冷卻方式對不同等級高性能混凝土的影響

王 珍

(河北省廊坊市武警學(xué)院消防工程系， 河北廊坊 065000)

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冷卻方式對不同等級高性能混凝土的影響

王 珍

(河北省廊坊市武警學(xué)院消防工程系， 河北廊坊 065000)

以高壓水槍噴射模擬消防射水對高溫試塊進(jìn)行冷卻處理，并與采用自然冷卻方式的試塊進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)對比研究，總結(jié)冷卻方式對不同等級HPC (高性能混凝土)殘余抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：自然冷卻條件下，HPC殘余強(qiáng)度整體呈衰減狀態(tài)，在300℃時(shí)略有升高；在射水冷卻條件下，HPC殘余抗壓強(qiáng)度一直呈衰減狀態(tài)。相同溫度等級條件下， HPC采用射水條件下冷卻后其殘余強(qiáng)度均低于自然冷卻的殘余強(qiáng)度，自然冷卻的殘余抗壓強(qiáng)度最高的為射水冷卻殘余強(qiáng)度的1.3～1.5倍。

冷卻方式； 高溫； HPC； 殘余抗壓強(qiáng)度

隨著HPC的逐漸推廣應(yīng)用，在研究HPC耐久性的同時(shí)其高溫耐火性也已引起了建設(shè)行業(yè)前所未有的高度關(guān)注。但是由于影響混凝土的耐熱性能的因素較多，試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法及混凝土材料的差異，試驗(yàn)結(jié)果不一致，甚至?xí)霈F(xiàn)相互矛盾的結(jié)論。這些研究主要是以高溫后HPC殘余抗壓強(qiáng)度為主，很少研究現(xiàn)實(shí)火災(zāi)條件下消防射水對HPC殘余抗壓強(qiáng)度的的影響因素及其規(guī)律；部分研究成果僅停留在定性分析水平上，缺乏具有針對性的實(shí)驗(yàn)及理論模擬數(shù)據(jù)。

基于上述研究現(xiàn)狀，通過不同冷卻方式對不同等級HPC的影響，科學(xué)地診斷火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的受損程度，確定其殘余承載力，判斷建筑物結(jié)構(gòu)受火時(shí)坍塌的時(shí)間，以便受災(zāi)人員安全撤離災(zāi)場，消防人員進(jìn)行救護(hù)傷亡人員等活動(dòng)，將火災(zāi)造成的損失降低到最少。

1 試驗(yàn)原材料

普通硅酸鹽水泥，P.042.5R，密度為2 912 kg/m3；粗骨料采用碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 719 kg/m3，針片狀顆粒質(zhì)量含量為2.83 %，含泥量為0.54 %，滿足級配要求，其他性能滿足GB/T 14685中II類粗骨料的要求；細(xì)骨料采用河砂，其表觀密度為2 632 kg/m3，堆積密度為1 630 kg/m3，含泥量為1.6 %；粉煤灰采用優(yōu)質(zhì)I級灰，密度為2 059 kg/m3。外加劑為固體高性能抗蝕防腐劑(泵送型，有減水效果)。

2 試驗(yàn)方法

采用100 mm×100 mm×100 mm的試件，試驗(yàn)前拌合物性能測試按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]的規(guī)定，采用機(jī)械攪拌，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d、室內(nèi)靜置1個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)的溫度范圍為20～900℃，爐膛溫度可自動(dòng)控制，根據(jù)火災(zāi)升溫速率快的特點(diǎn)，升溫方式采用快速升溫取20℃/S，如此模擬火災(zāi)場景，升溫設(shè)定等級取20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃共9個(gè)等級。首先將立方體試件放入電爐內(nèi)加熱至預(yù)定溫度，再恒溫2 h。然后以高壓水槍噴射冷卻模擬消防射水(噴射時(shí)間控制在10 min)和自然冷卻兩種不同方式使試件冷卻至常溫，如此模擬實(shí)際火災(zāi)撲滅過程中的情況。最后將射水冷卻和自然冷卻的試件分別放在自然環(huán)境中靜置至預(yù)定的時(shí)間后，使用100 t微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測定(每組三個(gè)試塊)，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

HPC的抗壓強(qiáng)度是其力學(xué)性能中最基本的一項(xiàng)，常常作為基本參量來確定HPC的強(qiáng)度等級和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),并決定抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變等其他力學(xué)性能。本次試驗(yàn)以工程上常用的C35、C40、C50為例主要研究其火災(zāi)后殘余抗壓強(qiáng)度。

