砂浆抹灰层对混凝土耐高温性能的影响

刘炽豪,吴 波,陈嘉健,吴沛林,王 健

(1.佛山科学技术学院 土木工程系,广东 佛山 528200;2. 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510000;3. 香港大学 土木工程系,香港 999077;4. 中山大学 土木工程学院,广东 广州 510000)

据应急管理部消防救援局报道,2020年全国接报火灾共25.2万起,全国平均每两至三分钟就有一起火灾发生[1],频发的火灾事故令混凝土结构耐高温性能的研究愈益迫切。为探索混凝土结构的耐高温性能,学者们开展了一系列的研究,发现混凝土结构在高温下产生性能劣化的主要原因有:混凝土内部蒸气压[2-5]、温度应力[2,6-7]、水化产物热分解[8-10]以及外加荷载耦合作用[7,11]。关于混凝土结构的耐高温性能研究目前已经相对充足,混凝土自身因高温导致的劣化理论也已经相对成熟,然而过往研究中普遍只考虑混凝土结构基体因高温导致的性能劣化,而并未考虑抹灰层对混凝土的保护作用。在房屋建筑中,混凝土表面通常会采用抹面砂浆进行抹灰。在实际火灾中,混凝土结构表面的砂浆抹灰层会在一定程度上起保护作用,然而目前关于抹灰层对混凝土结构耐高温性能提升作用的研究甚少,因此有必要探讨抹灰层对混凝土耐高温性能的影响。

1 试验

1.1 混凝土试样制备

1.1.1 混凝土材料

1)水泥:海螺普通硅酸盐42.5等级水泥。

2)砂:佛山产地河砂。

3)粗骨料:粒径10～30 mm的石灰岩。

4)减水剂:聚羧酸液态减水剂。

1.1.2 混凝土制备及养护

混凝土材料配合比见表1,水灰质量比为0.34。混凝土试样为100 mm标准件,试样一次性浇筑于模内并放置振动台上振捣均匀。在浇筑的过程中取3个混凝土试样,并在其试样中心及某一棱线中点预埋热电偶。待试样室温放置24 h成型后拆模,浸泡于水箱中养护28 d。

表1 混凝土材料配合比

依次在混凝土试样的6个面上进行抹灰,抹灰砂浆按照JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》[12]推荐的M20强度等级水泥砂浆配制。抹灰层的厚度分别为0 mm(M0组)、10 mm(M10组)以及20 mm(M20组)。

1.2 耐高温试验

耐高温试验采用上海喆钛机械制造有限公司生产的一体式电阻炉,电阻炉的额定功率为12 kW、额定温度为1 050 ℃。待试样养护完毕后,放置电阻炉中,当炉膛升温(升温速率10 ℃/min)至目标温度(200、400、600和800 ℃)后恒温1 h。随后关闭电阻炉并取出试样,待试样冷却至室温后去除试样表面的抹灰层并观察表面裂缝,称质量计算混凝土试样的剩余质量比率。

1.3 超声波脉冲速度试验

超声波脉冲速度试验采用智博联ZBL-U510型非金属超声波检测仪,通过对测的方式测定混凝土试样的超声波脉冲速度,试验规范采用CECS 02—2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》。

1.4 红外温升试验

采用德图865型红外热像仪拍摄高温后混凝土的红外热像,用红外线灯泡作为外加热源,检测时试样与外加热源的距离为200 mm。试样开始加热及加热2 min时各拍摄一张红外热像,通过分析、处理红外热像得出不同加热温度下试样的红外温升。

1.5 抗压强度试验

抗压强度试验按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行,加载速度为0.5 MPa/s,加载至试样最终破坏,并记录最终加载值。

1.6 红外光谱试验

为终止混凝土碎片的水化反应,试验采用无水乙醇浸泡混凝土碎片3 d。浸泡完毕,将混凝土碎片置于干燥箱中烘干(加热温度为40 ℃)至恒质量,并研磨过74 μm筛。红外光谱仪采用天津港东科技公司生产的FTIR-650型傅里叶变换红外光谱仪,分辨率为4.0 cm-1,扫描波数为400～4 000 cm-1。试验采用KBr压片法。

2 结果与讨论

2.1 外观形貌

混凝土试样加热后的外观形貌见图1。由图1可知:当温度达到400 ℃时,M0组开始产生裂缝;当温度达到600 ℃时,M10与M20组才开始产生裂缝,同时试样顶点发生破碎,并且在相同温度下抹灰层厚度与混凝土试样开裂的程度呈负相关。高温会导致混凝土试样的开裂,甚至会导致粗骨料的裸露、剥落,除此之外,高温还会导致粗骨料的颜色由灰黑色转变为灰白色。

