冷却方式对高温后玄武岩纤维混凝土静态力学性能的影响

宋世兴 SONG Shi-xing

（中铁二十五局集团第二工程有限公司，南京 210033）

0 引言

纤维混凝土因可通过添加不同纤维的方式达到改变混凝土的各方面的性能而被广泛应用于当代混凝土建筑与结构中[1]。其中，玄武岩纤维（Basalt Fiber，简称BF）混凝土因具有热稳定性好、弹性模量高、强度高、耐腐蚀性好等特点而被频繁应用于建筑的防火设计中[2]。当代建筑不可避免的面临火灾风险。火灾发生时，火焰灼烧产生的高达400~600℃的高温严重威胁着混凝土结构建筑的安全稳定性，研究高温对混凝土的影响对火灾救援及灾后评估具有重要意义[3]。研究表明，高温对混凝土的力学性能具有显著的影响，并且这种影响与混凝土的组分及加热方式有一定的联系[4]。在实际火灾救援过程中，受到火焰灼烧的混凝土不可避免的会与救援过程中所使用的水及其他快速降温灭火材料有一定的接触，受灭火材料的影响，受到火焰灼烧的混凝土表面温度会快速下降。尽管高温后混凝土力学性能的问题得到了足够的重视[5]，并得到了丰富的成果，然而，这些研究多是针对于加热温度及加热方式对混凝土材料力学性能的影响，而对于受高温影响的混凝土材料在冷却过程中力学性能的变化却没有得到充分的研究，对于冷却方式对高温后混凝土材料力学性能的影响需要进一步探索。本文对经过不同温度等级高温处理的BF混凝土进行不同冷却方式（自然冷却/水中冷却）的处理，利用TWD-2000液压机对冷却后的BF混凝土进行无侧限静态压缩实验，探索冷却方式对高温后BF混凝土的静态力学特性的影响。

1 实验概况

1.1 实验方案

C30混凝土被广泛应用于桥梁、建筑等工程实践中，本文选择C30混凝土及以C30混凝土为标准的高性能BF混凝土为研究对象。为了探索冷却方式对高温后BF混凝土静态力学性能的影响，对经过不同冷却方式（自然冷却/水中冷却）和不同温度高温（200℃、400℃、600℃、800℃）处理后的BF混凝土进行准静态力学性能测试实验，为了便于对比，设置了相同工况下的C30普通混凝土的静态力学性能测试实验作为对照组。

1.2 试件加工

参考相关规范及文献[6]中给出的C30混凝土的配合比（表1和表2）及制作方法，配置C30普通混凝土及C30BF混凝土。根据规范要求，对初步制作的混凝土试块进行取芯、切割、打磨处理[7]，进一步加工成Ø75mm×100mm圆柱体试件，加工过程如图1所示。

表1 C30普通混凝土配合比 （单位：kg/m3）

表2 C30BF混凝土配合比 （单位：kg/m3）

图1 混凝土试件加工过程

1.3 混凝土试件的高温处理

为了确保试件在高温处理过程中均匀受热，利用xw7L-12型陶瓷马弗炉对C30普通混凝土试件及C30BF混凝土试件进行高温加热处理。设置升温速率为0.5℃/min，参考文献[8]设置目标温度为200℃、400℃、600℃、800℃，达到目标温度后，恒温保存2h并对加热后的试件进行不同方式的冷却（自然冷却/水中冷却）处理。

2 结果与分析

不同冷却方式下高温后C30普通混凝土及BF混凝土静态强度变化情况如图2、图3所示。从图2可以看出，温度和冷却方式均对BF混凝土的强度存在较大的影响，可以分成两个温度变化阶段观察温度对BF混凝土强度的影响：在由常温加热至200℃时，BF混凝土的强度随着加热温度等级的提升而不断增大，即高温对强度产生强化作用；从200℃开始，BF混凝土的强度开始随着加热温度等级的提升而不断减小，即高温对强度产生劣化作用。以上规律与邵蔚等[9]进行的高温后沙漠砂混凝土力学性能实验的现象相一致。通过与相同条件下高温后C30普通混凝土的静态变化情况进行对比可以看出，尽管添加玄武岩纤维无法避免高温对混凝土强度的劣化作用，但是添加玄武岩纤维缓解了混凝土试件在高温影响下的强度劣化现象，如在同等自然冷却条件下，加热温度等级为400℃的BF混凝土的强度为34.6MPa，相对于常温条件下的强度下降了7.73%，而相同条件下的C30普通混凝土的强度下降了24.12%。

