再生混凝土火災(zāi)后殘余力學(xué)性能研究

基金項目：

國家自然科學(xué)基金“均勻和非均勻被動式約束珊瑚混凝土強度及本構(gòu)關(guān)系研究”（編號：52108201）；廣西科技基地與人才專項“被動式約束珊瑚混凝土受力機理研究”（編號：桂科AD22035999）；2023和2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“新型再生透水混凝土性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究”（編號：2023KY1170）、“鋼銑銷纖維增強再生混凝土抗沖擊黏結(jié)性能研究”（編號：2024KY1169）

作者簡介：

胡岳峰（1987—），碩士，高級工程師，研究方向：再生混凝土結(jié)構(gòu)。

摘要：為研究再生混凝土火災(zāi)后的殘余力學(xué)性能，文章設(shè)計完成考慮溫度和再生粗骨料取代率的高溫后單軸壓縮試件，觀測其高溫后的表觀形態(tài)、質(zhì)量燒失、抗壓強度等情況，獲取火災(zāi)后試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：經(jīng)歷高溫后，試件的表觀色澤發(fā)生明顯變化，在400 ℃后試件表觀出現(xiàn)微裂縫，裂縫數(shù)量隨溫度升高而增多，取代率越大，試件表觀損傷現(xiàn)象越嚴重；在200 ℃前，高溫對試件力學(xué)性能影響不大，在200 ℃后，隨著溫度的升高和粗骨料取代率的增加，試件峰值殘余應(yīng)力、彈性模量急劇減小，而質(zhì)量燒失率、峰值應(yīng)變迅速增大；通過回歸分析建立高溫后再生混凝土殘余強度、峰值應(yīng)變、彈性模量計算式和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式，其計算準確性較高。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；火災(zāi)溫度；殘余力學(xué)性能；粗骨料取代率；應(yīng)力-應(yīng)變曲線

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 02 004 5

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展和國家“雙碳”戰(zhàn)略目標推進，城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對混凝土的需求巨大，僅2022年我國混凝土產(chǎn)量約32.9×108 m3，其碳排放量占建筑業(yè)總量的28 %［1］。城市更新中產(chǎn)生大量的建筑固廢和工業(yè)固廢，再生混凝土固廢再利用實現(xiàn)資源可持續(xù)滿足綠色環(huán)保的要求［2］。

火災(zāi)是建筑結(jié)構(gòu)服役期間常見的一種災(zāi)害，評估再生混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后服役性能須研究其殘余受力性能。再生混凝土火災(zāi)后力學(xué)性能會降低已成為共同認知［3］。然而，對其火災(zāi)后力學(xué)性能影響程度，各學(xué)者結(jié)論不同。例如，Zega等［4］稱由于再生骨料的熱膨脹系數(shù)與砂漿相近，減少高溫對界面過渡區(qū)的劣化程度，故而再生混凝土高溫后的殘余力學(xué)性能較普通混凝土好。與此相反，Chen等［5］指出由于再生骨料混凝土內(nèi)孔隙更多，致使再生混凝土在火災(zāi)后的殘余力學(xué)性能比普通混凝土損失更多。有些學(xué)者則認為再生混凝土在火災(zāi)后的殘余力學(xué)性能與普通混凝土并無顯著差異［6］。綜上所述，由于再生骨料的來源不同，其物理性能有差異，各學(xué)者的研究結(jié)果很難量化對比分析。需根據(jù)再生骨料物理性能進行分類，基于不同再生骨料分類對再生混凝土進行火災(zāi)后殘余力學(xué)性能研究［7］。

因此，為豐富再生混凝土火災(zāi)后殘余力學(xué)性能更多數(shù)據(jù)和分析模型，本文根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》［8］第Ⅰ類標準制備再生混凝土，對其火災(zāi)后的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變等殘余力學(xué)性能開展研究，評估溫度、取代率雙參數(shù)的影響，提出適用于第Ⅰ類再生粗骨料制成的再生混凝土火災(zāi)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，可用于揭示再生混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的損傷機理，為再生混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計、服役期現(xiàn)場救援、災(zāi)后評估和加固提供參考。

1 試驗

1.1 配合比

本試驗以某高速公路廢棄混凝土為母材，選用符合《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）［8］的第Ⅰ類再生粗骨料，測得其物理指標如表1所示。