图1 混凝土试样加热后外观形貌

2.2 剩余质量比率

混凝土试样加热后剩余质量比率见表2。由表2可发现:混凝土剩余质量主要受目标温度控制[13],当温度<400 ℃时,质量损失主要来自自由水的蒸发以及小部分的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶结合水蒸发;当温度≥400 ℃时,质量损失则主要来自C-S-H凝胶、Ca(OH)2以及CaCO3高温分解[14]。混凝土剩余质量除了受温度影响也受抹灰层的厚度影响,相同温度下混凝土剩余质量随抹灰层的厚度增大而增大。

表2 混凝土试样加热后剩余质量比率

2.3 耐高温试验实测温度

图2为在800 ℃耐高温试验过程中混凝土试样表面与中心点实测温度曲线。由图2可知:由于混凝土的导热效应,混凝土试样中心点与表面的温差在加热过程中最高可达280 ℃,在降温过程中温差最高可达260 ℃。这是因为混凝土自身的导热系数会影响其各点的升温以及降温,同时混凝土试样表面的抹灰层厚度也会影响其各点的升温以及降温。随着抹灰层厚度的增大,混凝土试样表面与中心点温度曲线愈趋平缓,除此以外,试样表面与中心点的最高温度也随着抹灰层厚度的增大而降低。

图2 混凝土试样表面与中心点温度变化曲线

2.4 超声波脉冲速度

混凝土试样加热后测得的超声波脉冲速度结果见表3。混凝土试样经历高温后测得的超声波脉冲速度变化规律与剩余质量比率变化规律类似,混凝土试样的超声波脉冲速度会随着温度的上升而降低[15-16]。超声波脉冲速度的下降表明高温会导致混凝土试样内部产生微损伤或裂缝,这是由加热过程中产生孔隙蒸气压以及水化产物的热分解导致的。除此以外,混凝土试样在自然冷却的过程中,由于存在较大的温度梯度,试样内部会承受较大的温度应力,从而进一步促使裂缝发展。

由表3可知:在相同温度下,混凝土试样的超声波脉冲速度会随着砂浆抹灰层厚度的增大而增大,说明抹灰层在升温以及降温的过程中可以延缓混凝土的损伤或裂缝产生。由图2也同样能看出:抹灰层越厚,试样的峰值温度就越小,抹灰层一方面降低了峰值温度,另一方面使得试样升温以及降温的曲线变缓,因此抹灰层可有效缓解混凝土试样的高温劣化。

表3 混凝土试样加热后超声波脉冲速度

2.5 红外温升

红外热像检测作为一种无损检测手段,可以较好地检测出混凝土表面开裂的位置以及开裂程度[17]。除此以外,更有学者指出可以利用红外热像法测得混凝土表面红外温升,并建立红外温升与抗压强度之间的关系,最终实现混凝土高温强度预测[18-19]。经历高温后混凝土表面会出现不同程度的裂缝,最终体现为特定热源、照射距离以及照射时间下混凝土表面红外温升会随着耐高温试验加热温度的增大而增大。因此,本次试验除了利用超声波脉冲速度评价混凝土的裂缝发展程度,还利用红外温升评价混凝土的劣化程度。

混凝土试样加热后红外温升见表4,红外热像见图3。由于混凝土在耐高温试验中会产生一系列的微裂缝,因此在相同热源照射下,试验加热温度越高混凝土表面的红外温升越大。由表4与图3可知:温度≤400 ℃的混凝土试样表面红外温升增大速度较慢,而温度≥600 ℃的混凝土试样表面红外温升增大速度较快。

由表4与图3还可知:温度和抹灰层厚度均会在一定程度上改变混凝土的红外温升。混凝土的红外温升随着抹灰层厚度的增大而减小,这是因为抹灰层降低了混凝土的峰值温度与升温、降温速率,最终延缓混凝土试样的裂缝产生。

表4 混凝土试样加热后红外温升

图3 混凝土试样加热后红外热像

2.6 抗压强度

Karakurt等[20]通过试验发现混凝土抗压强度随着温度上升而持续下降,当加热温度<450 ℃时混凝土抗压强度损失并不明显,当加热温度≥450 ℃时混凝土抗压强度下降明显。周骏等[21]指出混凝土在经历高温后易开裂失效。Uysal等[22]与Roufael等[23]均指出混凝土抗压强度在400 ℃之前无明显变化,当温度超过400 ℃时混凝土抗压强度明显下降。对加热后的混凝土试样进行抗压强度试验,结果见表5。由表5可知：试验现象与上述学者们的结论基本一致，混凝土试样的抗压强度随着温度上升持续下降,当温度<400 ℃时M0抗压强度下降较为平缓,当温度≥400 ℃时M0抗压强度明显下降,当温度达到600 ℃时,M0组抗压强度仅为常温时的52.9%。

