高温冷却对混凝土剪切性能的影响*

林乙玄

(福建林业职业技术学院建筑工程系,福建 南平 353000)

0 引言

随着现代工程活动的频繁增加,混凝土作为原材料在工程上的应用也越来越广泛,现代建筑物不仅为了满足居住的需求,还要满足在某些特殊条件下的安全使用,比如满足军事战略的防御要求等.混凝土中往往会含有天然的结构缺陷,这些缺陷会影响混凝土的性能,在受到不同外力或者高温情况下,这些缺陷容易引起结构自身的失稳破坏[1],在混凝土建筑物的长期使用中,极大概率的会遇到发生火灾的情况,火灾对于混凝土的性能有重大影响,高温会引起混凝土骨料及水泥基体之间发生热膨胀,严重时甚至会引起混凝土的剥落,这将极大地削减混凝土的承载能力[2-3].混凝土在高温过后的性能会发生较大改变,经过国内外学者数年来针对这一课题的研究,得出了热处理对混凝土强度影响的经典强度损失模型[4-5].为了研究火灾后混凝土建筑的安全使用情况,评价火灾后混凝土结构性能与力学特性,研究者们对经历高温后的混凝土进行了试验,探究了混凝土的力学特性[6-7].

影响混凝土剪切性能的不仅是在加热阶段,在冷却阶段时不同的冷却方式对混凝土的性能也有很大影响.然而,过去的大量研究只关注了混凝土在升温阶段中的热损伤,忽略了混凝土在降温阶段过程中结构的改变.因此对于混凝土在不同温度以及不同的冷却方式下的高温力学行为非常有必要展开研究.虽然近年来对于高温下的混凝土的力学行为和物理、化学方面的改变有较多研究,对于不同的冷却方式也有较多研究.然而,关于高温后不同冷却方式下混凝土的剪切力学行为研究较少,关于混凝土在不同温度和冷却方式下的声发射规律的报道也较少.高温处理后对于混凝土的剪切性能有何重要影响,微观结构如何变化?这对于火灾后建筑物和隧道的安全使用具有重要意义.

早期研究者们就发现混凝土的性能与混凝土前期的配合比、养护条件、压实度、水灰比以及水泥类型等因素密切相关[8-9].混凝土后期的性能受到温度、环境湿度、腐蚀以及冻融等众多因素的影响,这些影响不仅会改变混凝土的外观颜色,更重要的是改变了混凝土内部的结构以及化学成分[10-11].这些研究对于后人研究的开展具有重要意义,但在解释温度对于混凝土力学性能的提高或者降低是不全面的,混凝土力学性能的改变往往是多种因素共同作用的结果.因此,研究高温处理后对于混凝土的剪切性能变化的影响,对火灾后建筑物和隧道的安全使用具有重要意义.

1 试验方法

1.1 试样准备

试验使用混凝土试件为22块,其中常温组2块,高温温度梯度为100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃以及500 ℃,每个温度梯度的试件为4块(水冷2块、气冷2块).经过温度处理的试件用阿拉伯数字+英文字母命名,前者表示试件的温度,后者表示冷却方法,例如200 ℃水冷却试件用200-W表示.混凝土试样水灰比为0.4,水为自来水,水泥为IP42.5硅酸盐水泥,砂为机制砂,三者配合比为水∶水泥∶砂=0.4∶1∶2,混凝土利用模具浇筑一天后对其进行脱模,之后放入养护箱中进行相对湿度为95%的养护,养护时间28 d,试件尺寸为70 mm×70 mm×70 mm的方形试件,试验前对试件端面进行磨平,使其平整度满足试验要求.

1.2 升温过程曲线

利用马菲炉对混凝土试件进行升温试验,将养护完成的混凝土试件利用真空饱水机进行完全饱水后,采用核磁共振仪对试件进行T2谱测定,之后将测试完成的试件放置烘干箱内进行烘干,烘干至混凝土试件质量不再发生变化为止.试件的温度分别设置为100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃,马菲炉升温速度为每分钟6 ℃,试件升温至目标温度后保持该温度2 h.之后对试件进行冷却处理,冷却方式分为空气冷却和遇水冷却,空气冷却为将马菲炉中加热到目标温度的混凝土试件放置在炉内自然冷却,遇水冷却为将马菲炉中的混凝土试件加热到目标温度2 h后直接取出,放入事先准备好的水中迅速降温至室温.

1.3 直接剪切试验过程

试验采用DSZ-1 000应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪对试样进行直剪试验,该试验系统所能施加的最大水平荷载为500 kN.加载装置及加载模型如图1所示,试件放入剪切盒中,上下剪切盒水平,上剪切盒可前后水平移动,下剪切盒固定,通过压头推动上剪切盒向后移动进行直剪试验,试验利用位移对试件进行剪切加载,试验剪切速度为0.02 mm/min,加载之前,先将法向压力加载至1 MPa再进行剪切方向的加载,并在剪切盒四周贴上声发射探头对试验过程中的破坏进行实时监控.

(a)剪切加载装置

(b)模型示意图

2 结果和分析

2.1 不同冷却方式下混凝土的应力-应变曲线特征

空气冷却方式下混凝土试样的剪应力-位移曲线见图2.由图2中曲线可以得出,常温组混凝土试样在剪切过程中随着位移的增大剪应力也在不断上升,呈线性变化,剪应力到达峰值后突然下降至2 MPa附近,随着位移的继续增加剪应力保持该数值不变.100-A、200-A、300-A组混凝土试样曲线和常温组试样曲线相似,都是剪应力到达峰值后突然下跌并保持在一定数值附近.400-A和500-A组混凝土试样剪应力在达到峰值后并未突然降低,而是缓慢下降,表现出较强的塑性特征.在空气冷却条件下,随着温度的升高,混凝土的剪切强度先增大后减小,在300 ℃时达到峰值,比常温时升高了36.7%,而当温度达到400 ℃时,混凝土剪切强度下降明显,尤其是温度达到500 ℃时,峰值剪应力仅为常温下的38%,基本失去了抗剪能力.随着温度的升高混凝土表现出的脆性特征先增强后减弱,300-A组混凝土破坏形式表现为突然的脆性破坏,而在400 ℃和500 ℃混凝土则表现出明显的塑性特征.

图2 空气冷却下的混凝土剪应力应变曲线

空气冷却方式下混凝土试样的剪应力-位移曲线见图3.由图3中曲线可以看出,经历水冷却后的混凝土试样抗剪强度均有所下降,100-W、200-W、300-W组混凝土试样脆性特征较空气冷却下的混凝土试样有所减弱,400-W和500-W组混凝土试样抗剪强度降低幅度较大,并且破坏后的曲线较为复杂.在遇水冷却条件下,随着温度的升高,混凝土的剪切强度单调递减,尤其是500 ℃水冷却时,混凝土的抗剪强度仅为常温组的25%,在相同的温度下表现出了比空气冷却更强的塑性特征,峰值剪应力也有所降低,说明水冷却比气冷却对混凝土的损伤大.

图3 遇水冷却下的混凝土剪应力-应变曲线

2.2 力学参数变化特征

对混凝土试件的峰值剪应力进行分析,研究了不同温度下混凝土试件的峰值剪应力,其变化规律如图4所示,并对散点图进行拟合得出一定规律.

图4 峰值剪应力随温度的变化

图4为不同冷却方式下混凝土峰值剪应力随温度的变化,其峰值强度有明显区别.在300 ℃之前气冷试件的峰值剪应力单调增加,当温度超过300 ℃后单调递减,说明一定范围内的高温对混凝土的抗剪强度有提升作用.遇水冷却下试件的峰值剪应力随温度的升高单调递减.峰值剪应力与温度的线性拟合表明,两者之间存在一定的准则.具体而言,不同冷却处理的砂浆试件准则可表示为:

风冷条件下:

σmax=(-8.75e-5)t2+0.037t2+6

(1)

式(1)中,e代表的是自然常数.

水冷条件下:

σmax=-0.011 16t+8.2

(2)

图5 剪切应力差随温度的变化

从图5中能够得出,同样的处理温度下,不同的冷却方式对混凝土峰值剪应力有很大影响,当温度达到300 ℃时两者的剪切应力差最大,随着温度的继续升高两者的剪切应力差逐渐减小.由此看出,在加热温度为0～300 ℃时,水冷却对混凝土试件的损伤大于气冷却,且这种损伤差会随着温度的升高而不断增大,而当温度上升到一定值后,二者对混凝土损伤的区别会逐渐降低.

混凝土经历了高温作用后,水泥基体和骨料接触界面的黏结性能得到提高,水泥对骨料的包裹性得到加强,试件的整体性得到提升.在加载初期,随着剪应力的增加,声发射(Acoustic Emission,简称AE)事件率发生较低,峰前稳定增长阶段比常温组的试件更加平缓,此阶段由于水泥基体和骨料的黏结性得到加强,水泥基体和骨料共同承受了剪应力,骨料相较于常温组分担了更多的剪应力,使水泥基体破坏的过程延后,造成了峰前稳定增长阶段的AE事件率发生较低.在剪应力达到最大值后,此时峰值剪应力发生突降,产生了一次较大的AE事件率,累计AE事件进入峰后快速增长阶段,对应的是剪切面水泥基体产生裂缝,之后剪应力继续缓慢下降,此阶段对应的是水泥基体裂缝逐渐与骨料贯通,此时剪应力发生突降,剪切面上水泥基体和骨料接触界面发生了破坏开裂,接触界面裂缝与水泥基体的裂缝连接贯通,试件剪切成两块.

图6为不同温度下空气冷却混凝土试件的累计AE事件图,通过对比五组数据发现,经历高温后的混凝土试件在剪切过程中,表现出不同特点.常温组试件的累计AE事件在峰前稳定增长阶段增长较快,经过高温处理后的试件的累计AE事件在峰前稳定增长阶段增长较慢,尤其是200-A和300-A两组试件,在峰前稳定增长阶段几乎没有AE事件率的发生,分析原因是由于水泥基体和骨料之间的黏结性能得到较大提高,混凝土试件的整体性增强,在剪切过程中水泥基体和骨料共同承担剪应力,使水泥基体的破坏延后.而400-A和500-A两组试件在峰前稳定增长阶段增长速率相较于前三组高温气冷试件略有提升,仍小于常温组试件,说明经历了过高的温度后试件内部产生了较多的小孔隙和微裂隙,严重影响了混凝土的力学性能.

图6 空气冷却下不同温度试件的累计AE事件

3 结论

1)不同温度和冷却方式对混凝土的影响不尽相同:气冷条件下,随着温度的升高,混凝土抗剪强度呈现先增后降的趋势,在初始加热温度达到300 ℃时,混凝土抗剪强度达到最高,而后随着温度的继续升高抗剪强度快速下降.水冷条件下,混凝土试件的抗剪强度随着温度的升高单调降低.同样温度条件下水冷对混凝土试件的损伤大于气冷.

2)在一定范围内温度升高时,水冷却对混凝土的损伤比气冷却更加明显,而当温度上升到一定值后,二者对混凝土损伤的区别会逐渐降低.

3)经历高温后的混凝土试件在剪切过程中,表现出不同特点,常温组试件的累计AE事件在峰前稳定增长阶段增长较快,经过高温处理后试件的累计AE事件在峰前稳定增长阶段增长较慢,在峰后快速增长阶段增长速度较快.