不同冷却方式下蒸压轻质混凝土高温劣化损伤试验研究

李龙钰， 马芹永*， 袁璞， 王静峰， 沈万玉

(1.安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 232001； 2. 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心， 淮南 232001；3.合肥工业大学土木与水利工程学院， 合肥 230009； 4. 安徽富煌钢构股份有限公司， 合肥 238076)

现如今，建筑能耗占比随着社会经济增长而日益升高，因此节能建材的创新工作愈加受到关注[1]。建筑结构发生火灾时建筑材料会受到严重损伤，故要求建筑材料具有良好的隔热耐火性能。Ramagiri等[2]研究发现随着处理温度升高，混凝土强度损失更大。超声波法是一种无损检测方式，可用于诊断火灾后混凝土内部损伤情况。龚建清等[3]利用超声参数精准评估高温后混凝土的损伤度，发现内部损伤随温度提升增多，抗压强度损失率增大。万胜武等[4]研究表明，混凝土残余强度随加热温度升高而降低；冷水冷却时，混凝土的化学反应和内部裂缝发展更复杂，强度退化也更复杂。郑钰涛等[5]发现伴随温度提升，喷水冷却试件质量损失比自然冷却试件质量损失小，纵波波速、抗压强度均降低，峰值应变明显增加，弹性降低，温度超过400 ℃，喷水冷却试件的降低幅度更大。张磊[6]研究发现当外界环境导致材料劣化时，会在破坏过程中释放出一定的能量。

蒸压轻质混凝土(autoclaved lightweight concrete，ALC)是一种用于建筑非承重内墙板的一种新型建材，具有节能、环保、耐火、造价低、质轻等优点，故主要研究ALC试件在火灾高温下的劣化损伤。吸水性影响ALC抗渗透能力、施工性能及裂缝延展。刘庆等[7]研究表明，随着温度升高,混凝土抗毛细吸水性能下降,喷水冷却后使得试块毛细吸水能力显著增大。Hager等[8]研究发现高温使得混凝土性能劣化严重，耐久性下降，内部损伤增大，抗渗透性能下降。

《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)[9]对火灾延续时间给出规定:对于非承重墙体材料的耐火极限为1 h。由于燃烧物种类不同、建筑物的密闭性、燃烧过程中可燃物及氧气供给的减少，建筑火灾温度一般处于200～800 ℃。因此将ALC试件在不同温度(100、200、300、400、500、600、700、800 ℃)下恒温处理1 h，通过自然冷却和喷淋冷却两种方式冷却到室温，进行超声无损检测试验、静态力学性能试验、毛细吸水试验，探讨温度、冷却方式对其质量损失率、纵波波速、抗压强度、弹性模量、应力应变关系、能量耗散、毛细吸水性的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验原材料选用安徽富煌钢构公司提供的ALC板材，其强度等级为A3.5，干密度级别为B05，干密度不超过525 kg/m3，导热系数不超过0.14 W/(m·K)。

1.2 试件制作

试验仪器为取芯机、切割机、双面打磨机、SX-5-12 箱式电阻炉、NM-4A非金属声波检测仪、WDW-100型微机控制电子万能试验机。对ALC板材进行取芯、切割处理成Ф50 mm×100 mm的圆柱体试件(Ф为直径)。打磨试件表面，误差不超过±2 mm，两端水平角度误差小于等于0.25°。

1.3 试验方法

将取芯后的混凝土试件置于(105±5) ℃的烘箱中24 h，将烘干后的试件置于(20±1) ℃、相对湿度(60±5)%的环境中24 h，测定试件质量后进行高温试验，对照组为常温20 ℃。高温试验在SX-5-12 箱式电阻炉中进行，每10 min记一次温度，得到其升温曲线。达到设计温度(100、200、300、400、500、600、700、800 ℃)后恒温处理1 h。然后将部分试块取出通过水管喷淋冷却到室温，另一部分试块自然冷却到室温后取出。

称得试验处理后试件质量，计算质量损失率。采用NM-4A非金属声波检测仪进行超声无损检测，通过计算得到纵波波速。采用量程为1 000 kN的万能试验机，进行ALC静态力学性能试验，加载速度取为0.1 kN/s，分析抗压强度变化、应力应变关系、弹性模量变化及能量耗散等。