3.1 高溫試驗(yàn)現(xiàn)象

各等級HPC高溫試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致，100～300℃時(shí)，顏色無明顯變化，溫度在300℃時(shí)可以觀察到爐膛內(nèi)蒸發(fā)出少量的水蒸汽，隨著溫度升高，有較大量的明顯可見的水蒸汽逸出。這主要是因?yàn)椋弘S著溫度的逐步升高，HPC內(nèi)部的C-S-H凝膠結(jié)晶水開始脫水，HPC中的Ca(OH)2脫水形成氧化物，從而致使游離水在高溫下蒸發(fā)成水蒸汽[3-5]。400℃時(shí)，試件開始呈現(xiàn)灰白色，且表面有少許細(xì)微的龜裂紋，此時(shí)逸出的水蒸汽量最大，400℃后水蒸汽量逐漸減小；500～700℃時(shí)，試件為微褐色，表面有許多細(xì)小裂紋，且裂紋長度增加，有時(shí)有貫穿裂紋；800℃以后，試件表面為棕紅色，且隨溫度升高，顏色變深，試件表面布滿粗裂紋，多數(shù)試件表層已成粉末，極易脫落，但是部分試塊保持了完整性(圖1)。

圖1 高溫后HPC試塊形態(tài)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以研究C35HPC殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線為例，隨著溫度升高，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，曲線較自然冷卻條件下下降幅度較大。這是由于在射水冷卻條件下，高溫200℃作用后，由于射水冷卻，在冷卻過程中，試件產(chǎn)生了較大的內(nèi)外溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，抵消了HPC試件在高溫作用時(shí)強(qiáng)度提高的有利因素，造成在高溫200℃后，HPC的殘余強(qiáng)度沒有超過常溫時(shí)的強(qiáng)度。加熱溫度達(dá)到300℃左右時(shí)，硅酸鹽水泥漿體中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣開始脫水，同時(shí)大量水蒸氣的外逸沖刷和擠脹作用，又?jǐn)U大了裂紋和孔隙，使水泥漿體中孔隙平均尺寸和微裂紋迅速增加，HPC的抗壓強(qiáng)度迅速下降，因而HPC的殘余強(qiáng)度下降幅度較大；在800℃時(shí)HPC試塊噴水后，大部分試塊都已發(fā)生爆裂，故本次試驗(yàn)沒有進(jìn)行更高溫度等級高溫試驗(yàn)。

圖2 C35HPC殘余抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出(圖2)，不同的冷卻方式對高溫作用后HPC的殘余強(qiáng)度有很大影響，HPC采用射水條件下冷卻后其殘余強(qiáng)度均低于自然冷卻的殘余強(qiáng)度，自然冷卻的殘余抗壓強(qiáng)度最高的為射水冷卻的HPC試件的殘余強(qiáng)度的1.3～1.5倍。

本文試驗(yàn)與實(shí)際火災(zāi)情況的升溫方式不同，采用高溫電爐加熱，升溫速度恒定，而且到達(dá)最高溫度后保持恒溫一段時(shí)間，由HPC的熱傳導(dǎo)特性可知，此時(shí)HPC的中心溫度與HPC表面溫度基本相同，所以造成試驗(yàn)結(jié)論與實(shí)際火災(zāi)情況有一定的差異。

4 結(jié)論

在自然冷卻條件下，HPC在高溫后殘余抗壓強(qiáng)度分為三個(gè)階段，第一階段為強(qiáng)度損失階段，強(qiáng)度損失不大，第二階段為強(qiáng)度的恢復(fù)階段，強(qiáng)度有所恢復(fù)，第三階段為強(qiáng)度的永久損失階段，這一階段高性能混凝上強(qiáng)度的衰減很大；在射水冷卻條件下，HPC在高溫后殘余抗壓強(qiáng)度一直呈衰減狀態(tài)。消防射水對高溫作用后HPC的殘余強(qiáng)度影響很大，相同溫度等級條件下， HPC采用射水條件下冷卻后其殘余強(qiáng)度均低于自然冷卻的殘余強(qiáng)度，自然冷卻的殘余抗壓強(qiáng)度最高的為射水冷卻殘余強(qiáng)度的1.3～1.5倍。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T 50080 2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T 50081 2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[3] 陳改新. 混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢[C]//第七屆全國混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,2007.

[4] 姚燕,王玲,田培. 高性能混凝土[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[5] 石明霞,龍廣成,張松洪. 水膠比和集料對高性能混凝土力學(xué)性能的影響[J].山西建筑,2006,32(16)：3-4.

王珍(1983～)，男，博士，主要從事建筑火災(zāi)、防火監(jiān)督等方面研究。

TU528.31

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[定稿日期]2015-09-30