李國(guó)寧

(中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 靜安區(qū) 200000)

時(shí)代的快速發(fā)展對(duì)建筑工程項(xiàng)目質(zhì)量與水平提出了更高的要求，混凝土作為最廣泛使用的建筑材料，其力學(xué)性能指標(biāo)的合理性、科學(xué)性直接關(guān)系到建筑物的質(zhì)量，所以有必要對(duì)不同溫度下水灰比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行探究，從而制定出更加科學(xué)的混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方案。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用到的設(shè)備為配有材料高溫抗壓試驗(yàn)爐的200t試驗(yàn)壓力機(jī)，其中，材料高溫抗壓試驗(yàn)爐在試驗(yàn)時(shí)的溫度由智能溫控儀表進(jìn)行控制，并依據(jù)普通混凝土力學(xué)性能測(cè)試規(guī)范方法與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。相關(guān)研究表明，0～400℃是混凝土抗壓強(qiáng)度以及其他力學(xué)性能指標(biāo)出現(xiàn)反復(fù)的主要區(qū)間，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠分析出各溫度階段混凝土的變形特性。因此，試驗(yàn)主要是對(duì)直徑相同的21個(gè)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)的溫度包括常溫與高溫兩種環(huán)境，然后對(duì)比不同溫度下、不同水灰比的試件，繪制出相應(yīng)的力學(xué)性能變化曲線，明確溫度以及水灰比對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變的影響規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)出水灰比對(duì)高溫下混凝土力學(xué)性能的影響。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 試驗(yàn)原料與相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)使用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，直徑為5～10mm的骨料碎石，按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此保證制備的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件具有較為良好的保水性與力學(xué)性能。

試驗(yàn)時(shí)水灰比的設(shè)計(jì)參數(shù)包括0.40、0.47、0.58，設(shè)計(jì)的溫度包括常溫、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃。試驗(yàn)用水泥性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示[1]。

表1 混凝土配合比與力學(xué)指標(biāo)

1.2.2 水灰比設(shè)計(jì)原理

由于不同水灰比制備出的混凝土特點(diǎn)存在一定差異，為保證試驗(yàn)效果，激發(fā)為混凝土配合比設(shè)計(jì)的主要方法，進(jìn)而確定出合適的水灰比。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對(duì)水泥漿體積量進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制水灰比的目的，以此得到制備混凝土最佳的配合比。通過(guò)一系列試驗(yàn)確定溫度在常溫、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃情況下，0.40、0.47、0.58水灰比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變的影響規(guī)律，進(jìn)而確定出最佳的水灰比與溫度。

1.2.3 試件的養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)過(guò)程中選用二次加料的方法，通過(guò)第一步加料計(jì)算出配制混凝土各原料的用量，通過(guò)第二步加料確定混凝土配合比中骨料、水的用量，當(dāng)骨料、1/2水以及其他材料混勻一段時(shí)間之后，將剩余的水加入其中，混勻一分鐘之后停頓，以此充分發(fā)揮出水養(yǎng)護(hù)法的功能與作用。在混凝土試件成型一天之后，進(jìn)行拆模，然后按照要求在一定條件之下養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間之后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的力學(xué)性能測(cè)試。

1.2.4 力學(xué)性能測(cè)試

參照普通混凝土力學(xué)性能測(cè)試規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與方法，對(duì)21個(gè)直徑相同的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體混凝土試件進(jìn)行預(yù)壓，使用0.4倍極限承載力進(jìn)行預(yù)加載，以此消除各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件頂部的不平、孔隙以及其他因素，以此降低不確定因素對(duì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果的影響。完成預(yù)加載之后進(jìn)行卸載，然后保持0.5MPa的初始?jí)毫?，同時(shí)運(yùn)用自動(dòng)控溫的材料高溫抗壓試驗(yàn)爐對(duì)試件進(jìn)行加熱，主要是以5～10℃/min的速度進(jìn)行升溫，當(dāng)升至預(yù)定溫度時(shí)，恒溫三小時(shí)，并在此溫度進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，運(yùn)用位移傳感器來(lái)明確標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的變形程度，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在升溫過(guò)程中，試件會(huì)不斷冒出水蒸氣，打開(kāi)試驗(yàn)爐待試件冷卻至室溫，對(duì)混凝土試件顏色以及破壞形態(tài)進(jìn)行觀察[2]。常溫下，試件大多在骨料以及砂漿界面發(fā)生破裂；低中溫區(qū)段，試件的破裂縫隙上會(huì)有豎向裂縫，破裂面與加載方向呈60°～70°傾斜角。100～300℃下，混凝土表面微微泛白；400℃下，出現(xiàn)淡淡的暗紅色；600～800℃，表面出現(xiàn)十分明顯的暗紅色，并且破裂面的傾斜角逐漸增大，并伴有少量的混凝土剝落；更高溫度之后，混凝土剝落部分呈現(xiàn)粉狀。對(duì)加熱升溫速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，隨著溫度的升高，各個(gè)試件均會(huì)伴有爆裂現(xiàn)象。