采用細度模數(shù)為2.8的中砂、P.O32.5R水泥、自來水等原材料，以C30普通混凝土為基準設(shè)計再生粗骨料取代率分別為0、50%、100%的三種再生混凝土配合比，如表2所示。采用標準立方體試件，每組不少于3個。

1.2 試驗方法

試件養(yǎng)護28 d后自然靜置兩月，首次稱重后再進行高溫加熱試驗。設(shè)計20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃共5種溫度工況。如圖1所示采用RX3-45-9高溫箱式電阻爐智能溫控系統(tǒng)自動控溫，參照過鎮(zhèn)海［9］的研究方法和胡岳峰［10］有限元熱應(yīng)力仿真結(jié)果，采用10 ℃/min加熱至設(shè)定溫度再恒溫6 h，保持空氣對流自然冷卻12 h至室溫，而后觀測試件表觀形態(tài)，再次進行稱重，最后對高溫后試件進行單軸壓縮試驗，獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系。

2 結(jié)果及分析

2.1 表觀形貌與破壞模態(tài)

圖2呈現(xiàn)了各組試件不同高溫后的表觀形貌，表3給出了高溫后試件表觀裂縫情況。由圖2和表3可見，試件表觀色澤隨溫度的升高經(jīng)歷青灰（20 ℃）-青灰泛黃（200 ℃）-淺紅（400 ℃）-熏黑（600 ℃）-灰白（800 ℃）的變化過程。試件的表觀色澤幾乎不受取代率的影響。當溫度超過400 ℃后，試件表觀開始出現(xiàn)微裂縫，溫度越高，裂紋寬度和長度越大；當溫度達到600 ℃時，試件表觀開始出現(xiàn)脫皮、掉角現(xiàn)象；當溫度達到800 ℃時，試件出現(xiàn)嚴重的掉皮和崩角，甚至出現(xiàn)粉碎性爆裂。在相同溫度時，隨著再生粗骨料取代率的提高，試件表觀裂紋數(shù)量越多、裂紋擴展面越大。分析原因是高溫使試件內(nèi)部水分被蒸發(fā)，引起混凝土基體發(fā)生收縮變形。此外，骨料和砂漿的熱工性能差異致使砂漿基體與骨料變形不一致，進一步產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋擴展。

圖3～4呈現(xiàn)試件的典型抗壓破壞模態(tài)。由圖3～4可見，再生混凝土高溫后的破壞模態(tài)與普通混凝土并無顯著區(qū)別，均呈現(xiàn)為正倒相連的四角錐形破壞。但隨著溫度的提高，試件的局部剝落更嚴重，同時還會出現(xiàn)骨料破壞的現(xiàn)象。此外，隨著再生粗骨料取代率的提高，破壞時的碎裂程度更嚴重。以上可作為再生混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后損傷評估定量判斷的參考。

2.2 質(zhì)量燒失率

按式（1）計算得到各組試件高溫前后的質(zhì)量燒失率結(jié)果如下頁圖5所示。由圖5可知，隨著溫度和取代率的升高，試件質(zhì)量燒失率逐漸變大。200 ℃時，試件的質(zhì)量損失主要是由自由蒸發(fā)而導(dǎo)致的，因此試件質(zhì)量燒失速率較快；在200 ℃到600 ℃之間，試件的質(zhì)量損失的主因則是結(jié)合水的蒸發(fā)，因此試件質(zhì)量燒失速率相對200 ℃減緩；600 ℃后，試件表皮剝落、碎裂則是試件質(zhì)量損失的主因，因此試件質(zhì)量燒失速率加快。總體上取代率越大的試件質(zhì)量燒失率越大，其原因是再生骨料比天然骨料有更大的吸水率，在試件內(nèi)部存儲有更多的自由水。

msh=ms-mhnsh=msh/ms

（1）

式中：msh——試件高溫后損失質(zhì)量即燒失量；

nsh——高溫后的燒失率；

ms——烘干質(zhì)量；

mh——高溫后質(zhì)量。

2.3 峰值應(yīng)力

圖6呈現(xiàn)了高溫后再生混凝土峰值應(yīng)力隨溫度和取代率的變化規(guī)律。由圖6可知，隨著溫度的提高，高溫后再生混凝土峰值應(yīng)力逐漸減小，且峰值應(yīng)力減小速率也隨溫度的升高而變大。相同溫度時，高溫后再生混凝土殘余峰值應(yīng)力均隨取代率的提高而減小，但峰值應(yīng)力減小幅度與溫度高低無關(guān)，這與蘇益聲［11］等學(xué)者的計算結(jié)果略有不同。經(jīng)歷200 ℃高溫后，不同取代率再生混凝土峰值應(yīng)力下降幅度在10%以內(nèi)；經(jīng)歷400 ℃和600 ℃高溫后，峰值應(yīng)力下降幅度分別高達30%和60%，峰值下降幅度比吳波［12］等學(xué)者的計算結(jié)果更大。基于試驗數(shù)據(jù)分析得到再生混凝土高溫后峰值應(yīng)力（殘余抗壓強度）計算公式如下：