按照HygrothermalPerformanceofBuildingMaterialsandProducts-DeterminationofWaterAbsorptionCoefficientbyPartialImmersion(ISO 15148)[10]进行试验，用石蜡密封试件, 保证水分在试件内一维迁移，将密封好的试件放入电热鼓风箱中烘干, 取出冷却至室温后称重, 精确到0.1 g。将试件放入水温为(20±1) ℃的恒温水槽中，加水至距离试件顶部5 mm处，并在吸水7 d 时取出，擦干试件吸水面并称重。计算得到最大毛细吸水量，用以描述混凝土的毛细吸水性。

2 结果与分析

2.1 试件表观现象

不同冷却方式下ALC高温后表观形貌如图1所示。对于自然冷却试件，表面无裂纹起皮，20～100 ℃时，试件表面为浅青色；200～400 ℃时，试件变灰白色；500～700 ℃时，试件变灰黄色；800 ℃时，试件外观呈灰黄色。对于喷淋冷却试件，刚从电阻

图1 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的表观形貌Fig.1 Apparent morphology of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

炉中取出的试件通过水管喷淋降温时，有明显的“滋滋”声，并有白色烟雾散发，ALC试件变成浅粉色，冷却至室温后变为青灰色。400 ℃处理后的试件表面有微小裂隙产生，600 ℃处理后试件经过喷淋冷却后表面有微小裂隙，而800 ℃处理后试件表面有微小裂隙蔓延，此时喷淋冷却对经过高温处理后的试件产生了二次损伤。

2.2 试件质量损失

试件的质量损失率如图2所示。300 ℃前随着温度升高，结构部分疏松，自由水蒸发，质量损失增长较快；300～400 ℃，结合水部分散失，质量损失速度减慢；400～600 ℃时结合水大量散失，质量损失增加；600～800 ℃时因为混凝土内部的CaCO3在高温下分解成CaO和CO2，CO2气体逸出导致质量损失。对于喷淋冷却试件，经冷却处理并自然通风晾干后，300 ℃前其质量损失明显小于自然冷却的试件，是因为自由水蒸发导致的细微孔隙里被水分重新填充；300～400 ℃，结合水部分散失，质量损失速度增加；400～500 ℃时质量不减反增，因为水与高温处理后的试件发生化合反应，产生如Ca(OH)2等结晶体，弥补了部分高温加热时的质量损失；600～800 ℃时，大部分的水化产物已经分解，重新补充在混凝土空隙里的水分大多已被蒸发，导致质量下降速度加快，与自然冷却试件的质量损失差距减小。

图2 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的质量损失率Fig.2 Mass loss rate of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.3 试件纵波波速

当混凝土的高温损伤较小时,非线性超声检测对高温损伤更敏感,可用来评估高温损伤特性[11]。不同温度、不同冷却方式处理后试件的纵波波速变化如图3所示。

可以看出，300 ℃前，高温作用使得试件内部水分蒸发，结构变密实，纵波波速逐渐增加；300～500 ℃，混凝土内部达到使水泥石中起骨架作用的晶体发生脱水分解反应的温度，进一步促进裂缝的产生和扩展，结构致密性下降，声波通过混凝土时被发射吸收，纵波波速降低，喷淋冷却相对于自然冷却使得试件内部膨胀而外部受冷急剧收缩，导致内外变形相差较多，严重加剧内部裂纹扩展，纵波波速下降更明显；600～800 ℃，较高温度足以引起混凝土内部水化物发生脱水分解而导致结构松散，纵波波速继续下降，冷却方式造成的影响逐渐减小。

图3 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的纵波波速Fig.3 Longitudinal wave velocity of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.4 力学性能指标

2.4.1 抗压强度相对值

为了更直观地反映不同温度与冷却方式对ALC力学性能的影响程度，对试验结果进行量纲归一化处理，通过将不同温度与冷却方式下的ALC力学性能与基准组力学性能对比分析，ALC抗压强度的量纲归一化处理结果如图4所示。

