水利工程高性能混凝土高溫劣化試驗研究

周 歡

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，南寧 530023）

0 前言

高性能混凝土（High Performance Concrete，簡稱“HPC”）因具有強度高、耐久性好等優(yōu)點在建筑行業(yè)得到了廣泛的應用，但是，其脆性易爆裂、耐火性差等缺點也一直是阻礙其發(fā)展的重要原因。近年來，HPC 不僅大量應用于大跨度橋梁、隧道和高層建筑工程，在水庫大壩工程中也得到了廣泛的應用[1，2]。水庫大壩在施工過程和竣工后使用過程均有發(fā)生火災的可能，火災發(fā)生時形成的高溫環(huán)境對混凝土力學性能與耐久性能存在很大的劣化作用[3]。相比于普通混凝土，在火災發(fā)生的高溫環(huán)境下，HPC更容易發(fā)生剝落甚至爆炸現(xiàn)象，給災后救援工作造成很大的不便。與普通混凝相比，HPC則更加密實，其內(nèi)部自由水的散發(fā)與排除也更加困難，這也是其在高溫環(huán)境易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的主要原因。有研究表明[4]，在高溫環(huán)境條件下，HPC內(nèi)部將會與外界形成的蒸汽壓力差，這將會導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的拉伸應力，其應力值可達5 MPa 甚至更大，該應力將會導致HPC 發(fā)生爆炸性剝蝕和脫落。因此，HPC的耐高溫性能是一個值得重視的問題。

目前，針對高溫后混凝土性能變化問題國內(nèi)外學者已有了大量的研究，并取得了一些具有重要意義的成果，但有關高性能混凝土（尤其是可廣泛應用于水庫大壩工程中的C60、C70 高性能混凝土[3]）耐高溫性能的相關研究仍需進一步完善。鑒于此，本文以C60 混凝土為研究對象，對其進行不同溫度和不同冷卻方式（4種不同溫度和2種冷卻方式）的處理后，測試其強度（包括抗壓、劈裂抗拉強度），并采用核磁共振技術測試其微觀孔結構性能。研究結論對高性能混凝土在大跨度橋梁、高層建筑和大壩工程中的應用具有一定的指導和參考意義。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5 級硅酸鹽水泥，其主要性能見表1；粉煤灰：F 類Ⅱ級，45 μm 方孔篩篩余率為28.3%，需水量比為95.0%，燒失量為5.65%；礦粉：S95級，比表面積為435 m2/kg，流動度比為98%，活性指數(shù)（28 d）為97%；采用細度模數(shù)為2.8 的普通河砂，5～20 mm 連續(xù)級配碎石；減水劑采用減水率為28%的高性能減水劑；水為實驗室普通自來水。

表1 水泥物理力學性能

1.2 試驗方法

（1）高溫與冷卻。制作試件的邊長為150 mm×150 mm×150 mm，將其在標準條件下養(yǎng)護至28 d。待試件達到養(yǎng)護齡期對其進行干燥處理（將其置于溫度為105℃±5 ℃環(huán)境中烘干48 h）。將烘干后的試件置于高溫爐中進行高溫試驗，待高溫爐達到相應的設計溫度后恒溫2 h，取出試件，采用不同的冷卻方式對試件進行冷卻處理。高溫試驗溫度設計為常溫對照組（20℃基）、高溫200℃、高溫400℃和高溫600℃4種，采用自然冷卻（NC）和浸水冷卻（WC）兩種冷卻方式對高溫后試件進行冷卻處理。

（2）力學性能測試。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）測試高溫冷卻后的各試驗組混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度值。

（3）微觀孔結構試驗。采用棱長為70.7 mm 的立方體試件，與強度試件在相同條件下養(yǎng)護、處理，高溫完成后對其進行真空飽水，采用多功能核磁共振微結構分析與成像系統(tǒng)（Macro-MR12-150H-I）測試其T2譜分布。

1.3 配合比

以水庫大壩工程中常用的C60高性能混凝土為研究對象，配合比見表2。

表2 C60高性能混凝土配合比kg

2 結果與分析

2.1 劈裂抗拉強度

高溫冷卻后的混凝土劈裂抗拉強度值見圖1。由圖1 可知，與基準組混凝土相比，自然冷卻條件下，經(jīng)歷200℃、400℃和600℃高溫的混凝土劈裂抗拉強度分別降低4.8%、12.0%和19.0%；浸水冷卻條件下混凝土劈裂抗拉強度分別降低4.8%、17.5%和27.0%。浸水冷卻比自然冷卻后強度分別低0%、5.5%和9.8%。200℃高溫冷卻后，劈裂抗拉強度降低幅度較小，且其在自然冷卻和浸水冷卻條件下的差別不大；當溫度大于等于400℃后，劈裂抗拉強度降低幅度明顯增大，且其在浸水冷卻后的降低幅度明顯大于自然冷卻。隨試驗溫度的升高劈裂抗拉強度呈現(xiàn)明顯降低趨勢。

