高温作用后混凝土损伤与耐久性能评价

王海龙，俞秋佳，孙晓燕，陈柯星

(浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058)

高温是造成混凝土材料损伤的重要因素之一.高温作用不仅引起混凝土强度损失和刚度降低，而且使混凝土的耐久性能降低.实际工程中，对混凝土结构形成高温作用的情况有以下两类:一类是混凝土长期遭受温度相对较低的高温作用，例如，冶金和化工企业中的高温车间，在高温辐射作用下，结构表面可以达到200℃左右高温;另一类是混凝土突然遭受火灾等高温灾害，导致其表面温度短时间内迅速升高.虽然混凝土结构耐火性能优于木结构和钢结构，但较长时间暴露于火灾等高温环境中时，其损伤不可忽略.而且高温作用下混凝土的组成成分会发生显著的变化，进而改变其密实度和孔隙率，宏观上不仅引起混凝土的强度和刚度的降低，还会造成其耐久性能损失.多数学者研究［1-4］认为:200℃左右时，混凝土抗压强度比常温下有所上升;400℃左右时，抗压强度开始衰减;400～800℃为强度损失的主要温度段，其中400～600℃为强度降低最快温度段.对于耐久性能的损失，当前研究［5-7］一致认为，混凝土孔隙率与渗透率随温度升高而增大.但现有成果还缺乏完整的高温下混凝土耐久性损伤规律的研究，也没有统一的耐久性评价指标.

对于高温引起的混凝土结构问题的处理，绝大部分加固措施只考虑强度要求，而忽略耐久性的要求，这无法保证处理后结构性能的长期稳定.因此，本研究设定5个温度值，通过测定高温作用下混凝土剩余强度和氯离子迁移系数，研究高温引起的混凝土强度损失和耐久性损伤规律，探索利用超声这一无损检测方法来评价高温作用后混凝土的损伤，并创新性建立超声指标变化与灾后混凝土耐久性能的对应关系，以期为火灾现场混凝土的无损检测、快捷评定提供可靠依据.

1 试验

1.1 原材料

水泥采用三狮牌P.O.42.5R普通硅酸盐水泥;细集料采用天然河砂(中砂);粗集料采用5～20 mm连续级配的碎石;水采用普通自来水.

1.2 试件配合比

试验选用设计强度为C30的普通强度混凝土，混凝土各组分质量比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(粗骨料)=1.00 ∶0.49 ∶1.36 ∶2.70.成型规格为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件与Φ100 mm×160 mm的圆柱体试件，养护至28 d后进行试验，28 d的立方体抗压强度实测值为36.2 MPa.

1.3 试验方法

试件浇筑24 h后拆模，浇水养护28 d，将每个圆柱体切割为3个直径为100 mm、高50 mm试件，之后将其置于通风干燥处7 d，置于烘箱中，105℃干燥24 h，防止试件在高温试验中爆裂.

高温试验采用符合GB/T 9978—1999《建筑构件耐火试验方法》规定的电阻炉，最高可升温至1 300℃.试验设置5个温度等级为200，400，500，600，800℃.试验时发现当温度达到500℃时，混凝土试件较易发生爆裂，因此当温度不大于400℃时升温速率为5.0℃·min-1，当温度高于400℃时，升温速率为2.5℃·min-1.升温至设定温度后，恒温1 h，然后停止加热，自然冷却至室温.

高温作用后的立方体试件每组3个，根据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》规定，采用对测法，测定超声波在立方体中的传播速度.超声设备采用周期 0.4 μs，发射脉宽 0.04 ms.每个试件以 5 点测值的算术平均值作为试件混凝土中超声传播时间tu的测量结果，以不大于1 mm的误差，沿超声传播方向测量试件各边长，取平均值作为传播距离L.计算波速，并取3个试件测值的平均值作为数据，然后测定试件的抗压强度.

高温作用后的圆柱体试件每组3个，根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》规定，采用RCM法，测定混凝土非稳态氯离子迁移系数DRCM，以3个试样的测值平均值作为氯离子迁移系数测定值.

2 结果与分析

2.1 试验现象

加热过程中，炉口始终有水汽出现，400℃左右时，水汽最多，混凝土内部水分的蒸发达到最盛.当达到800℃时，1个试件爆裂，有别于文献［1］中指出的高温下混凝土频繁爆裂现象，可见较小尺寸和干燥处理可以有效地防止试件爆裂.高温作用后的试件颜色有明显变化:400℃前，试件颜色几乎没有变化;400～600℃，颜色逐渐变红，呈暗粉红色;达到800℃时，试件呈现白色.达到600℃左右时，试件表面出现肉眼可见的裂纹，并随温度升高数量增多.