表5 混凝土试样加热后抗压强度

除了加热温度会影响混凝土的抗压强度,抹灰层也可以改变混凝土加热后的抗压强度。卫安豹[24]通过有限元分析指出抹灰层可以阻隔外部能量的输入,延缓钢筋混凝土柱温度上升并降低柱体强度损失。刘阳等[25]通过分析试验数据指出与无抹灰层混凝土试块相比,带抹灰层混凝土试块抗压强度较高。由表5还可知:当温度<400 ℃时抹灰层厚度对混凝土抗压强度影响并不明显;而当温度≥400 ℃时抹灰层厚度对延缓混凝土高温劣化作用明显;当温度达到600 ℃时M10和M20组的抗压强度较M0组的分别高23.65%和50.94%;当温度达到800 ℃时M10和M20组的抗压强度较M0组的分别高46.72%和161.63%。试验结果表明,抹灰层可以降低混凝土的热损伤,符合过往学者的结论。

通过分析超声波脉冲速度以及红外温升变化可知,抹灰层能延缓因高温导致的混凝土裂缝发展,混凝土试样经历高温后的抗压强度也相应随着抹灰层厚度的增大而上升,这表明抹灰层在一定程度上可以延缓混凝土因高温产生裂缝导致的混凝土抗压强度损失。

通过表5回归分析拟合得出相关系数R2=0.955的混凝土试样耐高温试验后的抗压强度与加热温度、抹灰层厚度的关系式,如式(1)所示。

(1)

式中:t1为加热温度,℃;t2为抹灰层厚度,mm;y为耐高温试验后的抗压强度,MPa。

由回归分析可知,混凝土抹灰层厚度、加热温度和抗压强度的相关性较高,可为混凝土火灾后的抗压强度损失预测提供参考。

2.7 红外光谱分析

在耐高温试验中混凝土抗压强度随着目标温度的上升而下降,主要影响因素为:混凝土内部蒸气压、温度应力以及水化产物的分解。为探究高温对水泥水化产物的影响,试验选取不同温度下的M0碎片进行傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析,结果见图4。图4中984、680和452 cm-1分别为Si—O(C-S-H凝胶)平面内弯曲振动峰、Al—O—Si振动峰以及Si—O平面内弯曲振动峰;3 436 cm-1和1 648 cm-1均为C-S-H凝胶结合水的特征峰[26-27]。由图4可知:当温度<400 ℃时,5个特征峰强度除了1 648 cm-1以外均没有发生明显的劣化;当温度≥400 ℃时,所有特征峰强度均随着温度的上升而下降。这表明当温度<400 ℃时,C-S-H凝胶保持相对稳定的状态;当温度≥400 ℃时,C-S-H凝胶的稳定性下降并开始发生热分解。

图4 不同温度下混凝土试样FT-IR光谱

由图4还可知:C-S-H凝胶在温度<400 ℃时保持非常稳定的状态,并未出现明显的特征峰下降,然而混凝土在温度<400 ℃时强度已经出现劣化,这表明混凝土在温度<400 ℃时发生劣化的主要原因并非水化产物的热分解,而是由于高温蒸气压和温度应力引起的裂缝发展;当温度≥400 ℃时,C-S-H凝胶开始大量脱水并发生热分解,导致C-S-H凝胶的稳定性被破坏,对混凝土试样的抗压强度产生不良影响。随着C-S-H凝胶的热分解,混凝土试样的裂缝发展程度增大,具体体现为红外温升的上升以及超声波脉冲速度的持续下降,最终导致混凝土试样的抗压强度急剧下降。

3 结论

1)混凝土试样在400 ℃以下并不会产生明显裂缝;当炉膛温度超过600 ℃时,混凝土试样会产生相对明显的裂缝,而开裂程度随着抹灰层厚度的增大而减小。

2)在温度<400 ℃时,C-S-H凝胶保持相对稳定的状态;当温度≥400 ℃时,C-S-H凝胶的稳定性下降,并开始发生热分解。

3)混凝土在经历不同目标温度的耐高温试验后均出现了劣化,当温度达到600 ℃时,混凝土抗压强度仅常温时抗压强度的52.9%。

4)在耐高温试验中,抹灰层可以有效降低混凝土的峰值温度以及升温、降温速率,延缓因高温蒸气压、温度应力以及C-S-H凝胶热分解导致的抗压强度劣化。

5)通过数据拟合可以发现,混凝土试样抗压强度与加热温度、抹灰层厚度之间具有高相关性(R2=0.955),可为混凝土结构或构件的火灾后抗压强度预测提供参考。

6)在温度<400 ℃时,抹灰层对混凝土抗压强度的影响并不显著；当温度≥400 ℃时,抹灰层能显著延缓高温环境下的抗压强度下降。在温度为600 ℃时,M10和M20组的抗压强度分别比M0组的高23.65%和50.94%;在温度为800 ℃时,分别比M0组的高46.72%和161.63%。

7)由于抹灰层在高温条件下可以在一定程度上缓解因高温导致的热损伤,因此,关于混凝土建筑结构的耐高温研究与设计应该考虑抹灰层的保护作用,不宜单纯考虑混凝土基体的耐高温性能。

致谢

本工作受到佛山智慧型海洋与陆地工程技术研发中心的支持。在此致以衷心的感谢!