高溫及升溫速率對砂漿氣體滲透性與孔隙率的影響

陳 偉，盛明泉，許 澳，梁 越

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，武漢 430068)

0 引 言

火災是建筑物不可避免的災害之一，在火災的作用下，建筑結構內部受到不同程度的損傷，會降低建筑結構的力學性能和耐久性能。目前，國內外許多專家學者已對高溫后水泥基材料的力學性能做了大量研究[1-3]。例如金祖權等[4]通過研究高溫后普通混凝土與纖維混凝土發現，隨著溫度的升高,兩種混凝土的抗壓強度逐漸降低，熱變形性能卻逐漸增強；邵偉等[5]研究發現，隨著溫度的升高以及加熱時間的延長，混凝土的抗壓強度、彈性模量均降低，峰值應力逐漸增大。與此同時，高溫對水泥基材料的微觀結構影響也較大，已有學者[6-9]進行了相關研究。柳獻等[10]研究發現，高溫后混凝土材料微觀孔隙的變化主要是由毛細水、凝膠水和化學結合水的散失以及氫氧化鈣分解所致；趙東拂等[11]利用壓汞法研究發現，隨著溫度的升高，混凝土孔結構中的納米級孔徑增多，混凝土力學性能降低。

目前大量研究多關注于溫度升高對水泥基材料的力學特性及微觀結構變化規律的影響，對不同升溫速率以及高溫后混凝土結構耐久性問題的研究相對較少[12-13]。由于滲透性在很大程度上影響了混凝土結構的耐久性，所以為了科學地評價高溫后混凝土結構的耐久性能，深入研究溫度對混凝土氣體滲透性的影響是非常必要的[14-16]。陳曉婷等[17]研究發現，在高溫作用下，混凝土內部的微裂紋發生延伸與擴展，孔隙相互貫通，混凝土滲透性、孔隙率增大，從而影響混凝土的強度和耐久性；宋楊等[18]研究發現，混凝土氣體滲透性隨著溫度的升高逐漸增大，在350 ℃及以上高溫下，力學性能大幅降低。

本文以氣體滲透性作為主要的研究內容，主要對以不同的升溫速率(即5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min)升溫至目標溫度為400 ℃、500 ℃、600 ℃的水泥砂漿進行氣體滲透性、孔隙率、抗壓強度等研究，并進一步探討不同升溫速率的高溫后混凝土結構耐久性損失與孔隙率、力學性能之間的關系，以期為高溫后混凝土耐久性能的評估與修復提供理論支持。

1 實 驗

1.1 原材料及試樣制備

本研究采用砂漿用于試驗，其配合比見表1。原材料包括華新牌42.5級的普通硅酸鹽水泥；水為自來水；細骨料為天然河砂，其細度模數為2.65。根據表1所示的配合比制備50 mm×100 mm的圓柱體砂漿試樣。澆筑成型后24 h拆模，將試樣繼續放入水中養護60 d。試樣養護好后，用端磨機將試樣兩端打磨平整進行后續試驗。

表1 砂漿配合比

1.2 試驗方法

(1)高溫試驗

采用高溫馬弗爐對砂漿進行高溫處理來模擬砂漿在火災等高溫環境。高溫馬弗爐最高額定溫度為1 200 ℃，升溫速率范圍為1～20 ℃/min。試驗采用均勻升溫的方式，升溫速率分別為5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min，目標溫度分別為400 ℃、500 ℃、600 ℃，維持目標溫度1 h，隨后自然冷卻至室溫。

在對砂漿進行高溫加熱前，先將真空飽水后的砂漿試樣放入60 ℃的烘箱中烘干至恒重。經過多次試驗表明試樣加熱至60 ℃時，能使其內部孔隙中的自由水蒸發，對凝膠水化產物沒有影響[17]。烘干至恒重的目的是防止升溫速率過快或加熱溫度過高使得砂漿發生爆裂。在試驗過程中發現，飽和砂漿試樣在10 ℃/min升溫速率下加熱至600 ℃的過程中發生了爆裂。

(2)氣體滲透性和孔隙率試驗

氣體滲透測試系統采用法國引進的高精度、高密閉性的氣液滲透系統。該儀器主要由圍壓室、高精度伺服圍壓加載系統、氣體傳輸控制系統組成。圍壓加載極限為60 MPa，氣體滲透率測量可達10-22m2。本試驗以惰性氣體氬氣作為滲透介質。經過后期改進升級，在測量滲透率的基礎上，亦可基于注入氣體測量介質有效孔隙率。測試系統的實際操作圖如圖1所示，其簡化原理圖如圖2所示。