图2 不同冷却方式下高温后BF混凝土静态强度变化情况

图3 不同冷却方式下高温后C30普通混凝土静态强度变化情况

除了温度的影响，冷却方式同样对BF混凝土的强度有明显的影响，通过对比不同冷却方式下高温后BF强度的变化情况，水中冷却条件下的BF混凝土强度与温度等级呈负相关关系，与自然冷却的情况相比，并没有出现加热温度对试件强度“强化”的现象。此以外，相同加热温度等级下，水冷条件下BF混凝土的强度劣化的速率是大于自然冷却条件下的，如在自然冷却条件下，加热温度等级为400℃的BF混凝土的强度为34.6MPa，相对于常温条件下的强度下降了7.73%，而相同加热等级水中冷却的玄武岩试件的强度相对于常温条件下的强度下降了39.27%。以上现象可以通过温度差[10]的相关理论进行解释，高温加热后的混凝土试件外表面遇水后发生急速冷却，混凝土的内部和外部存在明显的热程差，试件内外部在冷却过程中的体积缩小程度和速率不一致，导致试件内部孔隙、骨料间隙、裂纹的发育与扩张，进而影响混凝土试件的强度。此外，高温加热条件后的混凝土试件遇水后会发生的二次水化反应同样会加剧混凝土试件强度的劣化。

不同工况下BF混凝土试件静态实验破坏形态如图4、图5所示。从图4可以看出，在静态荷载作用下，不同加热温度等级下的试件的破坏方式并不完全相同：未经温度处理的试件在无侧限约束静态荷载作用下先产生“V”型裂纹，后发生裂纹的连接与贯通直至破坏；高温加热后的试件在相同加载条件下开始出现剪切破坏的特征，并且随着加热温度等级的提升，逐渐出现劈裂破坏的特征；加热温度等级800℃条件下，试件破坏情况加剧，仅残留锥形破坏面。除此以外，试件的破坏后颗粒形态表现出了明显的温度效应，随着加热温度等级的提升，试件破坏后碎块大小不断减小，碎块数量不断增加。

图4 自然冷却条件下高温后BF混凝土静态压缩实验破坏形态

图5 水中冷却条件下高温后BF混凝土静态压缩实验破坏形态

相对于自然冷却条件，水中冷却条件下高温后BF混凝土试件的破坏形态（图5）表现出更为明显的温度效应，除此以外，破坏形式较为统一，基本以劈裂破坏为主。除此以外，不同冷却方式下BF混凝土破坏程度和裂纹扩展方式也有明显区别：在自然冷却条件下，试件的破坏主要由持续发育的微裂纹和骨料间隙相互贯通造成；在水中冷却条件下，出现了较为明显的外表面局部剥落现象，随着荷载的增加，剥落区域不断扩大，直至与内部持续发育的裂隙贯通进而导致试件的最终破坏。联系不同冷却条件下高温后BF混凝土试件静态强度变化特征，内外热程差仍然是造成该现象的主要原因，在水中冷却条件下，试件外表面的冷却速度远高于试件内部，试件内外部的热程差造成不均匀的体积收缩变化，进而导致外表面的剥落及试件的失稳。

3 结语

①温度和冷却方式均对高温后BF混凝土的强度存在较大的影响，水中冷却条件下的BF混凝土强度与温度等级呈负相关关系，与自然冷却的情况相比，并没有出现加热温度对试件强度“强化”的现象。在相同条件下，水冷条件下BF混凝土的强度劣化的速率大于自然冷却条件下的BF混凝土强度劣化的速率。

②在无侧限静态荷载作用下，随着加热温度等级的提升，自然冷却条件下BF混凝土试件破坏后碎块大小不断减小，碎块数量不断增加。水中冷却条件下高温后BF混凝土试件的破坏形式较为统一，基本以劈裂破坏为主，破坏后碎块大小及数量相对于自然冷却的情况具有更明显的温度效应。