冷却方式和静置时间对高温后混凝土残余强度影响.pdf

第 l 4 卷第 3期 2 0 1 1年 6月 建筑材料学报 J OURNAI OF B UI I DI NG MATERI AI S J u n No 3 ，2 Ol l 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 4 0 0 0 6 冷却方式和静置时间对 古 日 同皿 后混凝土残余强度影响 贾福 萍 ， 王永春 ， 渠艳艳。 ， 程 勇。 ， 曹 l、 予 ( 1 中国矿业 大学 江苏 省 土木工程 环境 灾变 与结 构可靠 性重 点实 验室 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 中国矿业 大学 力 学 与建筑 工程 学院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ) 摘要 ： 在标准养护 2 8 d的 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mi l l 普 通混凝土立方体试块 经历 2 5 0 ， 4 5 0 ， 6 5 0 高温后 ， 分 别采 用 自然冷却 和喷 淋冷 却 方式 ， 对 静 置 不 同时 间( 1 ， 3 ， 7 ， 1 4 ， 2 8 ， 5 6 d ) 的上 述 试 块进 行 了抗压 强度 测试 ， 以研 究静 置 时 间、 冷却 方 式 对 受 高 温( 火 灾) 影 响 混凝 土 残 余抗 压 强度 的 影 响 结 果表 明 ： 自然冷 却条件 下 ， 经历 2 5 0 ， 4 5 0 高温后 的试 块在 静置 1 4 d后 达到 了最低 残余 抗 压 强度 ， 经 历 6 5 0 高温 后 的 试 块 在 静 置 2 8 d后 的残 余抗 压 强 度 最 低 ； 喷 淋 冷 却 条 件 下 ， 经 历 2 5 0 o c高 温后 的试 块在 静置 7 d后 达到 了最低 残余抗 压 强度 ， 经历 4 5 0 ， 6 5 0 高温后 的试块 在静 置 1 4 d后 的残余 抗压 强度 最低 在 此 基 础上 提 出 了高温后 混凝 土 结 构 物适 宜修 复 时 间 的建 议 ， 同 时 借 助 X射 线衍 射 分析 、 扫 描 电子显 微 镜 分析技 术研 究 了混凝 土 高温前 后 水化 产 物 、 显微 结构 的 变 化 ， 揭 示 了高温对 混凝 土性 能影响 的机理 关键 词 ：高温 ；冷却 方式 ； 静 置 时间 ；残余 强度 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 3 0 2 2 I nf l u e n c e s o f Va r i o u s Co o l i n g M e t h o d s a nd S t a n d i n g Ti me o n Re s i du a l S t r e ng t h o f Co nc r e t e a f t e r El e v a t e d Te mp e r a t u r e Ex po s u r e JI A Fu p i n g r 。 ， WANG Y o n g c t z u n 。 ， Qu Y a n y a n 。 ， CHENG Y o n g。 ，C AO Bu yu ( 1 J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y f o r En v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n Ci v i l En g i n e e r i n gCh i n a Un i v e r s i t y o f M i ni ng a nd Te c hn o l o gy，Xu z h ou 221 0 0 8，Chi na；2 Sc ho ol o f M e c ha ni c s a nd Ci v i l En gi ne e r i ng，Chi na Uni ve r s i t y of M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The e xp e r i m e n t r e s ul t s o f t he i n f l u e nc e s o f v a r i ou s c o ol i ng me t h o ds a nd s t a nd i ng t i me o n t he r e s i d ua l s t r e ng t h o f c o nc r e t e a f t e r e l e v a t e d t e mpe r a t ur e e xp os u r e we r e p r e s e nt e d1 0 0 mn -i 1 0 0 mm 1 0 0 m m c ube s c ur e d i n a s t a nd a r d c u r i ng l a bo r a t o r y f o r 28 d we r e he a t e d t o 2 5 0， 4 5 0，6 5 0 r e s p e c t i v e l y Af t e r c o o l e d b y t WO k i n d s o f c o o l i n g me t h o d s( n a t u r a l c o o l i n g me t h o d a n d s p r a y i n g wa t e r c o o l i n g me t h o d ) ， t h e r e s i d ua l c omp r e s s i v e s t r e ng t h of c o nc r e t e wa s me a s ur e d a f t e r d i f f e r e n t s t a nd i n g t i m