圖1 測試系統圖

圖2 簡化原理圖

將砂漿試樣放置于氣體滲透儀的壓力室內，采用防水的橡膠皮套進行套箍束縛，防止圍壓液體滲入，并保證氣體沿一維進行傳輸。圍壓由油泵提供，逐級從3 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa加載至20 MPa，最后再依次卸載至3 MPa。并測量不同圍壓下的氣體滲透率和連通孔隙率。

氣體滲透率測量采用達西定律為基本原理的穩態流方法：

(1)

式中：Kx為氣體滲透系數；Vx=Qx/A,為距離試件進氣端距離x的氣體流速，Qx為距離試件進氣端距離x時的流量，A為試件表面積；μ為氣體黏度系數；P(x)為試樣內氣壓隨試樣高度的變化函數。

該方法為在進氣口通過儲氣罐維持穩定的進氣壓，出氣口為大氣壓。隨著試驗的進行,儲氣罐中的壓力值P1在Δt時間內降低了ΔP1，假定在Δt時間內，滲透的進氣壓平均值P均為緩沖氣罐的均值氣壓P1-P1/2，并根據理想氣體定律，時間Δt內試樣的平均流量Q均為：

(2)

結合公式(1)和(2)，滲透系數的計算公式為：

(3)

式中：h為試樣的高度；P0為大氣壓。

在本研究中，砂漿的孔隙率通過氣體法測量。如圖2所示，試驗前對儀器管路進行體積測量和校正，可得到管路體積V1和V2。試驗過程中記錄管路內壓力變化，直至氣壓達到均勻穩定分布(穩定過程需30 min)。根據波意耳定律，可計算出連通孔隙的體積:

PAV1=PB(V1+V2+Va)

(4)

(5)

式中：Φ為砂漿的孔隙率；PA為體積V1的初始壓力；PB為整個系統穩定后的最終壓力；V1為初始部分導管體積；V2為閥門B右側整個導管與壓力室底座內部通路體積；Va為砂漿內部孔隙體積；V為砂漿體積。

(3)力學試驗

力學試驗使用儀器為ETM系列電子萬能試驗機。試驗機可用于最大壓縮力為300 kN的壓縮、拉伸和三點彎曲等力學試驗。試驗時先將加載壓頭調至試樣表面位置，且無初始壓力，然后由計算機控制加載速度進行加壓，力學試驗加載速率為0.1 mm/min。通過數據采集系統測得加載力與位移。

2 結果與討論

2.1 砂漿的質量損失

圖3為砂漿的質量損失率隨升溫速率及溫度變化的柱狀圖。可以看出同一升溫速率，質量損失率隨著溫度的升高而增大，這是因為砂漿在不同的溫度下會發生不同的物理化學變化。已有文獻[8]表明，60～100 ℃水泥漿體中的自由結合水脫去，低于200 ℃時，水泥漿體中鈣礬石脫水分解，高于400 ℃時，隨著溫度的升高，水泥漿體中Ca(OH)2、C-S-H膠體等水化產物逐漸脫水分解，這與高溫下砂漿質量損失過程大致相同。同一溫度下，升溫速率越快質量損失率越大，但在400 ℃時，升溫速率15 ℃/min的質量損失率略小于10 ℃/min,這是因為升溫速率過快，達到400 ℃時所需要的時間很短，所以導致內部的水化產物不能及時脫水分解。

圖3 砂漿質量損失率

2.2 砂漿氣體滲透率的變化

將飽和后的砂漿經過60 ℃烘干至恒重后，選取一組砂漿作為對照試驗,烘干后的砂漿表觀變化相似，隨著溫度的升高，試樣的顏色由灰白色變為白色。在400 ℃和500 ℃內，升溫速率的增大對試樣表觀無影響，但在600 ℃時，隨著升溫速率的增大，試樣表面開始出現肉眼可見宏觀裂紋。由于升溫速率過快使得砂漿內外產生一定的溫度差，內外膨脹速率不同，導致砂漿表面產生微裂紋等[18]。

圖4是60 ℃砂漿的滲透率與孔隙率隨圍壓變化的關系圖。圍壓加載初期，砂漿的滲透率和孔隙率大幅度下降，在之后加卸載階段兩者變化不大。可以看出，在加卸載階段，滲透率和孔隙率的變化趨勢相似，當圍壓卸載至3 MPa時，滲透率與孔隙率均不能回到初始值。這說明，在較低的溫度下，砂漿的滲透率和孔隙率在加卸載圍壓后均具有不可逆性。

