淺談高溫后混凝土的耐久性

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 福州 350000)

0 引言

當(dāng)前最常見的結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于多種原因未到設(shè)計(jì)年限提前失效。其原因有結(jié)構(gòu)抗力不足、荷載不利變化等，但主要為結(jié)構(gòu)的耐久性不足。建筑火災(zāi)是當(dāng)前發(fā)生次數(shù)最多、損失最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。火災(zāi)后大部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑修復(fù)后仍可使用，但經(jīng)高溫作用后結(jié)構(gòu)組成材料鋼筋、混凝土材料性能劣化，其強(qiáng)度、剛度和耐久性等指標(biāo)顯著下降。目前，對(duì)高溫后鋼筋、混凝土材料及板、梁、柱、墻構(gòu)件的力學(xué)性能等方面研究已取得大量成果[2]，但針對(duì)災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題方面的研究成果則僅有少量文獻(xiàn)報(bào)道。本文從基本出發(fā)，淺談火災(zāi)后混凝土性能退化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的影響。

1 混凝土耐久性研究成果論述

混凝土耐久性影響因素有砼的碳化、離子腐蝕、凍融、堿-集料反應(yīng)及鋼筋銹蝕等。

砼的碳化指空氣中CO2向砼內(nèi)擴(kuò)散，使Ca(OH)2（下文簡(jiǎn)稱CH）轉(zhuǎn)為CaCO3，砼堿度降低，體積膨脹。同時(shí)鋼筋面上鈍化膜破壞，鋼筋銹蝕且其產(chǎn)物膨脹[3]，這使混凝土保護(hù)層開裂、剝落。砼的碳化速度不僅取決于 CO2的擴(kuò)散速度、濃度及砼內(nèi)孔溶液水化產(chǎn)物的反應(yīng)性能，還取決于混凝土試件本身密實(shí)性、含水率等因素影響。堿-集料反應(yīng)是砼中水泥、外加劑、摻合料或拌合水中存在的可溶性堿與其空隙中及集料中的活性成分逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。其造成破壞須具備以下條件：1）砼拌和料存在一定數(shù)量的堿及堿活性集料；2）砼處于有利于堿滲入的條件；3）為水分潮濕環(huán)境利于反應(yīng)物吸水膨脹。凍融作用指砼在拌制中為保證和易性多加入水留置在砼中形成毛細(xì)孔，水泥水化后形成的膠凝孔及其它非毛細(xì)孔。當(dāng)溫度低于一定時(shí)，毛細(xì)孔中水全部結(jié)冰，膠凝孔中水向毛細(xì)孔滲透使細(xì)孔中冰繼續(xù)膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂[1]。以此反復(fù)作用，最終砼中裂縫貫通、強(qiáng)度降低、由表及里破壞。離子侵蝕指工業(yè)廢氣廢水、天然酸性水或沿海環(huán)境中滲入砼中的氯離子等有害物物質(zhì)，通過(guò)混凝土表面孔吸附作用，向內(nèi)部滲透，與同事組成材料及鋼筋發(fā)生有害反應(yīng)，影響砼的性能和壽命。影響速率與有害物質(zhì)濃度及砼本身孔隙率有關(guān)[3]。鋼筋銹蝕指外界作用下，混凝土材料的耐久性能衰退，漸失去對(duì)鋼筋的保護(hù)，鋼筋鈍化膜破壞銹蝕，導(dǎo)致鋼筋截面減小、性能衰退，從而影響整體構(gòu)件的承載能力和使用性能。

2 高溫后混凝土的性能總結(jié)

2.1 高溫后混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

砼在高溫下，會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)、物理變化，且主要為硬化水凝膠的變化。常溫下 C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)完整、密實(shí)，CH結(jié)晶得也非常整齊完整。200℃下，CH含量下降，生成新的C-S-H，C-S-H凝膠由于受熱只脫去了一些化合水或結(jié)晶水，混凝土內(nèi)部只是自由水消失，使原有孔洞較為清晰；300℃下，混凝土的原始組分有不同程度的降低，結(jié)晶水開始失去，水泥的水化產(chǎn)物C-S-H、Aft(少量)和CH開始脫水破壞，CaCO3的含量增加，砼開始碳化；400℃時(shí)，CH分解成石灰和水蒸氣，此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)疏松，卵石骨料開始爆裂；到500℃時(shí)砼中結(jié)晶水及水泥水化物幾乎全部喪失，漿體體積收縮，575℃時(shí)，粗骨料中α型石英發(fā)生相變蛻變成β型石英，使粗骨料體積增大[4]，混凝土內(nèi)部裂縫增多；800℃時(shí)，CH結(jié)構(gòu)已很松散，C-S-H也極不完整，骨料和水泥石幾乎脫節(jié)。