e： 1， 3， 7， l 4， 2 8， 5 6 d Th e r e s u l t s ob t a i n e d s ho w t ha t t h e r e s i du a l c o m p r e s s i v e s t r e n gt h o f c o nc r e t e c o ol e d b y t wo ki n ds o f c o ol i ng m e t ho d s a pp e a r s t o b e l owe r e d wi t h t h e e l e v at e d t e mp e r a t u r e e x po s u r e The mi n i m u m r e s i d ua l s t r e ng t h c o o l e d by na t u r a l c o ol i ng me t hod r e s p e c t i v e l y i s r e a c he d a t 1 4 d a f t e r e x p os ur e i n 2 5 0，45 0 ， wh e r e a s i s r e a c h e d a t 2 8 d a f t e r e x p o s u r e i n 6 5 0 Ho we v e r t h e mi n i mu m r e s i d u a l s t r e n g t h a f t e r t h e s p r a y i n g wa t e r c o o l i n g me t h o d i s r e a c h e d a t 7 d a f t e r e x p o s u r e i n 2 5 0 a n d i s r e a c h e d a t 1 4 d a f t e r e x p o s u r e i n 4 5 0 6 5 0 Fu r t h e r mo r e t h e s u g g e s t i o n o f t h e b e s t t i me t o r e p a i r c o n c r e t e s t r u c t u r e a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e 收稿 日期 ： 2 0 1 O - 0 2 2 2 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 0 2 基金项 目： 中国矿业大学青年科 研基金 资助项 目( 0 9 0 1 8 8 ) ； 国家大学生创新实验计 划项 目( 0 9 1 0 2 9 0 0 6 ) 1 t 1 矿业 大学大学生实 践创新 l 练计 划项 目( 0 9 0 2 0 7 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目( 2 0 l 1 QNB 2 0 ) ： 第一作者 ： 贾福萍( 1 9 7 3 ) ， 女 ， 山西朔州人 ， 中国矿 业大学 副教授 ， 硕士生 导师 主要从 事特殊 环境 下混凝 土结 构及材 料性 能研 究 E ma i l ： k d f x l o v e 1 2 6 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 贾福萍 ， 等 ： 冷 却方 式和静置时问对高 温后混凝 土残 余强度影响 4 0 1 e x p os u r e i s de s c r i be d The h yd r a t i o n pr o du c t s a nd mi c r o s t r u c t u r e we r e i nv e s t i g a t e d by X r a y d i f f r a c t i on ( XRD)a n d s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ( S EM )b e f o r e a n d a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e e x p o s u r e a n d t h e i n f l u e nc e m e c h a ni s m o f e l e v a t e d t e mpe r a t ur e on r e s i du a l s t r e n gt h i s t h e o r e t i c a l l y d i s c us s e d Ke y wo r d s：e l e v a t e d t e mp e r a t ur e；c o o l i ng me t h od；s t a nd i ng t i m e；r e s i du a l s t r e n gt h 通常建筑物结构 或构件受温度 的影响较小 但 是 ， 随 着人 类 日常生 活设 备 的增加 ， 建 筑物 发 生火 灾 的概率提高幅度很大 在实际火灾事故调查 中， 经常 发现受火建筑物要在火灾后经过一段时间才发生倒 塌 ， 从而导致更大 的人员和经济损失_ 1 于是 ， 正确 测定混凝土火灾后的性能和确定最佳修复时期 已成 为评定 结构 或构 件 是 否 安 全 的 关 键 环 节 ， 对 判 定 结 构的安全性和制定加 固方案有重大影响。 