗压强度变化规律相似，均随试验温度的升高而降低，当温度大于200℃后其变化趋势更为明显。

图2 混凝土抗压强度值

总体来看，高温试验后的混凝土试块的强度在相同恒温时长的条件下，随最高恒温温度的升高逐渐减小，且高温后浸水冷却比自然冷却对混凝土强度的劣化作用更加明显。分析认为，当温度小于200℃时，温度作用对混凝土微观结构形貌的影响不明显[5]，甚至有学者指出100℃左右有利于水化反应的进行[6]，所以当温度在200℃时，混凝土抗压强度下降速度稍慢；当温度大于200℃后，环境温度较高会导致自由水蒸发，混凝土内部自由水的蒸发导致其密实度不断降低，孔隙率增大。当温度大于400℃后，水化硅酸钙凝胶中结晶水将出现脱水现象，导致其蒸发水量明显增大，混凝土孔隙率进一步增大；另一方面，水化产物也因脱水而破坏分解，水泥砂浆的收缩和骨料的膨胀明显加剧，水化产物与骨料间的界面被破坏而黏结强度降低，导致混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度出现明显降低。此外，试验发现高温后浸水冷却比自然冷却对混凝土强度的劣化作用更加明显，这与孔艳慧[7]研究结论相同，即混凝土高温后浸水冷却会导致内部微裂纹数量和体积的增加，其性能的劣化将比常温冷却更为明显。此外，水冷劣化作用随温度越高则越明显，这也与本文的试验结果相符。

2.3 微观孔结构

2.3.1 核磁共振原理

NMR 技术将自由水水珠的直径与弛豫时间相联系起来，可以凭借弛豫时间的分布判断水珠直径分布规律，在试验之前需要对混凝土试件进行真空饱水处理，以达到尽量让混凝土内部孔隙能充满自由水的目的。混凝土中孔隙水的横向弛豫时间t2可以表示为[8]：

1/t2≈ρ2S/V（1）

式中：ρ2为表面弛豫强度；S为孔隙表面积；V为孔隙体积。

2.3.2 结果及分析

在自然冷却条件下，经历不同试验温度后的混凝土T2谱特征参数分别见图3、表3。

图3 T2谱分布

由图3 和表3 可以看出，与常温下的混凝土相比，经历200℃高温冷却后的混凝土总峰值增大1.7%，与常温下的混凝土差异并不显著。经历400℃高温冷却后的混凝土总峰值增大152.5%，第一峰值峰面积增大122.3%，第二峰值峰面积增大309.6%。经历600℃高温冷却后的混凝土总峰值增大224.1%，第一峰值峰面积增大190.7%，第二峰值峰面积增大354.3%。分析认为，当温度小于200℃时，温度作用对混凝土微观结构形貌的影响并不显著[7]，所以经历200℃高温冷却后的混凝土微孔结构的变化不太明显。当温度介于200℃～400℃之间时，混凝土脱水为物理脱水，其蒸发水为混凝土孔隙中的自由水，随着自由水的逐渐蒸发，高温作用对混凝土孔隙结构的劣化作用已较为明显，主要表现为混凝土T2谱各峰值面积与总峰面积的增大，进而导致其强度降低。当试验温度大于400℃后，水化硅酸钙凝胶中结晶水开始出现脱水现象，蒸发水量明显增大，混凝土孔隙结构明显劣化，T2谱各峰值面积与总峰面积明显增加；此外，温度较高时（大于400℃后）水化产物因脱水而破坏分解，导致水泥砂浆的收缩和骨料的膨胀明显加剧，二者之间的界面被破坏，混凝土力学性能出现大幅度下降，这与上述的力学性能测试结果相符。总体来看，与常温下的混凝土相比，经历高温后的混凝土T2谱存在明显的第三峰，随试验温度的增加混凝土T2谱各峰值峰面积与总峰面积呈现增大趋势，即随试验温度的增加混凝土孔隙结构明显劣化，混凝土强度随温度的升高而降低，当温度超过400℃后其劣化作用更加明显。