火災(zāi)后機(jī)制砂混凝土殘余抗壓強(qiáng)度回歸分析

盧云祥，潘佩瑤，陳 麗，曾 義，李東旭，潘正斌

(貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽 550006)

回彈法是以回彈值反映混凝土表面硬度，根據(jù)表面硬度推求混凝土的抗壓強(qiáng)度的方法，在混凝土工程檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。雖然在規(guī)程中明確規(guī)定了回彈法不適用于火災(zāi)后混凝土抗壓強(qiáng)度的判定，但該方法的原理可以參考，因?yàn)榛馂?zāi)后混凝土表面硬度可反映其遭受火災(zāi)的損傷程度[4-6]。本文通過大量試驗(yàn)建立了回彈法檢測(cè)高溫后人工機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的專用曲線和計(jì)算公式。根據(jù)高溫后冷卻方式不同，分為自然冷卻和浸水后冷卻，分別統(tǒng)計(jì)高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值關(guān)系，建立計(jì)算公式，可為工程實(shí)際提供參考。

1 試驗(yàn)試塊

通過試驗(yàn)研究機(jī)制砂混凝土在高溫情況下殘余強(qiáng)度影響因素，制作 C 20、C 30、C50混凝土試塊，尺寸為100mm×100 mm×100 mm，齡期 ＞28d。材料采用 P·O 42.5 水泥，中砂為新添寨砂，碎石粒徑為 0. 5～20 mm，外加劑為聚羧酸高效減水劑。材料選擇及配合比如表1所示，其中配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶減水劑[1]。

表1 材料選擇及配合比

2 火災(zāi)試驗(yàn)

根據(jù)受火溫度的不同，將同溫試塊送入高溫爐進(jìn)行加熱試驗(yàn)，待達(dá)到預(yù)定溫度后，保持恒溫至預(yù)定時(shí)間。對(duì)高溫作用后的混凝土試塊進(jìn)行冷卻，分為自然冷卻和浸水冷卻。其中，自然冷卻將試塊從高溫爐中取出后直接在自然條件下靜置預(yù)定時(shí)間；浸水冷卻將試塊從高溫爐中取出后浸水，時(shí)間≥10min，然后再在自然條件下靜置 ＞24h。

用回彈試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)測(cè)試試塊殘余強(qiáng)度。首先將試塊置于壓力試驗(yàn)機(jī)上加載，加熱溫度為500℃ 以下的試塊加載20kN，加熱溫度為500℃ 以上的試塊加載10kN。再用回彈儀在試塊2個(gè)相對(duì)側(cè)面上各回彈8個(gè)數(shù)據(jù)，并記錄回彈值；最后在壓力機(jī)上進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，測(cè)出試塊抗壓強(qiáng)度和碳化深度。在試驗(yàn)過程中均勻加載，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C20時(shí)，加載速度為 0.3～0.5 MPa /s；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C 30、C50時(shí)，加載速度為 0.5～0.8 MPa/s。

共制作168組、336個(gè)試塊進(jìn)行試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果。

3 高溫后自然冷卻

3.1 高溫后自然冷卻試驗(yàn)結(jié)果

在高溫后自然冷卻條件下，經(jīng)試驗(yàn)得出 C 20、C30和 C50殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值統(tǒng)計(jì)。對(duì)所有數(shù)據(jù)匯總分析，得出高溫后自然冷卻條件下抗壓強(qiáng)度與回彈值關(guān)系曲線圖，如圖1所示。按不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行回歸分析，得出高溫后自然冷卻 C 20、C30和 C50殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系曲線，如圖2所示。按不同溫度條件進(jìn)行回歸分析，分別得出300℃、500 ℃、700 ℃ 和800℃ 條件下高溫后自然冷卻的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系曲線，如圖3所示。按不同加熱時(shí)間條件進(jìn)行回歸分析，分別得出30min、60 min、90 min 和120min 條件下高溫后自然冷卻的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖1 自然冷卻條件下抗壓強(qiáng)度與回彈值

圖2 不同強(qiáng)度等級(jí)殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值

圖3 不同加熱條件下抗壓強(qiáng)度與回彈值圖

圖4 不同加熱時(shí)間下抗壓強(qiáng)度與回彈值

3.2 高溫后自然冷卻擬合公式

根據(jù)圖 1～圖3可知，C 20、C30和 C50混凝土在高溫后（加熱溫度 300～800 ℃，恒溫時(shí)間 30～120 min）自然冷卻時(shí)，采用最小二乘法擬合得測(cè)強(qiáng)公式（1）。

RmT—試件的平均回彈值，MPa，精確至 0.1 MPa。

根據(jù)測(cè)強(qiáng)曲線通過實(shí)測(cè)回彈值計(jì)算得出試件的強(qiáng)度換算值，再經(jīng)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》附錄 E 中對(duì)地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線制定方法的相關(guān)規(guī)定，按式（2）（3）進(jìn)行計(jì)算，得出強(qiáng)度平均相對(duì)誤差δ和強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er如下。