2.2 試驗(yàn)工藝圖

對(duì)不同溫度區(qū)段，不同水灰比的混凝土力學(xué)性能變化情況繪制成相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，100～200℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，試件彈性模量、抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較為明顯的衰減現(xiàn)象，直到300℃之后才又出現(xiàn)提高的趨勢(shì)，到達(dá)400℃時(shí)，混凝土試件彈性模量、抗壓強(qiáng)度的恢復(fù)結(jié)束，600～800℃之間，又會(huì)出現(xiàn)較為明顯的降低趨勢(shì)，隨著溫度的進(jìn)一步升高，基本保持扁平的變化趨勢(shì)。不同溫度區(qū)段下C40、C50混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 C40、C50混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗壓強(qiáng)度與彈性模量損傷系數(shù)

根據(jù)軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，先分析溫度、水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度損傷系數(shù)的影響規(guī)律：常溫到200℃區(qū)段，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著溫度升高、水灰比的增加而逐漸降低，200℃之后逐漸提高，在300～400℃之間又逐漸恢復(fù)，部分試件出現(xiàn)系數(shù)值大于1的情況，600～800℃之間，抗壓強(qiáng)度損傷系數(shù)又大幅度降低，并且200～300℃之間水灰比對(duì)對(duì)抗壓強(qiáng)度損傷系數(shù)的影響較為復(fù)雜；分析溫度、水灰比對(duì)彈性模量損傷系數(shù)的影響規(guī)律：200℃時(shí)，彈性模量會(huì)隨著溫度的升高逐漸降至最小值，在300～400℃之間又逐漸恢復(fù)，600～800℃之間，彈性模量損傷系數(shù)又不斷降低，100～200℃，彈性模量損傷系數(shù)隨著水灰比的增加而逐漸降低，200～400℃呈現(xiàn)明顯恢復(fù)的趨勢(shì)，測(cè)量到的數(shù)據(jù)較為分散。

3.2 峰值應(yīng)變規(guī)律

分別分析常溫以及中低溫區(qū)段、高溫區(qū)段不同水灰比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件峰值應(yīng)變的影響規(guī)律，除去少量離散數(shù)據(jù)，在溫度逐漸增加的情況下，各個(gè)試件的峰值應(yīng)變會(huì)隨著溫度的升高而不斷增大。值得注意的是，400℃以下，峰值應(yīng)變-關(guān)系變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，當(dāng)溫度大于400℃之后，上升現(xiàn)象較為明顯，并且在200～300℃之間會(huì)出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，當(dāng)溫度到達(dá)800℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件就會(huì)出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。但是在低溫區(qū)段中，水灰比對(duì)混凝土峰值應(yīng)變的影響并不顯著，當(dāng)溫度超過(guò)200℃之后，就會(huì)明顯增大，在400～600℃之間，峰值應(yīng)變又會(huì)隨著溫度的升高而逐漸減小，在300℃時(shí)的變化趨勢(shì)最不明顯。

圖2 水灰比對(duì)峰值應(yīng)變-溫度關(guān)系的影響

4 低中溫區(qū)(100～400℃)的混凝土力學(xué)性能

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)研究進(jìn)行低中溫區(qū)(100～400℃)的混凝土力學(xué)性能分析，大多數(shù)混凝土試件均呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，100～300℃之間出現(xiàn)低溫段靜力強(qiáng)度衰減現(xiàn)象，300℃～400℃之間又有所恢復(fù)[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中C40、C50兩組試件的抗壓強(qiáng)度損傷系數(shù)分別在300℃、200℃處出現(xiàn)最小值；所有試件的彈性模量損傷系數(shù)均在200℃處出現(xiàn)最小值；所有試件的損傷系數(shù)值在高溫下均會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：高溫下的不同水灰比的混凝土都會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)變化與物力變化，使得成分、微觀結(jié)構(gòu)隨著溫度的變化而呈現(xiàn)不同功能的變化形態(tài)，特別是水灰比越大，水泥含量多的混凝土試件在100℃時(shí)的水化作用更強(qiáng)，在200℃時(shí)水化作用產(chǎn)生的水分又會(huì)完全蒸發(fā)掉，并且未水化與水化的顆粒之間會(huì)存在不同的膨脹系數(shù)。結(jié)合高溫下不同水灰比宏觀力學(xué)性能的觀察，中低溫區(qū)段混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)確實(shí)出現(xiàn)衰減、恢復(fù)的現(xiàn)象，這與掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果相同。經(jīng)過(guò)對(duì)比，300℃、400℃之間的混凝土結(jié)構(gòu)比200℃時(shí)更加致密，特別是400℃下的混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出裂縫更少的微觀結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

綜上所述，100～400℃范圍內(nèi)制備的混凝土，其抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨著水灰比增加出現(xiàn)先衰后減的現(xiàn)象，當(dāng)溫度超過(guò)600℃后會(huì)大幅度下降。通過(guò)掃描電鏡觀察，300℃、400℃之間的混凝土結(jié)構(gòu)比200℃時(shí)的更加致密，與試驗(yàn)工藝圖變化趨勢(shì)大體一致，證明300～400℃是制備不同水灰比混凝土的最佳溫度范圍，對(duì)提升混凝土結(jié)構(gòu)抗火水平具有重要意義。