高温作用后不同冷却条件下混凝土损伤演化研究

庄志凯　张伟　张坤　卢晓仓　陈勇

摘要：为研究高温作用后不同冷却方式对混凝土力学性能及损伤演化的影响，利用声波仪及力学测试系统分别对经400 ℃高温处理后的混凝土试件在不同冷却条件下的波速和单轴强度进行测试，分析混凝土力学特性、测试波速、变形特性及损伤的演化规律。通过试验结果得出如下结论：① 相对其他冷却方式，半水冷条件下由于试件变形不均匀，混凝土强度劣化最严重；② 混凝土泊松比和弹性模量的变化表明，半水冷条件下试样变脆，承载能力降低，且较自然冷却条件、全水冷条件，半水冷条件对混凝土弹性模量的劣化最为严重；③ 在自然冷却、全水冷、半水冷3种冷却条件下，混凝土试样测试波速分别为2.56，2.57，2.42 km/s，分析试验损伤系数分别为0.480，0.476，0.534，表明半水冷条件对高温作用后的混凝土损伤最大。研究成果对高温条件下混凝土工程设计及高温作用后混凝土结构的加固具有一定参考价值。

关 键 词：高温作用； 混凝土损伤； 冷却方式； 波速； 力学性能

中图法分类号： TU528

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.033

0 引 言

混凝土被广泛应用于桥梁、隧道、建筑等基础设施建设中。随着建筑物对混凝土材料性能要求的不断提高，混凝土的安全使用问题越来越突出。混凝土建筑中经常存在一些结构缺陷，在外荷载或高温的作用下，混凝土结构变化，容易引起裂纹的萌生、扩展和连接，这也决定了裂纹扩展的规律［1］。在建筑物使用过程中，火灾往往是危害性最大的因素之一，它会极大地改变混凝土的性能。温度过高会导致混凝土剥落，造成重大结构损坏和承载力严重损失。多年来经过对高温环境下混凝土强度变化的研究，已经建立了一些典型的强度变化模型。为了研究火灾对混凝土的影响，评价火灾环境下混凝土的结构性能和力学性能，学者们对高温环境下的混凝土进行了大量的试验，并对其力学性能进行了研究［2-6］。有学者［7-9］研究了自然冷却（空气中冷却）和水冷（全水冷）两种冷却方式对高温处理后的混凝土强度、残余强度、劈裂抗拉强度、弹性模量等力学参数的影响［10-14］；还有学者［6，15］对高温及冷却方式对混凝土强度及微观机理等性能的影响进行了深入的研究。但是在实际中，火灾后经受高温作用的混凝土的冷却过程，除了自然冷却、水冷外，还存在一种特殊的冷却方式，即一半置于水中一半裸露在空气中，称之为半水冷，试件两端的冷却速率不同，混凝土试件的劣化效果必然较大。目前关于这种半水冷对于混凝土强度及其力學性能影响的研究较少。为此，本文从自然冷却、室温冷却、全水冷、半水冷4种冷却方式出发，使用数字声波仪及岩石三轴试验机两种设备对高温处理后混凝土的波速、强度、弹性模量、泊松比进行测量，探究不同冷却方式对高温后混凝土强度劣化的影响，为高温条件下混凝土工程设计及高温作用后混凝土结构的加固提供参考。

1 试验方法

本次试验所使用的试样为白混凝土试件，采用标准砂和白色硅酸盐水泥浇筑而成，配合比为白水泥∶粗砂∶标准砂∶水=1∶3.5∶2.5∶0.6，浇筑成φ50 mm×100 mm的标准柱状。养护28 d后采用箱式电阻炉加热到400 ℃后保持1 h，然后分别置于空气中、一半浸入水中、全部浸入水中冷却至室温。试件冷却后将其放置在25 ℃恒温恒湿箱中静置1 d，然后采用WSD-4型数字声波仪测量不同冷却方式下的波速。最后，采用DSZ-1000岩石三轴试验机进行单轴加载，加载速率为3 MPa/min，设备及试验流程如图1所示。该三轴试验机最大轴向力为1 000 kN，测力范围10～1 000 kN，测量精度≤±0.5%FS；最大加载行程为50 mm，主油缸位移加载速率0.1～100 mm/min；最大围压60 MPa，围压测量精度≤±0.25%FS，加载速率0.1～60 MPa/min。

