谈高温后混凝土耐久性影响因素及试验方法

王中强,刘政怡

(长沙理工大学，湖南 长沙 410004)

我国火灾事故频发,火灾往往导致严重的结构损坏甚至建筑物坍塌[1],给人类造成巨大的生命伤亡和社会资源损失,火灾后建筑物的加固修复也成为当今社会较为关注的问题。混凝土材料在建筑结构中应用广泛,也是高温下受火面积最大的材料。高温后混凝土结构的力学性能研究成果颇丰,混凝土结构失效大多源于耐久性不足[2],耐久性研究正逐渐引起学者重视。高温引起结构抗压强度降低,渗透性增大,导致加固后还未达到设计使用年限的一部分钢筋混凝土结构发生钢筋锈蚀、混凝土性能劣化等现象。了解合理科学的耐久性检测方法和预测模型对火灾后混凝土结构使用安全性能的鉴定与修复至关重要。

1 混凝土高温后残余强度

混凝土强度与其密实度紧密相关,而密实度影响着混凝土结构的耐久性。混凝土在高温(或火灾)后的强度是评价火灾后建筑物结构承载力的重要依据,一个精确的高温后剩余强度公式对火灾后混凝土强度的检测举足轻重,具有研究和应用价值。一般地,混凝土经高温后的力学特性研究表明[3]:在300 ℃～400 ℃之前,混凝土的抗压强度不致因温度受到较大影响;150 ℃～400 ℃的温度范围内,混凝土的抗压强度还很有可能会得到不同程度的增加;400 ℃～800 ℃则被视为抗压强度衰减的主要温度范围。

逄靖华等[4]学者为了得出高温后混凝土残余抗压强度普适性较优的公式,通过高温实验将所得结果与以下具有代表性公式进行对比分析,认为以下公式与其实验所得数据有较高的一致性。

朱伯龙、陆洲导提出如下公式:

(1)

阎继红提出如下公式:

(2)

其中，Ro(T)为T℃时混凝土的残余强度;Ro为常温时混凝土高压强度;D为试件静止时间。

但由于高温后混凝土残余强度受到自身材料差异和实验方法等诸多因素的影响,具体问题还是应具体分析。

为了研究影响高温后混凝土抗压强度的因素,梁爱莉等[5]学者以钙质骨料和硅质骨料为实验研究对象,设计了受热温度、强度等级、高温后静置时间和冷却方式等不同的对比因素进行混凝土高温试验,研究表明:

1)随温度升高,混凝土抗压强度整体呈下降趋势。

2)温度越高,钙质骨料相对硅质骨料的抗热性能的优越性就表现得更加显著。

3)对于两种骨料的混凝土,喷水冷却到达其强度最小值的时间要早于自然冷却[6]。无论在自然冷却情况还是在喷水冷却情况下,在一定的静置时间下,混凝土强度都会出现最小值。

4)一般来说,当加热温度较低(350 ℃以下)时,冷却方式对升温后混凝土强度的影响较小,而当加热温度较高(550 ℃以上)时,升温后混凝土强度受冷却方式的影响较大。

混凝土遭受高温后突然冷却会导致内部结构出现损伤与裂缝,这是因为快速升温降温致使内外温差不均,从而产生温度应力。因此不同冷却方式下其强度或有很大差别,2000年徐彧[7]利用对比实验数据推导了高温后混凝土喷水冷却与自然冷却状态下混凝土的抗压强度表达式:

自然冷却:

(3)

喷水冷却:

(4)

得到火灾后混凝土残余强度的精准值,能使建筑物受损评估和加固修复方案更为严谨有效。1997年贾锋通过实验验证了用回弹法检测高温后混凝土的抗压强度能有效保证其精度和可靠度。2013年陈天红[8]基于超声波法,采用相对波速和相对幅值,并结合损伤动力学理论中所定义的损伤强度D作为评价参数,用不同的函数模型拟合混凝土高温后抗压强度损失率。结果表明,相对波速和损伤度在评价不同类型混凝土高温后抗压强度损失率方面具有普遍意义,但相对振幅不应被作为衡量评估混凝土高温后性能的参数。

2 混凝土高温后渗透性

Mahta教授在1991年举行的一次国际混凝土大会上明确提出钢筋的锈蚀已经成为目前混凝土损毁和破坏最重要的一个根本原因,由于混凝土耐久性衰退导致的资源损耗问题中,钢筋锈蚀造成的损失就占到了40%～55%。早期学者的关注重点集中于混凝土高温后的力学性能,配合比设计时主要的考虑因素是强度指标,往往忽略了材料微观角度。实际上,混凝土耐久性与许多因素密切相关。例如混凝土的孔隙率大小,内部氯离子浓度及抗碳化能力,都主要取决于材料的渗透性能。高温后产生的温度应力会加剧混凝土内部裂缝的发展和孔隙的连通,渗透性提升后,水和腐蚀性介质更容易渗入,进而影响耐久性。所以研究测定混凝土渗透性与耐久性的影响,对高温后混凝土结构鉴定与修复加固大有裨益。