2.2 高温作用后物理力学性能

高温作用后混凝土抗压强度、氯离子迁移系数和超声波传播速度如表1所示.

由表1知:相对较低高温(200℃左右)作用下，随着温度升高，混凝土强度略有上升;400℃时，试件强度相比常温下才有所下降;400～800℃时，混凝土强度随温度升高而迅速下降;800℃时，混凝土强度为15.6 MPa，较常温下降低56.9%，但仍有一定的承载能力.随着温度的升高，混凝土中氯离子(Cl-)的迁移系数呈上升趋势，达到800℃时，Cl-基本贯穿直径为100 mm，高50 mm试件，渗透深度达到了试件的厚度50 mm，说明此时混凝土的抗Cl-渗透能力基本上完全丧失.随着温度升高，混凝土损伤加重，声波在混凝土中传播速度降低，并近似呈线性变化.主要是因为超声波在混凝土中传播速度不仅与孔隙率有关，也与混凝土含水率有关;200℃时，混凝土内部水分大量蒸发，内部孔洞明晰，因此声速损失较大，而混凝土强度因为混凝土内含水率的下降和水泥的进一步水化而略有增加.

表1 高温作用后混凝土的强度、氯离子迁移系数及超声波速

2.3 高温作用后混凝土的损伤评价

混凝土中声波的传播速度与混凝土密实度紧密相关，混凝土中微裂纹越多，超声波在其中传播受到的阻碍越多，声速越小.因此，可以根据声速变化来表征混凝土损伤程度.不同温度作用后混凝土中超声波的传播速度如表1所示.根据文献［8］，当声速高于4 m·s-1时混凝土的损伤程度较低，当声速低于3 m·s-1时混凝土的损伤程度很高，当声速介于3～4 m·s-1时混凝土损伤程度中等.由表1知:随着温度升高，声速降低，低于200℃时，混凝土损伤程度较低;高于500℃时，混凝土损伤程度较高.

2.4 混凝土强度变化机理与剩余强度评价

2.4.1 高温作用后混凝土的相对剩余强度

高温作用后，混凝土的相对剩余强度f/f0(高温作用后混凝土抗压强度f与常温下混凝土抗压强度f0的比)变化规律如图1所示(横坐标t为温度).由图1可知:200℃时，相对剩余强度略大于100%，其余温度点混凝土的相对剩余强度均小于100%，即当环境温度大于400℃时混凝土中产生损伤，在800℃时，混凝土的相对剩余强度为43.1%，仍具有一定的承载能力，剩余强度变化趋势与文献［1］的研究结果一致.

根据图1，对于非火灾引起的高温环境，如冶金和化工企业中的高温车间或者烟囱，混凝土强度几乎不会降低或者降低很少，甚至可能有所提高.而对于处于火灾等高温下的混凝土，根据ISO 0834标准火灾升温曲线公式为

式中:te为暴露时间，min;tg0为初始温度，℃;若假设初始温度为20℃，则短短几分钟内混凝土表面受火温度就可以达到500℃以上.由图1可知，即使短时间内火被扑灭，高温损伤引起的强度损失不可忽视.

图1 高温下混凝土的相对剩余强度

2.4.2 强度损失机理

混凝土的受火温度低于200℃左右时，毛细孔和凝胶孔中的自由水不断蒸发，虽然内部孔洞逐渐清晰明显，但是对混凝土的强度并没有产生太多不利影响;而且，相对较低的高温有利于水泥的水化［9］，水泥水化的主要产物为 C—S—H 凝胶和Ca(OH)2晶体，这两大产物支撑了混凝土中水泥石的强度，从而使混凝土的强度得到一定的增长.随着温度继续升高，C—S—H凝胶在300℃左右开始分解，并脱去部分化合水和结晶水;400～500℃时大量分解，致使结构松散，并且温度急剧升高所致的温度应力与蒸汽压力也使混凝土中的微裂纹不断生长，因此混凝土强度迅速下降［10］.此外，Ca(OH)2晶体在400℃左右少量分解，碳化，500℃左右大量分解.因此，达到500℃以上时，混凝土强度继续下降.升温至800℃时，C—S—H凝胶和Ca(OH)2晶体几乎完全分解，此时主要依靠粗骨料以及碳化作用形成的CaCO3支撑起混凝土强度.