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变曲线分析

图2给出了经不同冷却方式处理后的混凝土试件的应力-应变曲线。加载过程混凝土受力变形可分为4个阶段：裂缝无明显变化阶段（收缩裂缝阶段）、裂缝发展阶段、裂缝稳定增长阶段和裂缝的不稳定扩展阶段。① 在裂缝无明显变化阶段混凝土外观无明显变化，内部空隙及微裂隙稍有压密，混凝土处于弹性变形阶段；② 在裂缝发展阶段混凝土内部裂缝数量、裂缝长度和裂缝宽度渐渐增大，但无明显的砂浆裂缝出现；③ 在裂缝稳定增长阶段荷载超过临界荷载后，裂缝随着荷载增大而增大，混凝土表面裂纹扩展，若立即保持恒定荷载，裂缝不再扩展；④ 在裂缝的不稳定扩展阶段荷载达到极限荷载之后，荷载不变，裂缝不断扩展，随后应力快速降低，应变持续快速增大，直至破坏。由此可知，高温未改变混凝单轴压缩条件下的应力-应变曲线变化趋势，而不同冷却条件未对混凝土变形阶段产生影响，但对混凝土强度变化产生影响。

图3列出常温下混凝土单轴压缩的峰值强度及经历400 ℃高温后在不同冷却条件下混凝土的峰值单轴抗压强度。由图3可知，400 ℃高温前后，混凝土的峰值抗压强度不同；同时，高温后冷却方式不同亦影响混凝土的强度。室温条件下混凝土峰值抗压强度为16.72 MPa，自然冷却条件下混凝土峰值抗压强度为15.42 MPa，相对室温条件减小了1.30 MPa；全水冷条件下混凝土峰值抗压强度为12.52 MPa，相对室温条件减小了4.20 MPa；半水冷条件下混凝土峰值抗压强度为7.36 MPa，相对室温条件减小了9.36 MPa。400 ℃高温使混凝土内部水蒸气蒸发形成孔隙，而在自然冷却条件下高温使骨料界面上形成的裂缝致混凝土抗压强度降低。此外强度降低程度与其所经受的冷却方式有关，气冷强度降低最小，其次是全水冷，强度劣化最严重的是半水冷。由此可见，不均匀冷却方式对于混凝土试件的强度劣化影响最大，这是由于水冷和气冷的冷却速度不一致，造成了受热不均匀，使得试样在冷却的过程中其内部产生了较多的损伤，从而造成其承载能力大幅度降低。虽然水冷使得试样急剧冷却，但是整体上其冷却是均匀的，因此，其强度劣化相较于半水冷而言，降低的幅度较小。气冷是一种均匀缓慢的冷却方式，其内部的热量可缓慢辐射到空气中，因此对于强度的劣化较小，但增强了混凝土的脆性特征。

2.2 冷却方式对波速的影响

利用声波仪测量经过400 ℃高温后不同冷却方式处理的混凝土试件声波参数，数据如表1所列。从表中可知，混凝土试样的声波波速变化与冷却方式有关。相对常温条件下混凝土，经过高温处理后，各冷却条件下混凝土波速不同程度降低。其中，空气中自然冷却时，混凝土的波速最小，值为2.56 km/s；高温后全浸泡冷却时，混凝土波速居中，达到2.57 km/s；而高温后半浸泡冷却时，混凝土波速最小，其值为2.42 km/s。产生这一现象的原因有几个方面：① 混凝土试件是由砂粒和水泥胶结而成，与砂岩等岩石类材料相似［16］，高温后混凝土中砂粒之间的胶结变弱，内部产生诸多细小的微裂纹；② 超声波在包含不同介质的混凝土中传播时，遇到不同介质，将发生波的反射、折射、绕射、衰减等现象，从而导致声波振幅、波形、频率变化，而高温后混凝土中晶体变化及空隙增加导致声波传播路径增长。因此经过高温处理后试件的波速呈减小的趋势。