RC0：fTc=-4.901×10-5T2+0.002T+30.521

RC50：fTc=-3.539×10-5T2-0.004T+25.902

RC100：fTc=-1.918×10-5T2+0.012T+21.781

（20 ℃≤T≤800 ℃）

（2）

圖6給出式（2）的計算值與試驗值的對比情況。由圖6可知，式（2）可以很好地預(yù)測經(jīng)歷不同高溫后的不同取代率再生混凝土的殘余強度。

2.4 峰值應(yīng)變

圖7呈現(xiàn)了高溫后再生混凝土峰值應(yīng)變隨溫度和取代率的變化規(guī)律。由圖7可知，隨著溫度的提高，高溫后再生混凝土峰值應(yīng)變呈現(xiàn)增大的趨勢，在20 ℃到400 ℃之間，峰值應(yīng)變的增幅速率較小；當溫度超過400 ℃后，峰值應(yīng)力的增幅速率急速上升。相同溫度時，高溫后再生混凝土峰值應(yīng)變相對增幅小于普通混凝土。經(jīng)歷400 ℃高溫后，再生混凝土峰值應(yīng)變相對增幅在40%以內(nèi)；經(jīng)歷600 ℃高溫后，峰值應(yīng)變相比增幅可高達250%。基于試驗數(shù)據(jù)分析得到再生混凝土高溫后峰值應(yīng)變計算公式如下：

RC0：εTc=3.421×10-5T2-0.008T+2.438

RC50：εTc=5.327×10-5T2-0.018T+4.073

RC100：εTc=6.002×10-5T2-0.019T+4.276

（20 ℃≤T≤600 ℃）

（3）

圖7給出式（3）的計算值與試驗值的對比情況。由圖7可知，式（3）可以較好地預(yù)測經(jīng)歷不同高溫后的不同取代率再生混凝土的峰值應(yīng)變。

2.5 彈性模量

由圖8可知，以200 ℃為分界，隨溫度的提高，試件彈性模量先增大后減小，隨著取代率的提高，試件彈性模量也逐漸下降。經(jīng)歷400 ℃和600 ℃高溫后，彈性模量下降幅度的速率逐漸減小。基于試驗數(shù)據(jù)分析得到再生混凝土高溫后彈性模量（應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段中40%峰值應(yīng)力點對應(yīng)的割線模量）計算公式如下：

RC0：Ec，T=-2.527×10-6T2-0.002T+3.126

RC50：Ec，T=-2.791×10-6T2-9.14×10-4T+2.392

RC100：Ec，T=-3.055×10-6T2-6.702×10-4T+2.303

（20 ℃≤T≤800 ℃）

（4）

圖8給出式（4）的計算值與試驗值的對比情況。由圖8可知，式（4）能基本預(yù)測經(jīng)歷不同高溫后的不同取代率再生混凝土的彈性模量。

3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

經(jīng)歷不同溫度相同取代率和經(jīng)歷相同溫度不同取代率試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖9和圖10所示。由圖9～10可知，由于初始損傷及高溫惡化作用，隨著溫度的提高，曲線逐漸趨于平緩，上升段和下降段斜率絕對值逐漸減小，峰值應(yīng)力點逐漸向下向后移動。以200 ℃為分界，200 ℃前，高溫溫度對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響較小；200 ℃后，高溫溫度的影響較大。隨著取代率的增大，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線也呈現(xiàn)出與隨高溫溫度提高相似的變化規(guī)律。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