圖1 混凝土劈裂抗拉強度值

2.2 抗壓強度

高溫冷卻后各試驗組混凝土抗壓強度值見圖2。由圖2 可知，與基準組混凝土相比，自然冷卻條件下，經(jīng)歷200℃、400℃和600℃高溫的混凝土抗壓強度分別降低3.4%、10.4%和24.9%；浸水冷卻條件下混凝土抗壓強度分別降低5.7%、17.2%和31.0%。浸水冷卻比自然冷卻后強度分別低2.3%、7.3%和7.5%。結合圖1～2 可以看出，高溫后混凝土的劈裂抗拉強度、抗壓強度變化規(guī)律相似，均隨試驗溫度的升高而降低，當溫度大于200℃后其變化趨勢更為明顯。

圖2 混凝土抗壓強度值

總體來看，高溫試驗后的混凝土試塊的強度在相同恒溫時長的條件下，隨最高恒溫溫度的升高逐漸減小，且高溫后浸水冷卻比自然冷卻對混凝土強度的劣化作用更加明顯。分析認為，當溫度小于200℃時，溫度作用對混凝土微觀結構形貌的影響不明顯[5]，甚至有學者指出100℃左右有利于水化反應的進行[6]，所以當溫度在200℃時，混凝土抗壓強度下降速度稍慢；當溫度大于200℃后，環(huán)境溫度較高會導致自由水蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部自由水的蒸發(fā)導致其密實度不斷降低，孔隙率增大。當溫度大于400℃后，水化硅酸鈣凝膠中結晶水將出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，導致其蒸發(fā)水量明顯增大，混凝土孔隙率進一步增大；另一方面，水化產(chǎn)物也因脫水而破壞分解，水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹明顯加劇，水化產(chǎn)物與骨料間的界面被破壞而黏結強度降低，導致混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度出現(xiàn)明顯降低。此外，試驗發(fā)現(xiàn)高溫后浸水冷卻比自然冷卻對混凝土強度的劣化作用更加明顯，這與孔艷慧[7]研究結論相同，即混凝土高溫后浸水冷卻會導致內(nèi)部微裂紋數(shù)量和體積的增加，其性能的劣化將比常溫冷卻更為明顯。此外，水冷劣化作用隨溫度越高則越明顯，這也與本文的試驗結果相符。

2.3 微觀孔結構

2.3.1 核磁共振原理

NMR 技術將自由水水珠的直徑與弛豫時間相聯(lián)系起來，可以憑借弛豫時間的分布判斷水珠直徑分布規(guī)律，在試驗之前需要對混凝土試件進行真空飽水處理，以達到盡量讓混凝土內(nèi)部孔隙能充滿自由水的目的。混凝土中孔隙水的橫向弛豫時間t2可以表示為[8]：

1/t2≈ρ2S/V（1）

式中：ρ2為表面弛豫強度；S為孔隙表面積；V為孔隙體積。

2.3.2 結果及分析

在自然冷卻條件下，經(jīng)歷不同試驗溫度后的混凝土T2譜特征參數(shù)分別見圖3、表3。

圖3 T2譜分布

由圖3 和表3 可以看出，與常溫下的混凝土相比，經(jīng)歷200℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大1.7%，與常溫下的混凝土差異并不顯著。經(jīng)歷400℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大152.5%，第一峰值峰面積增大122.3%，第二峰值峰面積增大309.6%。經(jīng)歷600℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大224.1%，第一峰值峰面積增大190.7%，第二峰值峰面積增大354.3%。分析認為，當溫度小于200℃時，溫度作用對混凝土微觀結構形貌的影響并不顯著[7]，所以經(jīng)歷200℃高溫冷卻后的混凝土微孔結構的變化不太明顯。當溫度介于200℃～400℃之間時，混凝土脫水為物理脫水，其蒸發(fā)水為混凝土孔隙中的自由水，隨著自由水的逐漸蒸發(fā)，高溫作用對混凝土孔隙結構的劣化作用已較為明顯，主要表現(xiàn)為混凝土T2譜各峰值面積與總峰面積的增大，進而導致其強度降低。當試驗溫度大于400℃后，水化硅酸鈣凝膠中結晶水開始出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，蒸發(fā)水量明顯增大，混凝土孔隙結構明顯劣化，T2譜各峰值面積與總峰面積明顯增加；此外，溫度較高時（大于400℃后）水化產(chǎn)物因脫水而破壞分解，導致水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹明顯加劇，二者之間的界面被破壞，混凝土力學性能出現(xiàn)大幅度下降，這與上述的力學性能測試結果相符。總體來看，與常溫下的混凝土相比，經(jīng)歷高溫后的混凝土T2譜存在明顯的第三峰，隨試驗溫度的增加混凝土T2譜各峰值峰面積與總峰面積呈現(xiàn)增大趨勢，即隨試驗溫度的增加混凝土孔隙結構明顯劣化，混凝土強度隨溫度的升高而降低，當溫度超過400℃后其劣化作用更加明顯。

表3 T2譜特征峰面積

3 結論

（1）隨著試驗溫度的升高，混凝土強度值呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，浸水冷卻后的降低幅度明顯大于自然冷卻。

（2）與常溫下的混凝土相比，經(jīng)歷高溫后的混凝土T2譜存在明顯的第三峰，隨試驗溫度的增加，混凝土T2譜各峰值峰面積與總峰面積呈現(xiàn)增大趨勢，隨試驗溫度的增加混凝土孔隙結構明顯劣化，當溫度超過400℃后其劣化作用更加明顯。