2.3 力学参数的变化

2.3.1 泊松比

泊松比是岩体变形性质的重要参数之一［17-18］。本文计算试样破坏前的泊松比，并绘制应力-泊松比曲线，如图4所示。从图中可知：室温冷却混凝土试件的泊松比在14.8 MPa前基本保持不变，之后则迅速增大；自然冷却的混凝土试件其泊松比则是在5.6 MPa（压密阶段结束后）后才随应力增大而逐渐增大；半水冷处理的试件其泊松比则直至峰值强度前都基本上保持不变，峰值强度后才迅速增大；而全水冷处理的混凝土试件则是随着应力的增大，缓慢增大，但直至达到试件承载的峰值强度前也没有明显增大，即峰值强度前经过全水冷处理的混凝土试件的泊松比变化较小。通过以上分析可知，混凝土试件的泊松比变化与其所经受的冷却处理方式有关：高温处理后，试件内部颗粒间的胶结变弱，当经受荷载作用时，更容易变形；同时，不均匀的冷却方式使得试样变脆，承载能力降低；但是，当试样全部放入水中急剧冷却时其效果与钢材淬火作用相似，增大了试件的脆性。

2.3.2 弹性模量

弹性模量是表征混凝土力学性能的重要参数，对于混凝土结构的变形、裂纹等具有重要的影响［19］。通过应力-应变曲线弹性阶段计算出未处理、气冷、半水冷、全水冷的弹性模量，绘制应力-弹性模量曲线如图5所示。由图5可知，弹性模量在线弹性阶段内呈现不同幅值的浮动，但半水冷整体上呈直线，而未处理的试件则是先缓慢增大后保持恒定，全水冷和气冷处理的试件则是先增大后减小。另外，通過比较弹性模量的大小，则是半水冷＜全水冷≈自然冷却＜室温冷却，可见，400 ℃温度处理后的混凝土试样其弹性模量发生改变，但改变的大小及趋势与其冷却方式有关，缓慢冷却增大了其弹性模量，而全水冷（急剧冷却）则在线弹性前期没影响，随着应力的增大则呈现出一定的劣化效果，半水冷（不均匀冷却方式）对混凝土的弹性模量劣化最为严重。

2.4 冷却方式对应变特性的影响

图6（a）给出了混凝土单轴压缩条件下应力峰值时的应变与不同冷却方式的关系。自然冷却下轴向应变ε1为0.003 17，侧向应变ε3为-0.000 85，体积应变εv为0.002 32；半水冷条件下ε1为0.007 58，ε3为-0.000 311，体积应变εv为0.007 25；全水冷条件下应变ε1为0.012 24，ε3为-0.007 84，体积应变εv为0.002 31。这表明气冷条件下轴向应变最小，半水冷条件下轴向应变次之，而轴向应变最大值出现在全水冷条件下。此外，混凝土在高温后全水冷条件下体积应变最大，说明该条件下混凝土内部裂缝发展最快且变形劣化最为严重。同时，为了分析相同荷载条件下不同冷却方式对混凝土位移特性的影响，如图6（b）所示，选取了荷载为6 MPa时的应轴向、侧向及体应变进行分析。试验发现全水冷对混凝土试件应变的影响小于半水冷，而自然冷却条件下轴向应变最小。

2.5 基于超声波的混凝土损伤分析

岩石等经荷载或者是高温等作用后，内部会产生一定的损伤。而通过超声波测试可以方便地对材料进行无损测试。很多学者对于纵波波速与岩石损伤之间的关系进行了广泛的研究，并通过纵波速度的变化来定义试样的损伤因子D［17，20］：