对于自然冷却试件，在200 ℃前，高温处理使得热量传递过程中对混凝土内部未水化完全的水泥熟料有促进水化作用，从而导致强度有少许提高；300～700 ℃由于ALC内部水分蒸发导致混凝土收缩开裂并形成大量的毛细裂缝，ALC承受压力时应力处集中分布，使ALC抗压强度近似于线性降低，700 ℃时降至61%；700～800 ℃时，混凝土抗压强度降低幅度减缓，此时ALC内部未达到使水化物分解的温度，内外温差引起裂纹延展，导致强度损失，800 ℃时，抗压强度降至56%。对于喷淋冷却试件，在300 ℃前，喷淋水分促进混凝土内部未水化完全的水泥熟料发生水化，从而导致强度有少许提高；300～600 ℃喷淋冷却使试块内部膨胀而外部受冷急剧收缩，内外温差过大，严重加剧材料内部裂纹扩展，比自然冷却导致ALC强度下降幅度大，600 ℃时降至64%。600～800 ℃喷淋冷却试件较自然冷却试件强度损失大些，但随着受热温度的增加，温度的影响逐渐减小。

图4 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的抗压强度相对值Fig.4 Relative value of compressive strength of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.4.2 弹性模量

依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[12]，混凝土弹性模量的计算公式为

Ec=(Fa-F0)Ln/(AΔn)

(1)

式(1)中：Ec为混凝土弹性模量；Fa为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载；F0表示应力为 0.5 MPa时的初始荷载Ln为测量表距；A为试件承压面积；Δn为从F0加荷到Fa时试件的变形差。

如图5所示，随着温度升高，两种冷却方式处理后试件的弹性模量均呈降低趋势。300 ℃作用前，喷淋冷却试件的弹性模量大于自然冷却试件，此时试件与喷淋水分反应，弥补了部分的高温损伤。作用温度大于300 ℃时，喷淋水分对试件造成二次损伤，ALC内外温差较大，ALC产生更多微裂纹，喷淋冷却试件的弹性模量较自然冷却试件更小，且差距随着温度提升而增大。然而温度对ALC试件性能影响远大于冷却方式的影响。700 ℃时，喷淋冷却试件的弹性模量与自然冷却试件相差仅4.07%，800 ℃时两种冷却方式处理后ALC的弹性模量仅相差4.04%。

图5 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的弹性模量Fig.5 Elastic modulus of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.5 应力-应变曲线分析

不同温度与冷却方式下ALC的应力-应变曲线如图6所示，可以分为压密阶段、弹塑性阶段、破坏阶段、残余阶段。

温度不高于300 ℃时，应力-应变曲线与常温时较为相似，喷淋冷却试件相对于自然冷却试件的峰值应变较小，弹塑性阶段斜率较高，弹性较好；300 ℃高温后，试件所受高温损伤逐渐加剧，应力-应变曲线形状随温度提升逐渐扁平，峰值应变增加，弹性模量降低，峰值点向右下方移动，喷淋冷却试件相对于自然冷却试件峰值应变更大，应力-应变曲线形状更加扁平，延性与韧性较高。

图6 不同温度下两种冷却方式处理后的 ALC的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

(1)OA压密阶段：该阶段ALC试件逐渐压密，应力-应变曲线相对平缓，试件内部微裂纹被压实。ALC试件的斜率随着温度升高减小，喷淋冷却试件相对于自然冷却试件的斜率较小，峰值应变总体增大。

(2)AB弹塑性阶段：从压密阶段结束到 70%～80%破坏荷载时ALC处于弹塑性阶段。该阶段应力-应变近似呈线性关系，其内部裂纹稳定发育、扩展。ALC试件的斜率随着温度升高减小，喷淋冷却试件相对于自然冷却试件的斜率较大，峰值应变总体增大。

(3)BC破坏阶段：当施加轴向荷载增大至80%～100%破坏荷载时，ALC试件裂缝逐渐扩展并形成贯通裂缝，该阶段应变增加，应力下降。

(4)CD残余阶段：不同温度与冷却方式下ALC应力-应变曲线下降段拐点之后，随着应变增加，应力逐渐减小，ALC的残余应力约为峰值应力的20%～40%。

2.6 能量耗散

作为一种轻质多孔混凝土，蒸压轻质混凝土的吸能能力很好，其变形破坏过程伴随着能量的积聚和耗散。如图7所示，在加载的过程中，假设与外界的热交换忽略不计，压力机对蒸压轻质混凝土试件所做的功为材料吸收的总能量为U，弹性变形阶段存储的可释放弹性应变能为Ue，内部损伤及塑性变形耗散的能量为Ud,由热力学第一定律可得

U=Ud+Ue

(2)