目前国内外常用的渗透性试验方法有三种:1)透气性能试验,如氩气渗透试验。2)透液性能试验,即常用的透水试验。3)离子扩散性能试验，如氯离子扩散试验。

2.1 孔隙率及吸水性

陈晓婷等[9]学者为避免水在实验过程中使水泥继续水化影响试验结果,以纯酒精代替水测量混凝土高温前后孔隙率的变化。研究表明,高温环境会加剧混凝土材料内部裂纹的发展和孔隙贯通,外界的侵蚀性介质更容易进入混凝土内部而影响材料耐久性。证实了孔隙率可以作为评定高温后混凝土耐久性的重要指标。

混凝土材料的力学性能一般在300 ℃～400 ℃高温之后才有较大变化,因此目前高温研究多为300 ℃以上的温度段。姜福香等设计四种不同配合比的混凝土构件,在相对较低的高温下(150 ℃～300 ℃),通过高温前后混凝土吸水性能的变化来揭示其耐久性变化规律。如图1所示,混凝土材料在经受150 ℃高温后,吸水系数迅速增大,耐久性明显降低。试验后学者得出结论,对火灾后混凝土结构进行耐久性评估时,不应只关注其中心温度较高区域而忽略了临近较低高温范围。

2.2 氯离子浓度

混凝土孔隙率在经受高温后逐渐增大,当通过孔隙结构进入钢筋表面的氯离子浓度增加或达到某个数值时,会造成钢筋钝化薄膜的破坏,从而直接引起钢筋的锈蚀、膨胀,最终致使混凝土结构破坏。高润东等[10]学者通过RCM法(快速氯离子迁移系数法,通过侵入深度导出氯离子扩散系数)、电通量法测试高温后混凝土抗氯离子渗透性能并得出结论:温度升高,氯离子渗透性能随之增加, 800 ℃时最为显著。电通量法与RCM法相比,对温度更加敏感,所得数据受温度影响大。因此采用RCM法测定的氯离子迁移系数可以更准确地反映高温对混凝土孔隙结构的影响规律。

2.3 碳化

在现代城市建筑物中,一般大气环境和火灾高温后,引起钢筋锈蚀的主要原因是混凝土碳化。混凝土中的高pH值能使钢筋在其表面生成密实的钝化膜,防止钢筋锈蚀。结构经受高温后内部孔隙率增大,空气中的CO2通过结构裂缝扩散至内部,加速消耗混凝土中的碱性物质,最终导致pH值降低,钢筋脱钝锈蚀。

资伟等[11]利用快速碳化试验研究了不同因素对高温后混凝土抗碳化能力的影响:随着受热温度和时间的增加,碳化深度逐渐加大;高温喷水冷却会使混凝土结构出现因温度骤降而产生的温度应力裂缝,因此喷水冷却的碳化深度通常远超过自然冷却;抗压强度越大,材料密实性越好,侵蚀性介质不易从孔隙通道侵入,混凝土碳化速度相对较慢。

自然冷却:

(5)

喷水冷却:

(6)

(7)

卢明杰[12]在高温试验中发现混凝土加速碳化初期pH值已经下降,但此时喷洒酚酞试液碳化深度不明显,利用火灾后混凝土内部pH值推测残余OH-离子浓度来衡量其抗碳化能力较为准确。

3 结语

1)400 ℃～800 ℃高温后,混凝土的残余强度大幅降低,由于受自身材料及环境等众多因素影响,已有的混凝土高温后残余强度计算公式并不适用于所有情况。超声法以其无损、可靠度高的特点在检测高温后残余强度中得到广泛应用,它的相对波速和损伤度指标具有普适性[13]。

2)混凝土耐久性降低主要是因为各种侵蚀性物质渗入结构内部并发生反应,渗透性能是评价耐久性的一个重要指标。高温后混凝土力学性能与耐久性不构成线性关系,研究其耐久性时不应忽略临近混凝土高温区的较低温区。

3)混凝土耐久性在火灾后建筑物结构修复中逐渐得到重视,建议在高温后耐久性研究中,考虑各种影响因素的相互作用,以获得比单一因素更全面的科研结论。