高温后混凝土耐久性能试验研究.pdf

3 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第3 6卷第2期 2 0 1 0年 4月 高温后混凝土耐久性能试验研究 姜福香 ， 于奎峰 ， 赵铁军 ， 鲁统春 ( 1 青岛理工大学土木工程学院， 山东 青岛2 6 6 0 3 3 ； 2 西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ； 3 石家庄铁道学院土木工程分院， 河北 石家庄0 5 0 0 4 3 ； 4 山东省军区后勤部， 山东 济南2 5 0 0 1 4 ) 摘要： 通过对混凝土高温后的吸水性能进行测定， 研究 了高温对混凝土耐久性能的影响。试验结果表 明， 尽管混凝土在 3 o o c z前的抗压强度衰减不明显， 甚至有强度提高的现象， 但在 1 5 0 C 3 0 &C之间， 混凝土的吸水性能变化很大， 混凝土渗 透性大幅提高。这 种影 响对试验所采用的 4种配合比混凝土 ， 具有相 同的规律 。 关键词 ： 高温 ； 耐久 性； 混凝土 ； 吸水性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 3 2 0 3 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n d u r a b i l i t y o f c o nc r e t e a fte r e x p o s u r e t o h i g h t e mp e r a t u r e J I A N G F u x i a n g ， Y U K u i f e n g ， Z H A 0 T i e j u n ， L U T o n g c h u n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ； 2 Xi a n U n i v e r s i t y of A r c h t e c t t t r e& T e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5， Ch i n a ； 3 S c h o o l o f C i vi l E n gin e e r i n g ， S h 0 i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e ， S h 0 i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3 ， C h i n a ； 4 L o g i s t i c s D e p a r t me n t ， Mi l i t a r y A r e a i n S h a n d o n g P r o v i n c e ， J i n a n 2 5 0 0 1 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n e x p e ri me n t s o f c a p i l l a r y a b s o r p t i o n a f t e r r e l a t i v e l o we r h i g h t e mp e r a t u r e t o f o u r d i f f e r e n t t y p e s o f c o n c r e t e ， t h i s p a p e r r e s e a r c h e s o n t h e e ff e c t of h i g h t e mp e r a t u r e o n d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o mp r e s s i v e s t r e n g t h d o e s n t r e d u c e o b v i o u s l y t i u t h e t e mp e r a t u r e i s u p t o 3 0 0 C， b u t i t i s i n c r e a s e d s o me t i me s Ho w e v e r ， w h e n t e mp e r a t u r e