將各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線歸一化后可知再生混凝土高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土具有相近的幾何特征，因此本文采用過鎮(zhèn)海普通混凝土受壓本構(gòu)方程：

y=σT/fTc=ax+（3-2a）x2+（a-2）x3

y=σT/fTc=x/b（x-1）2+x

0≤x=εTc/εTP≤1

x=εTc/εTP＞1

（5）

使用本文試驗數(shù)據(jù)按式（5）進行擬合得到各組試件的參數(shù)a和b的值如表4所示。隨著火災(zāi)溫度的升高和再生粗骨料取代率的增加，a值逐漸減小、b值逐步增大，說明其材料脆性逐漸變大、延性逐步變差。這表明參數(shù)a和b的取值與火災(zāi)溫度和取代率直接相關(guān)，經(jīng)數(shù)據(jù)回歸分析得到參數(shù)a和b與高溫溫度和取代率的關(guān)系式：

a=-0.517 5β-0.001 32T+1.766 48

b=1.717 5β+0.003 37T+0.549 7

（0%≤β≤100%，20 ℃≤T≤800 ℃）

（6）

聯(lián)合本構(gòu)方程（5）、a和b擬合方程（6）就可以計算出不同取代率再生混凝土經(jīng)歷不同高溫溫度后的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線，再結(jié)合峰值應(yīng)力計算方程（2）和峰值應(yīng)變計算方程（3）就可以將歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線還原為真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖11～13給出了部分試件的計算曲線與試驗曲線的對比情況。由圖11～13可知，相同取代率再生混凝土在不同溫度擬合曲線與試驗曲線吻合，可見本文的模型能較好地吻合試驗曲線，可供再生混凝土結(jié)構(gòu)工程的抗火設(shè)計參考。

4 結(jié)語

（1）隨著火災(zāi)溫度的升高，再生混凝土試件表觀色澤經(jīng)歷從青灰到灰白的變化過程，在400 ℃后出現(xiàn)微裂縫，裂縫面積隨溫度升高而擴大，800 ℃試件出現(xiàn)爆裂。取代率越大，試件表觀損傷越嚴重。

（2）隨著火災(zāi)溫度的升高和取代率的加大，再生混凝土試件殘余峰值應(yīng)力和彈性模量急劇減小，而平均質(zhì)量燒失率和峰值應(yīng)變則迅速增大。200 ℃是再生混凝土高溫后殘余力學(xué)性能的轉(zhuǎn)折點，200 ℃之前對力學(xué)性能影響不大，200 ℃之后力學(xué)性能急劇下降。

（3）建立了高溫后再生混凝土殘余強度、峰值應(yīng)變、彈性模量計算式和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式，各公式計算結(jié)果與試驗值吻合較好。

參考文獻

［1］楊海濤，練鑫晟，柳 苗，等.混凝土全壽命周期固碳技術(shù)研究進展［J/OL］.材料導(dǎo)報，2024-04-06：1-15.

［2］弓扶元，曹萬林，王棟民，等.工業(yè)與建筑固廢高效利用混凝土及其工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2024，33（1）：1-18.

［3］肖建莊.再生混凝土［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［4］Zega Claudiojavier，Di Maio Angelantonio.Recycled concrete made with different natural coarse aggregates exposed to high temperature［J］. Construction and BuildingMaterials，2009，23（5）：2 047-2 052.

［5］Chen Gm，He Yh，Yang H，Chen Jf，Guo Yc.Compressive behavior of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete after exposure to elevated temperatures［J］. Construction and Building Materials，2014（71）：1-15.

［6］Vieira Jpb，Correia Jr，de Brito J.Post-fire residual mechanical properties of concrete made with recycled concrete coarse aggregates［J］. Cement and Concrete Research，2011，41（5）：533-541.

［7］王發(fā)靜，王新杰，朱平華，等.粗骨料取代率對機制砂再生混凝土高溫性能的影響［J/OL］.硅酸鹽通報，2024-04-06：1-12.

［8］GB/T 25177-2010，混凝土用再生粗骨料［S］.

［9］過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理和分析［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［10］胡岳峰.再生粗骨料混凝土高溫后受壓本構(gòu)曲線試驗研究及有限元熱傳導(dǎo)分析［D］.南寧：廣西大學(xué)，2012.

［11］蘇益聲，孟二從，陳宗平，等.高溫后再生混凝土三軸受壓本構(gòu)關(guān)系［J］.建筑材料學(xué)報，2015，18（6）：946-952.

［12］吳 波，伍茜蘭，郭富康.摻有花崗巖風(fēng)化殘積土的再生塊體/骨料混凝土常溫及高溫后受壓性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2023，44（3）：247-256.