2 0 0 5年 E u r o c o d e _ 2 对 混 凝 土 导 热 性 能 进 行 了 研 究 ， 得 出了硅 质 、 钙 质 、 轻 骨 料 混凝 土 的导 热 系 数 随温度变化的规律 文献 1 ， 3 5 考虑了冷却方式及 冷却后所处环境等因素对高温后混凝土抗压强度的 影响， 认为喷水冷却后混凝土抗压强度 比自然冷却 后混 凝 土抗压 强 度 低 ， 且 冷 却 后 放 在 潮 湿 环境 中 的 混凝 土抗 压 强度要 低 于放 在 自然 环 境 中的混 凝 土抗 压强度 文献E 6 研究了不同升温速率下的混凝土强 度差异 ， 发现升温速率快的要比慢的强度降低更多 C i o n i 等 7 通过对火灾高温后混凝土材料所 留下 的 痕迹进行观察和分析 ， 确定 了混凝土在火灾 高温下 所经历的温度场及应力场历 程， 从而为结构安全评 定及结构修复提供 了参考 当前评估结构在火灾后损伤程度的主要依据是 混凝土残余强度 8 文献 1 2 研究 了早 龄期普通 混凝土残余强度 的变化 ， 得出 了不同温度下 的声速 与强度曲线 借 助于微观测试技术开展高 温后水泥 基材料性能的研究正成为新型技术手段I 1 引， 将高温 后不同类型混凝土的耐久性进行对比也是学者们的 研 究 内容 之一 l_ 】 综合国内外相关研究现状， 主要集中于混凝土 强度等级、 含水率 、 升温速率、 最高温度和温度持续 时间对混凝土残余强度影响 的研究 ， 而对高温后在 静置时间和冷却方式交互影响下的混凝土强度退化 规 律研 究较 少_ 1 引， 同 时也 缺少 对 混 凝 土火 灾 后 的 安 全评定及结构修复方案的研究 本文研究标准养护 2 8 d的 普通混凝土经历 高 温后 的残余抗压强度 ， 考虑温度 、 冷却方式和静置时 间对混凝土力学性能的影响 ， 通过分析残余抗压强 度的变化规律来确定混凝土经历高温后的适宜修复 时间， 为科学诊断混凝土结构失火后的强度损伤程 度、 承载力评定以及火灾后结构最佳加 固时间的确 定提供依据 1 原 材料及 试验方法 1 1 原材 料 与试块 制作 水 泥 ： 淮海 水泥 厂生 产 的 3 2 5级普 通硅 酸 盐水 泥 ； 粗 骨料 ： 最 大粒 径 为 1 6 mm 的碎 石 ； 细 骨 料 ： 河 砂 ( 中砂 ) ， 细度模 数 为 2 3 ； 水 ： 自来 水 混 凝 土坍 落 度为 1 1 0 mm， 配合比为 m( 水泥) ： m( 水) ： m( 砂) ： ( 石 ) 一1 O 0： 0 4 9 ： 1 3 0 ： 2 3 O ， 经 标 准 试 验 方 法 测 试 ， 其 2 8 d立方体抗压强度为 3 2 5 MP a 混凝土试 块 尺寸 为 1 0 0 mm 1 0 0 mm 1 0 0 mm， 共 浇 注 1 1 1 组 ， 每一工况平行试验 3组 ， 每组 3块 X射线衍射 分析 ( X RD) 所 用 的 试 块 采 用 与 混凝 土 同 水 灰 比水 泥净 浆 浇注 1 2加热 系统 及方 法 本次 试 验采 用 中国矿 业大 学 自主研 发 的 GWD O 5型不 加 载梁 节 能 实 验 电 炉 ， 其 功 率 为 3 0 k W ， 最 高温度可达 1 1 0 0， 内部净空间尺寸为 2 0 0 0 mm 6 0 0 mm4 0 0 mm， 温 度 由 配套 使 用 的 温 度 控 制 柜 进行控制 混凝土试块加热方法参考 GB T 9 9 7 8 1 9 9 9 建筑构件 耐火试验方法 ， 并根据本试验实际 情况采 用线 性升 温方式 ， 设 定加 热速率 为 l 0 rai n 试块在标准条件下养护 ， 在达到 2 8 d的前 1晚 取出， 在 自然环境下放置 1夜使其表面干燥后置于 炉内进 行 高 温 试 验 考 虑 前 期 已取 得 的研 究 结 果 L 3 引， 试 块 的受火 温 度 仅考 虑 2 5 0 ， 4 5 0 ， 6 5 0 o C 由 于试块尺寸较小 ， 达到预定温度后恒温 9 0 mi n即可 使试块 内外温度一致 ， 因此 本试验 中一律采用恒温 9 0 mi n后打开炉盖 ， 迅速从炉内取 出试块并采 用 自 然冷却( z L ) 和喷淋冷却 ( P L) ( 喷淋 4 5 mi n ) 两种方 式进行冷却 冷却后的试块静置于 自然环境 中， 静置 时 间分 别为 1 ， 3 ， 7 ， 1 4 ， 2 8 ， 5 6 d 1 3加载 制度 与数 据处 理 试块 达 到预 定静 置 时间后 ， 按 照 GB T 5 O 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标 准 ， 在万能 试验机上进行加载试验 ( 加载速率为 0 5 MP a s ) 并 进行数据处理 1 4 微观测试技术 将 X R D试块养护到测试龄期并进行相应的高 温处 理 后 ， 利用 日本 理 学 ( Ri g a k u ) 公 司 D Ma x 一 3 B 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 贾福萍 ， 等 ： 冷却方式和静置 时间对 高温后 混凝土残余强度影响 4 0 5 5 6 7 8 9 I O 3 1 1 J o ur na l o f Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 3， 6( 2) ： 1 3 5 1 4 1 ( i n Ch i n e s e ) 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土的高温性能及 其计算 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ： 3 - 7 GUO Zh e n h a l ， S H I Xu d o n g Ca l c u l a t i o n a n d h i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r ma n c e s o f RC c o n c r e t e M B e i j i n g ： T s i n g h u a Un i v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 0 3： 3 7 ( i n Ch i n e s e ) 郭金纯 ， 余 江韬 ， 陆洲导 不同温一 时影 响下混凝土劈拉强 度的 试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 9 ) ： 7 4 8 1 GUO