i s b e t we e n 1 5 0 2 t o 3 0 0 ， wa t e r ab s o r p t i o n w i n b e c h an g e d o b v i o u s l y t h a n b a s i c o n e s a n d c o n c r e t e p e r me ab i l i t y w i l l b e e mh a n c e d Ru l e s a r e s i mi l ar t o t h e f o u r d i ff e r e n t t y p e s o f c o n c r e t e e mp l o y e d i n t h i s p r e s e n t p a p e r Ke y wo r d s ： h i g e t e mp e r a t u r e ； d u r ab i l i t y ； c o n c ret e； c a p i l l a r y a b s o r p t i o n 0前言 火灾对建筑物的影响是显而易见的， 一旦发生 火灾 ， 建筑物的材料性能将严重恶化 ， 从而严重影响 到建筑物的承载能力 。国内外学者对混凝土经受高 温后的力学性能进行了大量的试验研究 ， 而火灾 后建筑物的修复加固也一般是基 于对强度 的评价。 实际上 ， 混凝土材料在高温下耐久性能 的降低 比力 学性能的衰减更加显著 引。这对于海底隧道等长 期处于复杂腐蚀环境 中的混凝土结构而言 ， 非常不 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 0 1 6 作者简介 ： 姜福香 ( 1 9 7 0一) ， 女 ， 山东烟 台人 ， 博士研 究生 ， 副教授 ， 主要从事桥梁结构理论和桥梁耐久性研究 。 基金项 目： 国家 自然科学重点资助项 目( 5 0 7 3 9 0 0 1 ) ； 国家 “ 9 7 3 ” 计 划 课题( 2 O 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) Ema i I ： j &w y t 1 6 3 c o rn 利。近年来 ， 火灾高温后混凝 土的耐久性 问题逐渐 得到了工程界的关注， 但关于这方面的试验资料 ， 尚 为少见。 一 般 地 ， 混 凝 土 高 温 后 的力 学 性 能 研 究 认 为 4 。 ， 温度在 3 0 0 C 4 0 0 之前 ， 混凝土的强度不 致受到过大的影响， 1 5 0 4 o 0 的范围内， 混凝土 强度还可能有不 同程度的提高 ， 4 0 0 C一8 0 0 则是 抗压强度衰减 的主要温度段。所 以， 在现有混凝土 高温后力学性能的研究 中， 所考虑的温度范围多在 3 0 0 q c以上 。其实 ， 一般火灾 中， 建筑 物受影响的范 围远 比极高温范围要大 ， 仅在起火点及临近较小范 围经历超过4 0 0 的较高温度， 而更广泛的范围则 仅达到一个相对较低的温度 引。 本文研 究相 对 较低 的高 温下 ( 1 5 0 C， 2 0 0 C， 2 5 0 C， 3 0 0 C) ， 普通混凝土和高性能混凝土的吸水 姜福香 ， 等： 高温后混凝土耐久性能试验研究 3 3 性能的变化情况 ， 从而揭示 了混凝土耐久性受较低 高温影响的规律 。 1 原材料及试 验方法 1 1 原材料及配合比 本试验所用原材料均来 自于某重要沿海混凝土 工程 。水泥为青岛产的 5 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 级粉煤灰， $ 9 5级矿粉 ， 具体的化学组分见表 1 。粗 骨料选用颗粒级配 良好 的碎石 ， 最大粒径为 2 5 m m。 细骨料为当地的河砂， 细度模数 2 6 。另外， 为了保 证混凝土的和易性， 试验中还使用了聚羧酸型高效 减水剂 。 表 1 水泥及矿物掺合料的化学成分及矿物组成 Ta b l e 1 Ch e mi c a l a n d mi n e r a l c o m p o n e n t s o f c e m e n t a n d mi ne r al ma t e r i a l 试验 中采用 了4组不 同配合 比的试件 ： 水灰 比 分别为 0 4和 O 5的空 白混凝土 ( P l ， P 2 ) ， 单掺 级粉煤灰组 ( S 2 ) ， 双掺 级粉煤灰与矿粉组 ( s 1 ) 。 