二次受火后混凝土強度變化規律的試驗研究

史貴臣，張騫尹，楊 帆

(1.河北拓樸建筑設計有限公司山西分公司，山西 太原 030006； 2.山西萬景源房地產開發有限責任公司，山西 太原 030000； 3.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

1 概述

國內外學者關于混凝土高溫后力學性能的研究已取得豐碩成果[1-4]，但以上研究僅局限于一次受火，近年來，因為消防不徹底、機械設備使用不當等原因造成二次火災發生的例子不勝枚舉。已有學者對二次火災下消防系統的改造提出自己的見解[5]，但關于二次火災下混凝土殘余承載力的研究還基本處于空白階段。

近年來研究發現，混凝土中摻入粉煤灰和礦粉后，能改善混凝土的許多性能[6]。二者雙摻，在混凝土長期使用時可減少氯離子的滲透率[7]，抑制堿骨料反應[8]，對混凝土的耐久性能有很大的提高；同時，二者雙摻可以較好的改善混凝土的和易性[9]，且能大幅度降低早期水泥漿體的水化熱[10]。最主要的是摻入粉煤灰和礦粉可以改善混凝土的抗高溫性能[11-12]。

基于以上原因，本文以雙摻混凝土為對象，進行不同溫度下的二次高溫試驗，研究二次受火后其質量損失和殘余抗壓強度的變化規律，為二次火災后混凝土的質量評估及修復加固提供依據。

2 試驗概況

2.1 試件設計及分組

本試驗混凝土配合比(質量比)為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶水∶砂∶石=1∶0.588∶0.353∶1∶5.412∶5.765，坍落度為180 mm。依據規范制作邊長100 mm的非標準立方體試件，強度計算時乘折減系數0.95，試件共分13組，每組3個，如表1所示。試件制作完成1 d后脫模，然后標準養護28 d。養護完成后晾干1 d進行高溫試驗。兩次受火間隔為28 d。

表1 混凝土試件分組及編號

2.2 試驗裝置

加熱裝置采用中國輕工業陶瓷研究所窖爐開發中心制作的GWD-02A節能電爐，如圖1(a)所示，加熱溫度可達1 100 ℃。該裝置通過如圖1(b)所示的控制柜控制爐內溫度，并通過連接在控制柜上的K型熱電偶實現對爐內溫度的測量。采用10 ℃/min的升溫速率，達到目標溫度后恒溫120 min。

加載裝置采用YAW-3000型試驗機，該設備操作簡單，控制精確，以5 kN/s的加荷速率進行加載。

3 試驗過程

3.1 高溫試驗現象

試件一次、二次受火自然冷卻后，外觀變化如圖2所示。從圖2可以看出，一次受火100 ℃的試件外觀顏色變化不明顯，同未受火一樣呈青灰色；一次300 ℃的試件顏色呈淡紅色且表面出現少數細小裂紋；一次受火500 ℃的試件顏色呈淺磚紅色，表面裂紋較300 ℃的試件明顯增多、變寬。對于一次受火100 ℃的試件，二次受火100 ℃，表面變化仍不太明顯，基本同常溫下一樣，二次受火300 ℃，表面顏色也呈淡紅色，但裂縫數量較僅一次受火300 ℃后稍微變多，二次受火500 ℃，試件呈磚紅色，且裂縫寬度、數量較僅一次受火500 ℃的試件稍微變大、變多，對于一次受火300 ℃的試件，二次受火100 ℃和300 ℃后，外觀顏色基本同僅一次受火300 ℃后，二次受火500 ℃后，表面磚紅色顏色變深，所有一次受火300 ℃ 的試件裂縫都隨二次受火溫度升高而逐漸變多；對于一次受火500 ℃的試件，二次受火100 ℃，300 ℃，500 ℃后，表面基本都呈深磚紅色，表面裂縫錯綜分布，同樣二次受火溫度越高，裂縫越多、越寬。

3.2 立方體受壓破壞形態

進行立方體抗壓強度試驗時，讓其受壓面垂直于成型抹平面，受壓初期，混凝土試塊無明顯變化，隨著荷載逐漸增大，在非受壓面開始出現細微豎向裂縫，且裂縫逐漸變寬、增多，最后主裂縫呈弧形上下貫通，如圖3所示。

對于一次受火的試件，混凝土基本都成片塊狀剝落，且隨溫度升高，破壞時的剝落程度加大，棱角破壞的越嚴重。對于二次受火的試件，一次受火100 ℃，再經100 ℃后，破壞形態基本同CT1，再經300 ℃，500 ℃后，試件開始變得松酥，混凝土也呈塊狀剝落，且溫度越高剝落越嚴重；一次受火300 ℃，再分別經100 ℃，300 ℃，500 ℃后，隨二次受火溫度升高，混凝土越來越松酥，試件破壞時剝落程度也越來越大，且剝落的混凝土骨料與砂漿基本分離；一次受火500 ℃，再分別經100 ℃，300 ℃，500 ℃后，混凝土非常松酥，破壞時骨料和砂漿基本完全分離，幾乎見不到塊狀的混凝土剝落。

