麻江峰

（山西省水利水電科學研究院 山西太原 030002）

現(xiàn)階段，我國水利建筑行業(yè)發(fā)展迅速，混凝土的用量越來越大，其所必需原材料的消耗量也越來越多。由于一些因素造成火災頻繁發(fā)生，混凝土建筑物遭受高溫的幾率也隨之增大，混凝土高溫性能研究尚處于初步探索階段。本文擬對C40混凝土試件進行常溫及高溫（300～700℃）灼燒，在自然環(huán)境中冷卻至室溫時，測定其高溫前后的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度、彈性模量，并描述和分析研究其力學性能的變化。本文選用的機制砂是將天然巖石經(jīng)機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風化巖的顆粒；水泥使用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；粗集料使用粒徑為5～20mm連續(xù)級配的碎石；外加劑使用高效減水劑。

1 試驗原材料檢測

本試驗參考中華人民共和國水利行業(yè)標準《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）來進行混凝土原材料的選擇并進行配合比設計。

（1）水泥作為混凝土中最主要的水硬性膠凝材料，與水拌和形成的水泥漿具有凝結(jié)硬化作用。水泥漿體在混凝土初凝前起潤滑作用，而使得混凝土拌和物具有一定的流動性、粘聚性和保水性，以滿足施工要求。在混凝土硬化后起膠結(jié)作用，將粗細骨料膠結(jié)成一個整體而使混凝土具有一定的強度。本次水泥使用山西華潤生產(chