高溫后靜置輕骨料混凝土力學性能試驗

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摘要：研究了高溫作用溫度、靜置時間和冷卻方式對高溫后輕骨料混凝土抗壓強度的影響。結果表明，隨著溫度的升高，輕骨料混凝土的抗壓強度基本呈降低趨勢；自然冷卻試件在溫度低于900℃時，抗壓強度隨著靜置時間的延長基本趨于穩(wěn)定；900℃高溫作用后，試件的抗壓強度隨靜置時間延長明顯降低。噴水冷卻試件在溫度低于300℃時，抗壓強度隨靜置時間的延長基本保持不變；500℃和700℃作用后抗壓強度隨靜置時間延長明顯提高；900℃作用后，抗壓強度隨靜置時間延長大幅降低。靜置1d時，各溫度作用后自然冷卻試件的強度均高于噴水冷卻試件；靜置14、28d時，經(jīng)500、700℃作用后，噴水冷卻試件強度高于自然冷卻試件。

關鍵詞：高溫；輕骨料混凝土；靜置時間；冷卻方式；抗壓強度

在建筑行業(yè)高速發(fā)展的同時，火災頻發(fā)給建筑結構安全帶來嚴重威脅。混凝土暴露于火災高溫環(huán)境中，其力學性能嚴重劣化最終導致建筑物破壞，噴水滅火措施則可能引起混凝土強度進一步降低?；馂暮?，混凝土強度隨時間變化規(guī)律對災后結構損傷評估與加固修復至關重要。國內外學者普遍認為混凝土在高溫作用后靜置一段時間其力學性能會發(fā)生顯著變化。呂天啟等[1]研究認為，高溫后靜置混凝土的強度會在某一個時間出現(xiàn)最小值，這個特定的時間可以認為是合理加固時間，隨著受火溫度的升高，合理加固時間會縮短。安然等[2]的研究則認為，隨著靜置時間延長，混凝土強度不但不再降低，反而有所提高。賈福萍等[3]的研究表明，高溫后試件的殘余強度比隨靜置時間大致經(jīng)歷了降低-回升-持續(xù)3個階段，且最低強度出現(xiàn)的時間與受火溫度和冷卻方式密切相關。閻繼紅等[4]通過大量工程案例分析得出，混凝土高溫殘余強度與受火溫度、靜置時間、冷卻方式和養(yǎng)護條件相關。一般來說，強度的最低值出現(xiàn)在靜置后的第3d。此外，骨料類型也是影響混凝土高溫后殘余強度的一個不可忽略的因素。姚建國等[5]的研究表明，對于自然冷卻試件，當溫度低于400℃時，硅質骨料和鈣質骨料混凝土均在高溫作用后第14d時達到抗壓強度最小值，硅質骨料混凝土殘余強度比鈣質骨料混凝土高；當溫度高于400℃時，硅質骨料和鈣質骨料混凝土均在高溫作用后第28d時達到抗壓強度最小值，鈣質骨料混凝土殘余強度比硅質骨料混凝土高。輕質骨料混凝土往往表現(xiàn)出比普通骨料混凝土更為優(yōu)越的耐高溫性能[6]，但高溫后靜置時間對輕質骨料混凝土殘余力學性能的影響還有待進一步研究。因此，本實驗選用頁巖陶粒作為粗骨料配制輕骨料混凝土，探究作用溫度、冷卻方式和靜置時間對殘余抗壓強度的影響。

1實驗

1.1原材料

水泥：華新水泥有限公司昆明分公司生產(chǎn)的P•O42.5水泥，主要性能見表1，化學成分見表2；粗骨料：寶珠牌頁巖碎石型陶粒（見圖1），最大粒徑20mm，級配良好，主要技術性能見表3；細骨料：由機制砂和山砂按質量比1∶1混合而成的混合砂，Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.6；減水劑：四川卓科達建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率20%，固含量23%；水：自來水。

1.2配合比設計

本實驗按結構輕骨料混凝土強度等級進行配合比設計，依據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》和JGJ51—2002《輕骨料混凝土技術規(guī)程》，配制設計強度等級為LC30、坍落度為90~120mm的輕骨料混凝土。經(jīng)過多次適配，在保證拌合物不泌水、不離析且流動性良好的基礎上得到輕骨料混凝土的配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（粗骨料）∶m（細骨料）∶m（減水劑）=470∶179∶534∶802∶4.7，拌合物坍落度為90~115mm，輕骨料混凝土的28d抗壓強度為53.1MPa。在配制混凝土前，將陶粒泡入水中使其預吸水1h，這部分水不計入配合比計算。

1.3試件制備

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件。試件成型1d后拆模，然后放入溫度為（20±2）℃，相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28d后取出擦干備用。1.4試驗方法混凝土高溫試驗采用編程式箱式電爐以10℃/min的升溫速率將試件加熱到目標溫度（100、300、500、700、900℃），之后恒溫3h。隨后對試件分別進行如下2種冷卻方式處理：自然冷卻（隨爐自然冷卻至室溫）和噴水冷卻（高溫后立即取出噴水冷卻30min），分別記為A類和B類。在高溫作用后，試件分別靜置1、14、28d，之后進行抗壓強度測試。試件分別標記為A類1d、A類14d、A類28d、B類1d、B類14d和B類28d?？箟簭姸劝凑誈B/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試，加載速率為0.7MPa/s。

2試驗結果與討論

2.1溫度對輕骨料混凝土抗壓強度的影響

圖2為試件經(jīng)不同溫度作用后的抗壓強度，圖3為試件經(jīng)不同溫度作用后的相對殘余抗壓強度（fcu，T/fcu，20），即各溫度作圖3溫度對輕骨料混凝土相對殘余抗壓強度的影響用后的抗壓強度（fcu，T）與其常溫20℃時抗壓強度（fcu，20）之比。由圖2、圖3可知，隨著溫度的升高，各組混凝土的抗壓強度基本呈降低趨勢。100℃作用后，A類1d組與B類1d組的抗壓強度略有提高，分別為常溫20℃時抗壓強度的106%和102%；其它組強度相較于常溫亦無明顯變化。在100℃高溫作用下輕骨料的返水特征可能促進了水泥未水化顆粒的反應，使得混凝土的抗壓強度基本無衰減甚至略有提高[7]。之后至700℃，各組混凝土的抗壓強度隨溫度升高幾乎呈線性降低；700℃作用后，各組混凝土仍有53%~69%抗壓強度殘余。700~900℃，各組混凝土的強度急劇降低，900℃時，各組混凝土僅有4%~30%抗壓強度殘余。在整個溫升過程中，A類試件相對殘余抗壓強度普遍高于B類試件。B類試件在噴水冷卻時，伴隨有尖銳的劈啪爆裂聲，骨料剝落，試件整體逐漸坍塌。

2.2靜置時間對輕骨料混凝土抗壓強度的影響

A、B類試件高溫后抗壓強度隨靜置時間變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。以靜置時間1d時的抗壓強度（fcu，1d）為基準，各靜置時間的抗壓強度（fcu，t）與基準強度的比為相對抗壓強度（fcu，t/fcu，1d）。從圖4、圖5可以看出，常溫下混凝土試件靜置至14d時，抗壓強度隨時間的延長持續(xù)提高至1d抗壓強度的113%，之后抗壓強度基本保持不變。對于A類試件，在100℃作用后，抗壓強度隨著時間的延長而提高。300℃和500℃作用后，抗壓強度先下降后回升，14d圖5靜置時間對B類試件相對抗壓強度的影響時出現(xiàn)強度的最低值，28d時可大致提高至1d時的強度值。700℃和900℃作用后，強度隨時間的延長而降低。900℃作用下，試件強度損失最嚴重，28d時僅為1d時的22%。在較低溫度作用后，混凝土內部出現(xiàn)的微裂紋可能在輕骨料返水特性作用下隨著時間的延長逐漸愈合，強度有所提高。而在較高的溫度作用后，裂紋發(fā)展充分，加之水分喪失嚴重，所產(chǎn)生的裂紋不易愈合。因此強度隨靜置時間回升不明顯甚至急劇降低。對于B類試件，100℃作用后，強度隨靜置時間延長先提高后降低。300℃作用后，靜置14d和28d的試件強度較1d時略有提高。而在500℃和700℃作用后，抗壓強度隨靜置時間的延長明顯提高。尤其是700℃作用后，14d抗壓強度可以提高至1d的125%，28d抗壓強度甚至提高至1d的139%。900℃作用后，抗壓強度隨靜置時間的延長呈直線降低趨勢，28d時的抗壓強度僅為1d時的24%。試件在500℃和700℃作用后抗壓強度的提高可能是由于Ca（OH）2高溫分解生成的CaO在噴水條件下重新生成Ca（OH）2，而輕骨料的多孔結構可能為該反應所產(chǎn)生的膨脹應力提供了緩沖空間。

2.3冷卻方式對輕骨料混凝土抗壓強度的影響

對比圖3試件在2種冷卻方式下的相對殘余抗壓強度可知，在靜置1d時，各溫度下A類試件的抗壓強度均高于B類試件，而在靜置14d和28d后，在500℃和700℃作用后，出現(xiàn)了B類試件抗壓強度高于A類試件的情況。B類試件在噴水冷卻時，由于試件內外溫差而產(chǎn)生較大的溫度應力使得混凝土開裂，導致靜置1d時抗壓強度降低；但隨著時間的延長，高溫分解生成的CaO逐漸與水作用生成Ca（OH）2，而輕骨料的多孔結構較好地緩解了因Ca（OH）2生成而造成的膨脹應力，因此B類試件在500℃和700℃作用下抗壓強度高于A類試件。

3結論

（1）隨著溫度的升高，輕骨料混凝土的抗壓強度基本呈降低趨勢。（2）自然冷卻試件在溫度低于900℃時，抗壓強度隨著靜置時間的延長基本趨于穩(wěn)定；900℃高溫作用后，試件的抗壓強度隨靜置時間的延長降低明顯。噴水冷卻試件在溫度低于300℃時，抗壓強度隨靜置時間延長基本保持不變；500℃和700℃作用后抗壓強度隨靜置時間延長明顯提高；900℃作用后，強度隨靜置時間延長大幅降低。（3）靜置1d時，各溫度作用后自然冷卻試件的抗壓強度均高于噴水冷卻試件；靜置14d和28d時，500℃和700℃作用后，噴水冷卻試件抗壓強度高于自然冷卻試件。

參考文獻：

[1]呂天啟，趙國藩，林志伸.高溫后靜置混凝土力學性能試驗研究[J].建筑結構學報，2004，25（1）：63-70.

[2]安然，王清遠，閻慧群，等.高溫后混凝土力學性能研究[J].四川建筑，2005，25（6）：69-72.

[3]賈福萍，王永春，渠艷艷，等.冷卻方式和靜置時間對高溫后混凝土殘余強度影響[J].建筑材料學報，2011，14（3）：400-405.

[4]閻繼紅，林志伸，胡云昌.高溫作用后混凝土抗壓強度的試驗研究[J].土木工程學報，2002（5）：17-19.

[5]姚建國，袁廣林，宋永娟，等.粗骨料類型對混凝土高溫后抗壓強度的影響研究[J].混凝土，2011（2）：89-91.

[6]周梅，李少偉，竇艷偉，等.高溫后自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓性能[J].建筑材料學報，2018，21（6）：134-141.

[7]劉中煒，趙康，湯玉斐，等.輕骨料對泡沫混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2019，46（10）：19-23，38.

作者：郭榮鑫 管柏倫 馬倩敏 顏峰 王鋒憲 郭佳棟 單位：昆明理工大學