圖4 60 ℃砂漿的滲透率與孔隙率

圖5為3種升溫速率在不同的溫度下砂漿滲透率隨圍壓變化的關系圖。與60 ℃的對照組(圖4)相比，砂漿滲透率增加了2個數量級(15 ℃/min升溫至600 ℃)。當以10 ℃/min、15 ℃/min分別加熱砂漿至500 ℃與600 ℃時，加載3 MPa圍壓下的滲透率較5 ℃/min時的滲透率相比分別提高了20.4%、73.9%與63.6%、88.7%。可以看出，加熱溫度越高，升溫速率對滲透率的影響越大。在400 ℃時，升溫速率從5 ℃/min升高至10 ℃/min時滲透率增加，升溫速率為15 ℃/min時滲透率略有下降，由圖5(a)400 ℃砂漿滲透率的曲線關系圖可以看出，3種升溫速率的滲透率非常相近，這說明了當加熱溫度較低時，升溫速率對砂漿滲透率的影響不明顯。

由圖5可以進一步得出，升溫速率越快，加熱溫度越高，對砂漿滲透率的影響越大，并且在加卸載圍壓的過程中，不可逆性越來越明顯。這種不可逆性主要是在圍壓的作用下，裂縫的閉合和孔隙的壓碎引起的，當圍壓減小時，其孔隙的變形無法完全恢復，并且砂漿在加卸載的過程中經歷了塑性變形。從圖5中可以觀察到，所有損傷后的砂漿，在加卸載圍壓后滲透率均無法恢復到初始值。還可以看出，當圍壓卸載到3 MPa時砂漿的滲透率與圍壓加載到10 MPa時砂漿的滲透率非常接近。為了更詳細地分析不同升溫速率、不同溫度作用后砂漿滲透率對圍壓的敏感程度，現對相對于圍壓的初始值進行歸一化(即K/K3MPa)處理，如圖6所示。

圖5 不同溫度和升溫速率下砂漿滲透率隨圍壓的變化

圖6 不同溫度與升溫速率下砂漿滲透率歸一化

K/K3MPa反映了砂漿滲透率對圍壓的敏感程度，其數值越接近1，表明砂漿受到圍壓的影響越小[18]。由圖6可以看出，當溫度為500 ℃、600 ℃時，10 ℃/min與15 ℃/min作用下的砂漿滲透率對圍壓的敏感程度與5 ℃/min相比略有增大，但3種升溫速率之間差別很小，對圍壓的敏感程度比較相近。例如，在600 ℃下，當圍壓卸載到3 MPa時，K/K3MPa由5 ℃/min的0.529下降至15 ℃/min的0.499。因此，可以認為在同一溫度內，不同升溫速率作用后的砂漿滲透率對圍壓的敏感程度比較相近。在同一升溫速率下，例如5 ℃/min，當圍壓卸載到3 MPa時，K/K3MPa由400 ℃的0.835下降到600 ℃的0.529；在15 ℃/min，當圍壓卸載到3 MPa時，K/K3MPa由400 ℃的0.837下降到600 ℃的0.499。因此，與升溫速率相比，加熱的溫度對砂漿氣體滲透率圍壓敏感性的影響更顯著。同時，升溫速率越快，加熱溫度越高，其氣體滲透性對圍壓更敏感。

砂漿在升溫速率快、加熱溫度高的作用下，其內部的孔結構發生改變，滲透率增大并且對圍壓更加敏感。這主要是因為自由水與結合水的散失以及水化物的分解，會導致孔徑增大和微裂紋產生；膠凝材料和骨料之間不同的膨脹系數差異、材料各向異性造成兩者的交界面產生微裂紋；同時，由于加熱速率不同，砂漿內外產生了一定的溫度差，膨脹速率不同，導致砂漿產生微裂紋。