D≈1－（Vp/Vf）2

式中：Vp为损伤后岩石中的纵波波速，m/s；Vf为损伤前岩石中的纵波波速，m/s。在定量计算混凝土不同冷却后的损伤因子时，同样引入公式（1）计算得到，在空气中自然冷却、半水冷、全水冷处理的损伤因子依次为0.480，0.534，0.476。可见混凝土试件在经受400℃高温作用后，冷却方式对其损伤影响不是特别大，缓慢冷却（空气中冷却）和急剧冷却（全水冷）所造成的损伤相近，且大于不均匀冷却（半水冷）。分析原因可以认为急剧冷却导致了内部产生较多的微裂纹，而在空气中缓慢冷却则因高温作用，砂粒间的水泥浆胶结减弱；而半水冷方式则是在冷却的同时，存在一定的余温，毛细作用下毛细水与水泥浆等作用析出微小晶体将微裂纹填充，因此，半水冷产生的损伤相对较大。

3 结 论

本文对混凝土试件进行400 ℃高温处理后，采用自然冷却、室温冷却、半水冷、全水冷4种方式进行冷却处理，并使用声波仪及力学测试系统分别对处理后混凝土试件波速和单轴强度进行测试，并对不同冷却条件下混凝土力学特性、波速变化、应变特性及损伤演化进行分析，得到以下结论：

（1） 高温作用后混凝土试件的强度劣化程度与其冷却方式密切相关。不均匀冷却方式（半水冷）对于混凝土试件的强度劣化影响最大；全水冷使得试样急剧冷却，但是整体上其冷却是均匀的，其强度劣化相较于半水冷而言，降低的幅度较小；气冷是一种均匀缓慢的冷却方式，其内部的热量可缓慢辐射到空气中，对于强度的劣化降低较小，但增强了混凝土的脆性特征。

（2） 试样的波速变化与冷却方式有关。自然冷却时混凝土的波速最小，为2 560 m/s；高温后全浸泡冷却时混凝土波速居中，为2 570 m/s；而高温后半浸泡冷却时混凝土波速最小，为2 420 m/s。

（3） 高温后混凝土试件的泊松比变化也受冷却方式的影响。高温处理后不均匀的冷却方式使得试样变脆，承载能力降低，而混凝土试件全部放入水中急剧冷却，脆性显著增强。混凝土弹性模量的变化也受冷却方式的影响，自然冷却使弹性模量增大；全水冷对弹性阶段前期影响较小，而随着荷载增加，弹性模量劣化较严重；半水冷对混凝土的弹性模量的劣化最为显著。

（4） 不同冷却方式对高温后混凝土损伤劣化的影响程度不同，缓慢冷却（自然冷却）、急剧冷却（全水冷）和半水冷对应的损伤系数分别为0.480，0.476，0.534。

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（编辑：郑 毅）

Research on damage evolution of concrete under different cooling methods after high temperature treatment

ZHUANG Zhikai1，ZHANG Wei1，ZHANG Kun2，LU Xiaocang1，CHEN Yong1

（1.PowerChina Guiyang Engineering Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China； 2.College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

In order to explore the impact of different cooling conditions on the mechanical properties and damage evolution of concrete after high temperature treatment，the wave velocity and uniaxial strength of concrete specimens were measured by sonic instrument and a mechanical testing system.According to the results，the concrete strength deteriorated the most under half water-cooling condition compared with other cooling conditions.Meanwhile，the analysis on Poisson＇s ratio and elastic modulus of concrete specimens showed that the half water-cooling condition had the great impact on concrete bearing capacity and crisped the concrete.Under the three cooling conditions of natural cooling，full water-cooling and half water-cooling，the test wave velocities of concrete samples were 2.56，2.57 km/s and 2.42 km/s，and test damage coefficients were 0.480，0.476 and 0.534 respectively，which showed that the half water-cooling damaged the concrete most after the high temperature treatment.The conclusions can be applied to the design and maintenance of concrete structure after high temperature.

Key words： high temperature treatment；concrete damage；cooling methods；wave velocity；mechanical property

收稿日期：2022-01-26

基金項目：贵州省科技计划项目（黔科合支撑［2017］2036）；国家自然科学基金项目（52078261）

作者简介：庄志凯，男，高级工程师，研究方向为建筑结构抗火、工程抗震以及混凝土无损检测。E-mail：18985191638@qq.com