J i n c h u n， YU J i a n g t a o， L U Zh o u d a o Ex p e r i me nt a l r e s e a r c h o n t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a t d i f f e e n t t e mp e r a t u r e s a n d t i me J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t io n ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 9 )： 7 4 81 ( i n Ch i ne s e ) CI ONI PCRoCE PAs s e s s i n g f i r e d a ma g e t o RC e l e me n t s J J o u r n a l o f F i r e S a f e t y ， 2 0 0 1 ， 3 6 ( 2 ) ： 1 8 1 1 9 9 李卫 ， 过镇 海 高温下混 凝土的强度 和变形性 能试 验研究 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 1 ) ： 8 - 1 6 L1 W e i 。 GU O Z he n - h a i Ex p e r im e n t a l i n v e s t ig a t i o n o f s t r e n g t h a n d d e f o r ma t i o n o f c o n c r e t e a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e J J o u r h a l o f B ui l d i n g S t r u c t ur e s ， 1 9 93 ， 1 4( 1 ) ： 8 - 1 6 ( i n Ch i n e s e ) Co m mi s s i o n o f t h e Eu r o p e a n Co m mu n i t i e s BS EN 1 9 92 1 1， Eu r o c o d e 2， De s i g n o f c o nc r e t e s t r u c t u r e ， Pa r t 卜 2： Ge n e r a l r u l e s -Ru l e s f o r b u i l d i n g s S 董毓利 ， 许卓 军 火灾后 混凝 土结构 的评估 与维修 J 安 全与 环境学 报， 2 0 0 2 ， 2 ( 4 ) ： 3 4 3 7 D0NG Yu l i ， XU Z h u o - j u n P o s t f i r e a s s e s s me n t a n d r e p a i r o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s J J o u r n a l o f S a f e t y a n d E n v i r o n me n t ， 2 00 2 ， 2 ( 4)： 34 - 3 7 ( i n Ch i ne s e ) 吴 波， 宿晓萍， 李 慧， 等 高温后 约束高强混凝土力学性能 的试 验研究 J 土木工程 学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 6 3 2 1 2 1 3 1 4 1 5 W U Bo。 S U Xi a o p i n g， L1 Hui ，e t a 1 Ex p e r i me nt a l s t u d y o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n f i n e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e J C h i n a C i v i l E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 2 )： 2 6 3 2 ( i n Ch i ne s e ) 渠艳艳 ， 贾福萍 ， 王永春， 等 早 龄期泵送混凝 土高温后静置 延 迟强度退化研究 c 第七 届全 国土 木工程研 究生学 术论 坛 论文集 南京 ： 东南大学出版社 ， 2 0 0 9 ： 1 1 QU Ya n y a n， J I A Fu p i n g， WANG Yo n g c hu n， e t a 1 Re s e a r c h o n l o n g s t a n d i n g d e l a y e d c o m p r e g s i o n s t r e n g t h o f e a r l y a g e p u mp i n g c o n c r e t e a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e Th e 7 Na t i o na l Ci v i l Eng i n e e r i n g F o r u m f o r Gr a d u a t e St u d e n t s Na n j i n g ： S o u t h e a s t Un i v e r s i t y P r e s s ，2 0 0 9 ： 1 1 ( i n Ch i n e s e ) 冯竟竟 ， 傅 宇方， 陈忠辉 ， 等 高温对水泥基材料微观结构 的影 响 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 3 ) ： 3 1 8 3 2 2 F E NG J i n g - j in g ， F U Yu f a n g ， C HE N Z h o n g - h u i ， e t a 