式中：δ—回歸方程式的強(qiáng)度平均相對(duì)誤差，%，精確至0.1；

er—回歸方程式的強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，%，精確值0.1；

n—制定回歸方程式的試件數(shù)。

將該曲線的計(jì)算強(qiáng)度分別與圖 2～圖4曲線的計(jì)算強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比得如下結(jié)論。

（1）強(qiáng)度等級(jí)為 C 20、C30和 C50的混凝土，高溫后自然冷卻，分別回歸所得曲線計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度與式（1）計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，二者最大偏差為 3.6 MPa。

（2）不同加熱溫度條件（300 ℃、500 ℃、700 ℃ 和800℃）下，高溫后自然冷卻，分別回歸所得曲線計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度與式（1）計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，二者最大偏差為 4.8 MPa。

（3）不同加熱時(shí)間條件（30 min、60 min、90 min、120 min）下，高溫后自然冷卻，分別回歸所得曲線計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度與式（1）計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，二者最大偏差為 7.9 MPa。

4 高溫后浸水再冷卻

4.1 高溫后浸水冷卻試驗(yàn)結(jié)果

在高溫后浸水再冷卻的條件下，C 20、C30和 C 50殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值統(tǒng)計(jì)。對(duì)所有數(shù)據(jù)匯總分析，得出高溫后浸水冷卻條件下抗壓強(qiáng)度與回彈值關(guān)系曲線圖，如圖5所示。按不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行回歸分析，得出高溫后浸水冷卻條件下 C 20、C30和 C50殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系曲線，如圖6所示。按不同溫度條件進(jìn)行回歸分析，分別得出300℃、500 ℃、700 ℃ 和800℃ 條件下高溫后浸水冷卻的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系曲線，如圖7所示。按不同加熱時(shí)間條件進(jìn)行回歸分析，分別得出30min、60 min、90 min 和120min 條件下高溫后浸水冷卻的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖5 浸水冷卻條件下抗壓強(qiáng)度與回彈值

圖6 浸水冷卻殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值

圖7 不同加熱條件下抗壓強(qiáng)度與回彈值

圖8 不同加熱時(shí)間下抗壓強(qiáng)度與回彈值

4.2 高溫后浸水冷卻擬合公式

由圖6得知，浸水后冷卻時(shí)，高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值關(guān)系曲線采用最小二乘法擬合得測(cè)強(qiáng)公式為式（4）。

RmT—試件的平均回彈值，MPa，精確至 0.1 MPa。

根據(jù)測(cè)強(qiáng)曲線通過實(shí)測(cè)回彈值計(jì)算得出試件的強(qiáng)度換算值，再經(jīng)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》附錄 E 中對(duì)地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線制定方法的相關(guān)規(guī)定，按式（5）、式（6）進(jìn)行計(jì)算，得出強(qiáng)度平均相對(duì)誤差δ和強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差如下所示。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由回歸公式式（1）、式（4）計(jì)算的強(qiáng)度平均相對(duì)誤差和強(qiáng)度評(píng)級(jí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差滿足 JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》對(duì)于專業(yè)曲線指定的要求。

將該曲線的計(jì)算強(qiáng)度分別與圖 6、圖 7、圖8曲線的計(jì)算強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論。

（1）將強(qiáng)度等級(jí)為 C 20、C30和 C50的混凝土，經(jīng)高溫后自然冷卻，分別回歸所得曲線計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度與式（2）計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，二者最大偏差為 1.8 MPa。

（2）不同加熱溫度條件（300 ℃、500 ℃、700 ℃和800℃）下，高溫后自然冷卻，分別回歸所得曲線計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度與式（2）計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，二者最大偏差為 1.5 MPa。

（3）不同加熱時(shí)間條件（30 min、60 min、90 min、120 min）下，高溫后自然冷卻，分別回歸所得曲線計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度與式（2）計(jì)算的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，二者最大偏差為 3.4 MPa。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)上述分析，對(duì)于高溫冷卻后基本完整的試件，高溫后混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度與回彈值相關(guān)性良好。即高溫后混凝土表面硬度能夠反映其內(nèi)部損傷程度，故可借鑒回彈法原理進(jìn)行高溫后混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)。

（2）對(duì)已知混凝土初始強(qiáng)度的檢測(cè)，當(dāng)混凝土試件基本完整的情況下，應(yīng)用回彈法時(shí)采用式（1）、式（2）有較高的準(zhǔn)確性，但未知混凝土初始強(qiáng)度或內(nèi)部混凝土已開裂時(shí)（如加熱至900℃ 的試件），此公式應(yīng)慎用。

（3）高溫后混凝土的性能變化是個(gè)非常復(fù)雜的過程，無損檢測(cè)方法亦受到多方面因素的影響。式（1）和式（2）在后續(xù)檢測(cè)工程中應(yīng)用時(shí)，必須進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，并據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)公式加以修正，力求更為精確的反映高溫后混凝土殘余抗壓強(qiáng)度。