试件混凝土配合 比选择 的 目标是对不 同水胶 比、 不 同材料组分混凝 土经受高温后 的耐久性 能进行对 比。具体配合 比见表 2 。 表 2 混凝土配合 比 Tabl e 2 Pr o po r t i o n s o f c on c r e t e and t he wo r kab i l i t y (k g m ) 堑量 壁些 壁互 壹 墼堕 型 塑堡 塑 S1 O 3 3 2 5 0 1 6 0 7 3 0 1 0 9 5 4 7 7 5 1 4 5 S 2 0 3 3 3 3 0 1 6 0 7 3 0 1 0 9 5 5 0 1 4 0 一 P1 O 4 3 8 0 1 5 2 5 7 9 1 2 6 9 3 一 一 P2 O 5 3 2 0 】 6 0 6 5 3】 2 6 7 1 6 一 一 1 2 试验方案 立方体抗压强度试验采用 1 0 0 m m1 0 0 m m 1 0 0 mm的立方 体试件 ， 每组 3块。吸水试验 采用 西1 0 0 2 0 0 m m试件， 成型后 2 4 h 拆模， 移入标准养 护室。为防止碳 化 ， 将 所有 试件均 置于饱 和 的 c a ( O H) ：溶液 中进行养 护。试 验龄期前 1周， 将 ( b 1 0 0 2 0 0 m m试件切成 5 0 n l m厚试块， 并继续养 护到 2 8 d 。 开始加温前 ， 将试块移入室 内， 在室温下至少气 干 2 d 。试 件 高 温 受 火 温 度 分 别 确 定 为 1 5 0 C， 2 0 0 ， 2 5 0 和 3 0 0 C。试验采用 高温 电炉加热 ， 慢 速升温， 达到要求的温度后保持恒温 6 h ， 这样可保 证试件内外温度一致。为确保充分干燥， 高温后的 试块还需放人温度为 5 O 的烘箱内， 继续烘干2 d 。 之后 ， 将混凝土试块的侧面用石蜡密封 ， 首先进 行如 图 1所示 的吸水试验 ( 试验 中水面高 出试件底 面 51 mm) 。 1 o 0mm 1 r 。 | - _ -0 j 。 _ 一 I l l _ _ | ： 蠹 0 。 。 0 _ 1 l l _ l1 _ - - j - - l_ - 一 图 1 吸水试验 示意 F i g 1 S k e t c h ma p o f c a p U l a r a bs o r p t i o n t e s t 2试验 结果及分 析 馏水 2 1 高温对 混凝土立方体抗压强度的影晌 图 2所示为 4种配合 比混凝土高温后的抗压强 度试验结果 。可见 ， 3 0 0 时， 各配 比混凝土 的立方 体抗压强度并 未下 降 ， 反而上升。特别是 S 1和 S 2 的强度上升幅度 比两种普通混凝土更大。具体分 析， 参见文献 5 。 图 2高温对混凝土抗压 强度的影晌 Fi g 2 Effe c t o f h i g h t e mp e r a t u r e o n c o mp r e s s i v e s t r e ng t h of c o nc r e t e 2 2高温对混凝土吸水性的影响 图 3为 4个系列 的混凝 土试件 ， 经受高温后吸 水试验所得到的累计 吸水量 曲线 。不难看 出， 随着 受火温度的升高 ， 各 配合 比混凝土 的吸水性都普遍 增强。当温度达到 3 0 0 时 ， 吸水 量增加至未经受 高温时的 8倍左 右。而本研 究 的强 度试 验结果显 示 ， 在所选试验温度范围内， 混凝土经高温后的强度 并没有太大的变化， 甚至有所提高， 这与众多其他文 献的研究结果一致 4 。 。可见， 混凝土在经受高温 后， 尽管强度没有下降， 但耐久性也已经受到严重的 影响。因而， 对混凝土的火灾后评价及修补， 仅以力 学性能作为技术指标是远远不够的 ， 而必须采取相 应的耐久性修复措施 。 咖啪瑚鲫 伽 枷啪。 