根據(jù)以上分析，可知隨著受火溫度的升高，砼內(nèi)部開裂和孔隙結(jié)構(gòu)變大，這會(huì)使砼的吸水性普遍增強(qiáng)。當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)，其吸水量約為常溫下的8倍[5]。

2 . 2抗壓強(qiáng)度的變化

高溫總體會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)度變化過(guò)程可歸納下降-回升-持續(xù)3個(gè)階段[5]。在溫度小于300℃時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度級(jí)別不受溫度的影響，與常溫下的值相差不大；300℃以后，混凝土的抗壓強(qiáng)度與溫度成反比的關(guān)系，隨著溫度的上升混凝土的抗壓強(qiáng)度值快速減小，且基本呈線性關(guān)系遞減，公式為[6]：

2.3 高溫后混凝土孔隙率和孔洞的變化

孔隙率和孔洞分布是影響砼強(qiáng)度和滲透性能的主要因素。高溫作用后砼試塊孔隙率增加，孔隙結(jié)構(gòu)也變的粗大。文獻(xiàn)[7]表明，600℃作用后混凝土的孔隙率為常溫下的192%，800℃作用后為常溫下的303%。然而經(jīng)過(guò)56天水養(yǎng)護(hù)后，孔隙率得到恢復(fù)，600℃為常溫下的176%，800℃為219%。而在空氣中養(yǎng)護(hù)56天，600℃和800℃作用后的混凝土孔隙率為常溫下的144%和119%，而混凝土的累積孔洞量大于0.1um、1.3um時(shí)，分別對(duì)響混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

3 結(jié)論

（1）砼耐久性與密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度、孔隙率及所處環(huán)境有關(guān)。

（2）隨著溫度升高，砼密實(shí)度變小，孔隙率增大，300℃時(shí)已碳化，400℃后可能爆裂，且溫度高于300℃時(shí)砼強(qiáng)度大幅度降低。經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)，各方面性能能得到一定的恢復(fù)，但總體變?nèi)酢?/p>

（3）從以上兩結(jié)論可以看出，高溫使混凝土性能改變，且這些性能也是控制混凝土的耐久性的主要因素。當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，其災(zāi)后耐久性應(yīng)引起注意，在溫度高于400℃時(shí)，耐久性開始有大幅度的降低。

（4）對(duì)于火災(zāi)后結(jié)構(gòu)修復(fù)加固，建議應(yīng)考慮砼的耐久性的影響，具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)聲速檢測(cè)結(jié)果來(lái)估測(cè)混凝土的耐久性。

[1]金偉良，趙羽習(xí). 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2002,34（4）：371-380&403

[2]陸洲導(dǎo), 蘇磊. 我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)(高溫)后損傷機(jī)理與評(píng)估方法的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2010, 31(增刊2): 202-209

[3]黃智山，王大超.混凝土的耐久性[J].混凝土,2004(6):25-26&28

[4]呂天啟，趙國(guó)藩，林志伸，等. 高溫后靜置混凝土的微觀分析[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(2):135- 141

[5]姜福香，于奎峰，趙鐵軍，等. 高溫后混凝土耐久性能試驗(yàn)研究[J]. 四川建筑科學(xué)研究, 2010，36(2)：32-34

[6]徐或 徐志勝.高溫作用后混凝土強(qiáng)度與變形試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2000.18(2)：14～16&21

[7]Chi Sun Poon, SalmanAzhar, Mike Anson, at le. Strength and durability recovery of fire-damaged concrete after post-fire-curing[J].Cement and Concrete Research,2001，31:1307-1318