2.4.3 强度损失与超声波速关系

超声波在混凝土中传播速度主要取决于混凝土的密实度，因此其与混凝土的强度有一定相关性.考虑消除试验批次、强度等级和材料性质等差异，本研究采用不同温度下混凝土变量(强度、迁移系数和声速)与常温的相对比值作为研究变量.图2为混凝土相对剩余强度f/f0与相对声速v/v0之间的关系曲线.由图2知:可以通过超声波测试，利用下式评价高温作用后混凝土的剩余强度:

式中:v为超声波在高温受损混凝土中的传播速度;v0为超声波在未受损混凝土中传播速度;f为受损混凝土强度;f0为未受损混凝土强度.

图2 相对剩余强度与相对声速的关系

2.5 高温作用后混凝土的耐久性损伤

2.5.1 氯离子渗透系数

高温作用后的混凝土中相对Cl-迁移系数D/D0与温度t的相互关系如图3所示.由图3可知:高温作用后，混凝土中氯离子渗透能力随温度升高而升高，且当温度达到800℃时急剧上升，此时混凝土的抗渗性能基本丧失.

图3 高温下混凝土的相对Cl-迁移系数

2.5.2 耐久性损失机理

高温作用下混凝土的力学损伤和化学损伤是造成其耐久性损失的主要因素.力学损伤是由温度应力与蒸汽压力作用引起的混凝土材料结构发生退化:高温作用下，混凝土试件由外到内温度的升高存在梯度，伴随温度梯度而产生的热应力使混凝土内部产生微裂纹，增大混凝土的孔隙率，降低其抗氯离子渗透性能，且该应力随升温速率的增大而增大，严重时可能引起混凝土的爆裂;另一方面，随着温度升高，混凝土内部的自由水和部分脱离晶体的结晶水形成蒸汽向外逸出，若蒸汽为致密的硬化水泥浆所包围，就会形成蒸汽压，在其他损伤共同作用下，小范围内蒸汽压力使混凝土结构疏松，大范围内蒸汽压力可能会引起混凝土的爆裂.当环境温度在200℃左右时，虽然混凝土进一步水化造成混凝土强度升高，但是应力作用带来力学损伤成为混凝土耐久性退化的主要原因.化学损伤是由混凝土材料高温分解而引起.如2.1中所述，温度达到300℃以上时，构成水泥石的主要物质 C—S—H凝胶和Ca(OH)2晶体相继脱水分解，原本被晶体填充的部分变成孔隙，孔隙率迅速增大，致使结构松散，混凝土耐久性能不断降低.

2.5.3 高温损伤与混凝土超声波速的关系

图4为高温下混凝土相对Cl-迁移系数D/D0与相对声速v/v0之间的关系.

图4 相对Cl-迁移系数与相对声速的关系

由图4知:随温度升高，相对声速下降较为缓慢，近似呈线性变化，而氯离子渗透系数随温度升高而急剧上升，因此，可用如下公式反映氯离子渗透性与声波变化之间的规律:

式中:D为受损混凝土Cl-迁移系数;D0为未受损混凝土Cl-迁移系数.由图4知:公式结果与试验结果间有很强的相关性，因此实际工程中可利用声波测试结果反映火灾后混凝土的耐久性能变化规律.

比较图2和图4可发现:混凝土强度变化规律与耐久性及声波传播速度的变化规律略有不同，200℃时混凝土强度略有提升，然后随温度升高而迅速下降，但是混凝土耐久性损失与声速损失随温度升高而不断增大.因此，高温作用后混凝土性能评价和修复处理不能单纯地以强度作为衡量指标，要综合考虑高温作用后混凝土耐久性能.

3 结论

1)受高温作用的混凝土，在常温至400℃间，混凝土抗压强度无明显降低，200℃时强度有一定程度升高;在400～800℃间，强度随温度升高迅速降低.

2)受高温作用的混凝土，随温度升高，其耐久性能持续降低，降速随温度升高而加快.800℃时，虽然混凝土仍具有一定的剩余强度但是耐久性已完全丧失.

3)高温作用后，混凝土的性能评价与修复需要综合考虑材料的强度和耐久性能指标.

4)超声波在混凝土中传播速度随温度升高而降低，大致呈线性变化，与混凝土剩余强度和耐久性能变化有较强相关性，可根据现场声速检测结果来评价混凝土的损伤程度、剩余强度与耐久性能.

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