峰值点弹性应变能代表了ALC的储能极限，反映了ALC抵抗破坏的能力，将弹性能耗比K定义为耗散能与弹性应变能之比，来反映ALC受力变形破坏全过程中储能与耗能比例关系，可表示为[13]

(3)

如图8所示，100 ℃前，ALC被压密实，微裂纹闭合，初始变形较小，峰值弹性能耗比缓慢增长；100～200 ℃，自由水蒸发，微裂缝减少，ALC内部损伤度降低，弹性应变能提高，峰值弹性能耗比降低。200～800 ℃，高温使得混凝土内部损伤逐渐增大，内部裂缝产生并不断延展到表面，能量大量耗散，峰值弹性能耗比提高，自然冷却试件峰值弹性能耗比近似于线性增长，对于喷淋冷却试件，200～500 ℃，因为外部经受高温作用后，喷淋的水分对试件造成了二次损伤，内外温差也产生了大量微裂缝，使得峰值弹性能耗比较自然冷却试件增长速度提升约15%。500～800 ℃，高温对ALC已造成较大的影响，冷却方式影响程度逐渐减小。

σ为应力，MPa；ε为应变；Ue为单位试块所储存的可释放弹性应变能，kPa；Ud为为单位试块耗散能，kPa；Ei为卸载弹性模量，MPa；σi为主应力，MPa；εi为主应力方向上的应变图7 能量耗散分析Fig.7 Energy dissipation analysis

图8 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的峰值弹性能耗比Fig.8 Peak elastic energy consumption ratio of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

2.7 毛细吸水性

经试验处理后ALC试件的最大毛细吸水量与温度、冷却方式的关系分别如图9所示。对于自然冷却试件，在400 ℃前，水分蒸发，ALC内部变密实，结构未受到太大损伤，最大毛细吸水量增长缓慢；400～600 ℃阶段，高温使得ALC试件脱水收缩，内部有许多无法排出的蒸汽压力，试件发生胀裂，微裂纹增多，ALC性能降低，损伤大幅增加，最大毛细吸水量增长迅速；600～800 ℃阶段，水泥浆体受热分解，结合水大量蒸发，形成了额外的空隙，大部分的水化产物已经分解，游离出去的部分CaO与水蒸气结合再次生成Ca(OH)2晶体，导致混凝土内体积增大，更加变密实，但同时微裂纹延展，骨料与基体之间的胶结作用降低，损伤进一步加大，最大毛细吸水量继续提高，但增速降低。

图9 不同温度下两种冷却方式处理后的ALC的最大毛细吸水量Fig.9 Maximum capillary water absorption of ALC treated by two cooling methods at different temperatures

对于喷淋冷却后的试件，300 ℃前，喷淋的水分在ALC内部降温明显，并形成水膜，使得ALC内部损伤较自然冷却试件小，毛细吸水性变化不大；300～700 ℃阶段，喷淋冷却对试件造成了二次损伤，产生较多的微裂缝，致使相较自然冷却试件，其最大毛细吸水量大幅增加，不同冷却方式对ALC毛细吸水性能影响较大；700～800 ℃阶段，高温使得试件内部产生较大损伤，各项性能下降明显，不同冷却方式对ALC造成的影响逐渐降低。

3 结论

通过对不同冷却方式下ALC试件进行试验研究及机理分析，得出如下结论。

(1)对于自然冷却试件，随着温度增加，质量损失近似于线性增长。对于喷淋冷却试件，300 ℃前其质量损失明显小于自然冷却的试件；300～400 ℃，结合水部分散失，质量损失速度增加；400～500 ℃时质量增加；600～800 ℃时质量下降速度加快。

(2)对于自然冷却试件，温度提升，水分蒸发，微裂缝增多，损伤增大，纵波波速、抗压强度、弹性模量逐渐降低，应力-应变曲线逐渐变扁平，峰值应变不断增大，毛细吸水性能提高。

(3)对于喷淋冷却试件，300 ℃前因为喷淋水分填充到因高温引起的微裂缝中，其纵波波速、抗压强度、弹性模量略有提高；300～700 ℃，喷淋冷却造成的二次损伤使得纵波波速、抗压强度、弹性模量大幅降低；700～800 ℃时，不同冷却方式对ALC造成的影响逐渐降低，纵波波速、抗压强度、弹性模量降低，但降幅有所减小。