4 試驗結果分析

4.1 質量損失率變化規律研究

記一次受火前試件平均質量為m0，一次受火后試件平均質量為m1，二次受火后試件平均質量為m2，則質量損失率計算方法如下：

(1)

(2)

計算得質量損失率變化規律如圖4所示。從圖4中可以看出，一次受火質量損失率隨溫度升高呈上升趨勢，且300 ℃和500 ℃的質量損失率較100 ℃增長較多，這主要因為100 ℃時只有自由水的散失，300 ℃和500 ℃時除了自由水散失，結合水也會因為高溫而逸出，部分水化產物分解，從而質量損失更嚴重。當二次受火100 ℃后，不論一次受火100 ℃，300 ℃還是500 ℃，混凝土質量損失率均為超過0.4%，當二次受火溫度為300 ℃和500 ℃時，混凝土質量損失率隨一次受火溫度升高而降低，這主要是因為一次受火溫度越高，自由水和結合水散失的都越嚴重，再次經歷高溫后已基本無水分可散失，但兩種溫度下，當一次受火100 ℃時，其質量損失率較高，分別是未經歷二次高溫的19.5倍和24.8倍，主要是因為一次受火100 ℃時只有少部分自由水的蒸發，而二次受火300 ℃和500 ℃時，大量自由水和結合水蒸發的同時水化產物也會發生分解，分解產生的水蒸發散失，所以二次高溫后質量損失嚴重。

4.2 抗壓強度變化規律研究

標準養護28 d且未受火的試件立方體抗壓強度fcu為32.12 MPa，建立二次高溫后混凝土殘余抗壓強度與常溫混凝土抗壓強度fcu比值的變化規律如圖5所示。

從圖5可以看出，隨二次受火溫度的升高，混凝土殘余強度都逐漸遞減，但遞減規律不盡相同。其中一次受火100 ℃和300 ℃后，在二次受火溫度20 ℃(常溫)～300 ℃之間時，衰減幅度較大，在300 ℃～500 ℃之間時，強度衰減趨于平緩；當一次受火500 ℃后，在二次受火時，強度衰減非常平緩，其強度差值小于16.3%。這主要是因為一次受火溫度較低時，混凝土內部因水分散失產生的孔隙及裂縫較少，同時水化產物也能基本保證不會分解，混凝土內部結構相對損傷較輕，這時遭受二次高溫，特別是二次溫度超過300 ℃，相對完整的內部結構會受到更嚴重的損傷，所以強度下降較多；但一次受火500 ℃后，500 ℃下的混凝土內部損傷已基本完成，因此再經歷小于500 ℃的高溫時，強度衰減幅度較小。

對于相同兩個受火溫度，但受火歷程不同，試件CT3T1是CT1T3強度的1.2倍，試件CT5T1是CT1T5強度的1.1倍，試件CT5T3是CT3T5強度的1.1倍。從以上結果可以看出，相同兩個受火溫度，一次受火相對二次受火溫度較低者，混凝土強度較低，也就說明若二次受火溫度高于一次，則二次受火溫度對混凝土內部損傷起主導作用，混凝土強度損失的更嚴重。

5 二次受火后混凝土殘余抗壓強度計算方法

本文結合國內外學者一次高溫后混凝土殘余抗壓強度的計算方法[13-14]及二次受火試驗結果，提出二次受火后雙摻混凝土抗壓強度與受火溫度的關系如下：

(3)

本文提出的二次受火后相對抗壓強度擬合公式計算的結果及試驗結果對比情況如表2所示。

表2 相對抗壓強度試驗值與模擬值對比

繪制了試驗值和擬合值的相對抗壓強度對比情況如圖6所示，圖6中實線表示試驗值，虛線表示擬合值。

從表2和圖6 可以看出，對于僅一次受火，擬合結果與試驗結果非常接近，差值僅在1.4%以內，說明該公式可以很好的用于一次受火后混凝土強度的計算；對于一次受火100 ℃和300 ℃的試件，擬合結果與試驗結果比較接近，差值在4.9%～8.0%之間，相對較理想；對于一次受火500 ℃的試件，擬合結果與試驗結果雖差別有點大，但差值未超過12.5%；所有試件擬合值均小于試驗值，這對混凝土二次受火后修復評估來說是偏安全的，因此本文提出的雙摻混凝土二次受火后強度預測公式具有一定的適用性。

6 結語

1)二次受火低于100 ℃時，無論一次受火100 ℃，300 ℃還是500 ℃，混凝土二次受火基本無質量損失，損失率降低幅度在0.4%以內；當二次受火300 ℃和500 ℃，二次受火質量損失率降低幅度相對較大，均超過84.5%。

2)隨二次受火溫度的升高，混凝土殘余強度都呈遞減的趨勢。當一次受火溫度較低，在二次受火溫度小于300 ℃時，衰減幅度較大，超過300 ℃時，強度衰減趨于平緩；特別是一次受火500 ℃后，在二次受火時，強度衰減值小于16.3%。

3)本文提出的二次高溫后混凝土強度計算公式其計算結果與試驗結果相差較小，公式計算簡單，安全可靠，可為二次高溫后混凝土的評估修復工作提供依據。