一 口 ) ， 霞 挺 3 4 四川建筑科学研究 第 3 6卷 导 删 * 瞄 0 2 4 6 8 l O 时问平方根 ， h V 2 ( a ) s l 系列 _ _S1 0 +S1 1 5 0 十S1 2 0 0 争S1 2 5 0 * SI 3 00 +P1 0 - -_PI I 5O r P1 2 00 eP1 2 50 - P1 3 0 0 8 00 0 6 00 0 删 *4 0 0 0 鞋 蓦2 0 0 o O 鼍 豳i 恒 d 0 2 4 6 8 l 0 时问平 方根 h I 2 ( b ) s 2 系列 O 2 4 6 8 1 0 时间平方根 h I 2 ( d ) P 2 系列 +S 2 - 0 一S 2 1 5 0 +S2 2 00 令一s2 - 2 5 o -* S2 3 0 0 一P 2 0 +P2 1 S 0 +P2- 20 0 _ eP2 25 0 *一P2 3 0 0 图3 不同高温后累计吸水量随时间的变化曲线 Fi g 3 Cur v e of wa t e r a bs or pt i o n t o t i m e a f t e r di ffe r e nt h i g h t e mpe r a t ur e 一 般认为， 累计 吸水量和时间 t 的开方有着近 骨料和水泥界面可能出现微裂纹 ， 混凝土的密实性 似的线性关系： 减弱， 导致吸水系数迅速增大 ； 在 3 0 0 C的受火温度 i：A 0 t 式中 i 表示累计吸水量 ； A称为吸水系数 ， 即累计 吸水量曲线拟合后直线的斜率， 吸水性系数 A就作 为评价吸水性 的指标 。 图4所示为利用 4 h吸水结果拟合得到的吸水 系数。可以更直观地看到， 在 2 0 0 C3 0 0 阶段 ， A 值迅速增大。值得注意的是， 温度达到 2 0 0 以上 时， 累计吸水曲线 出现明显的转折点( 图 3 ) ， 转折点 的位置在 48 h之间。48 h之前 ， 曲线斜 率较 大 ， 之后曲线变得 比较平缓 。这表明， 高温后混凝土 的吸水过程基本上是在 48 h内完成 的。此时， 用 吸水性系数， 已很难全面反映高温后混凝土的耐久 性情况。 图 4毛细吸水系数 随受火温度的变化 F i g 4 Ca p il l a r a b s o r p t i o n c o e ff i c i e n t a f t e r d i ffe r e n t t e mp er at u r e 文献 6 所做 的微观分析 ， 可 以在一定程度上 解释以上试验现象 。1 0 0 条件下， 混凝土中吸附水 消失 ， 孔洞清晰可见； 同时， 钙矾石从 8 0 C即开始分 解 ， 使得混凝土的孔结构开始改变， 吸附水的能力增 强； 钙矾石至 2 0 0 分解完毕 ， 水化物 已大大减少 ， 下 ， 结晶水开始失去， 水泥的水化产物 C s H， 触 和 C H则开始脱水破坏 ， 并开始碳化 ， 导致更为明显的 裂缝 ， 混凝土吸收水分的途径进一步改变 ， 此时， 水 分可沿裂纹迅速被混凝土吸收。 3 结 论 较低高温( 3 0 0 o C以下 ) 对混凝土的力学性能不 致造成过大的影响， 甚至有使抗压强度提高的趋势。 但本文的研究结果表明， 无论对普通混凝土还是高 性能混凝土 ， 当经受 1 5 0 o C3 0 0 之间的温度后 ， 混凝土的吸水性能都有很大 的变化 ， 致使 混凝土的 耐久性明显降低。所 以， 在对火灾后混凝土结构物 进行鉴定评估时， 不但要关 注火灾 中心温度较高的 区域 ， 邻近火灾中心的较低高温范围 ， 一般也应引起 足够的重视 。 参 考 文 献： 1 陈磊 ， 李彬 ， 滕桃 居 ， 陈太林混凝 土高温力学性能分 析 J 混凝土， 2 0 0 3， 1 6 5 ( 7 ) ： 2 6 - 2 8 2 黄玉龙 ， 潘智生 ， 青亦刚 ， A n s o n M， 邢锋 火灾 高温对 P F A混 凝土强度及耐久性 的影 响 A 水泥基 复合材料 科学与技术 会议集 C 2 0 0 0 3 闫治国， 杨其新， 朱合华 长大公路隧道火灾温度场分布试验 研究 J 东南大学学报( 自 然科学版) ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 7 ) ： 8 4 - 8 8 4 孙洪梅， 王立久， 曹明莉 高铝水泥耐火混凝土高温火灾后强 度及耐久性试验研究 J 工业建筑， 2 0 0 3 5 李敏 ， 钱春香 ， 王珩 ， 游有 鲲 ， 孙伟高强混凝 土受 火后 力学性能变化 规 律的研 究 J 硅 酸盐 学报 ， 2 0 0 3 ， 3 1 (I 1 ) ： 1 1 l 6 1 1 2 0 。 6 吕天启 ， 赵国藩 ， 林志伸 ， 岳清瑞 高温后静置混凝 土的微 观分 析 J 建 筑材料学报 ， 2 0 0 3， 6 ( 2 )： 1 3 5 1 4 1 O O O 0 D 舢 栅 舢 0 一 、 蜘* 阻 斟 咖 咖 0 8 6 4 2