1 Ef f e c t o f h i g h t e m p e r a t u r e s o n mi c r o s t r u c t ur e of c e me n t b a s e d c o m p o s i t e ma t e r i a l J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 3 )： 3 1 8 - 3 2 2 ( i n Ch i ne s e ) 李敏 ， 钱春香 高强混凝 土受火后抗渗透性能衰减规律 J 东 南大学 学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 5 ) ： 8 2 5 8 3 0 LI Mi n， QI AN Ch un xi a n g De gr a d a t i o n o f p e r me a b i l i t y r e - s i s t a n c e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a f t e r e x p o s e d t o f i r e J J o u r n a l o f S o u t h e a s t Uni v e r s it y：Na t u r a l Sc i e n c e ，2 0 0 6，3 6 ( 5 )： 82 5 - 8 3 0 ( i n Ch i n e s e ) 吕天启 ， 赵 国藩 ， 林志伸 高 温后静置 混凝土力 学性能试 验研 究 J 建筑结 构学报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 6 3 1 7 O L O Ti a n - q i ； Z HAO Gu o f a n， L I N Z h i s h e n Te s t r e s e a r c h o n s t a n d i n g p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e J J o u r n a l of Bu i l d i n g S t r u c t ur e s ， 2 0 0 4， 2 5( 1 )： 1 6 3 1 7 0 ( i n Ch i ne s e ) ( 上接第 3 8 8页) 6 3 曹双寅 受腐蚀混 凝土 力学性 能 J 东 南大 学学 报 ， 1 9 9 1 ， 2 1 ( 4) ： 8 9 9 5 CAO Sh u a n g y i n M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o r r o d e d c o n c r e t e J J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， 1 9 9 1 ， 2 1 ( 4 ) ： 8 9 9 5 ( i n Ch i n e s e ) 7 3陈元素 ， 范颖芳 ， 李昕 盐酸腐 蚀条件 下混凝 土的应力一 应 变关 系研究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 2 3 5 2 4 0 CHEN Yu a n s u， FAN Yi n g - f a n g， LI Xi n Ex p e r i me n t a l s t u d y o n s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n o f c o n c r e t e c o r r od e d b y h y d r o c h l or i c a c i d s o l u t i o n J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 2 3 5 - 2 4 0 ( i n Ch i n e s e ) 8 3 9 董毓利 ， 张 洪源 ， 钟 超英 混凝 土 剪切 应力 一 应 变 曲线 的研 究 J 力学与实践， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 6 ) ： 3 5 3 7 DONG Yu I i ， ZHANG H o n g y u a n， ZHONG Ch a o y i n g S t u d y o n s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f c o n c r e t e u n d e r s h e a r l o a d i n g J Me c h a ni c s i n En g i n e e r i ng， 1 9 9 9， 2 1 ( 6 )： 3 5 3 7 ( i n Ch i n e s e ) 王余 刚， 骆英 ， 柳祖亭 全波形声发射技术用于混凝 士材料 损伤 监测研究 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 5 ) ： 8 0 3 8 0 7 W A NG Yu g a n g， LUO Yi n g， LI U Zu t i ng S t u d y o n wa v e f o r m a c o u s t i c e m i s s i o n t e c h ni q u e f o r mo nit o r i ng b r e a k a g e i n c o n c r e t e ma t e r i a l s J C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g， 2 00 5， 2 4 ( 5 )： 8 0 3 8 0 7 ( i n Ch i ne s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m