2.3 砂漿孔隙率的變化

孔隙率是滲透率隨圍壓變化之間的一個重要聯系因素。隨著圍壓的增大，砂漿內部的孔結構或微裂紋被壓實，孔隙率減小，滲透率相應降低。砂漿孔隙率在不同溫度與不同升溫速率下隨圍壓變化的關系如圖7所示。在圖7中，首先可以看出，無論是加熱溫度還是升溫速率均對砂漿孔隙率有影響。與圖4中60 ℃下相比，在加載3 MPa圍壓下，當溫度以15 ℃/min升高至600 ℃時，砂漿的孔隙率由13.58%增加至23.97%，增大了1.77倍；在同一升溫速率下，加熱溫度越高，砂漿孔隙率越大。例如，當升溫速率為15 ℃/min時，在加載3 MPa圍壓下，砂漿孔隙率由400 ℃時的17.63%增加至600 ℃時的23.97%；在同一溫度下，升溫速率越快，砂漿孔隙率越大。例如，當加熱溫度為600 ℃時，在加載3 MPa圍壓下，孔隙率由升溫速率5 ℃/min的22.19%增加至15 ℃/min的23.97%；由此可見，高溫對砂漿孔隙率的影響大于升溫速率的影響。同時升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿孔隙率越大。由圖7(b)和(c)可以看出，砂漿的孔隙率隨圍壓的變化而變化，說明在溫度超過500 ℃時，砂漿內部產生較大的裂紋和孔隙。同時，加熱后的孔隙率對圍壓非常敏感，在加卸載圍壓過程中不可逆。例如，在升溫速率為5 ℃/min時，當圍壓卸載到3 MPa時，此時3種溫度的孔隙率分別僅恢復到加載3 MPa時的98.6%、98.6%和97.7%；在600 ℃時，當圍壓卸載到3 MPa時，此時3種速率的孔隙率分別恢復加載3 MPa時的97.7%、97.5%和97.2%。雖然卸載后的孔隙率與起始孔隙率相差并不大，但測得的滲透率有很大差異，這意味著滲透率對微裂紋的開閉合及孔隙的壓碎更敏感。同時這也表明了，無論使用何種類型的材料(即處理或未處理)，圍壓水平(加載或卸載期間)如何，滲透能力的變化與孔隙率密切相關。現將所有孔隙率與對應下的滲透率進行擬合，如圖8所示。將滲透率表示為一個關于孔隙率的函數，指數擬合效果良好，R2=0.928 9。

圖7 不同溫度和升溫速率下砂漿孔隙率隨圍壓的變化

圖8 滲透率與孔隙率擬合函數曲線圖

2.4 砂漿力學性能的變化

圖9為不同溫度、不同升溫速率砂漿的抗壓強度關系圖。可以看出，隨著溫度的升高，砂漿的抗壓強度逐漸降低，同一溫度下，升溫速率越快，抗壓強度下降越多。與對照組60 ℃相比，當升溫速率為15 ℃/min時，砂漿加熱至400 ℃、500 ℃和600 ℃后的抗壓強度分別降低了34.7%、49.1%和51.7%；當砂漿以不同升溫速率加熱至600 ℃時，與對照組相比，抗壓強度分別降低了45.9%、48.7%和51.7%；可以得出，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿抗壓強度降低的越大。值得注意的是在400 ℃時，升溫速率為15 ℃/min的抗壓強度大于前兩種升溫速率下的抗壓強度。這主要是因為加熱速率過快，升高至400 ℃的時間過短，砂漿受損傷的程度較低。

圖9 砂漿的抗壓強度

3 結 論

(1)當以3種升溫速率分別加熱砂漿至400 ℃、500 ℃、600 ℃時，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿氣體滲透性越大；當以15 ℃/min加熱砂漿至600 ℃時，與60 ℃相比，砂漿氣體滲透性顯著提高，增加了2個數量級。

(2)通過氣體法測得的孔隙率，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿的孔隙率越大。孔隙率由13.58%(對照組)增加至23.97%(15 ℃/min加熱至600 ℃)。

(3)在升溫速率較快、加熱溫度較高的情況下，氣體滲透率對圍壓的敏感性增強。當升溫至600 ℃時，在加卸載圍壓后，砂漿氣體滲透率不可逆的降低。這主要是由于某些裂紋始終保持閉合和某些孔隙最終被壓碎，均無法完全恢復到初始狀態。

(4)孔隙率對圍壓的敏感性與氣體滲透率相比相對較小，但孔隙率對圍壓的敏感性也證實了一些孔隙的不可逆破碎。對于所有處理后的試樣，在所有圍壓下的氣體滲透率和孔隙率之間發現了很好的相關性,這說明滲透能力的變化與孔隙率密切相關。

(5)當以3種升溫速率分別加熱砂漿至400 ℃、500 ℃和600 ℃時，升溫速率越快，加熱溫度越高，砂漿的抗壓強度越低。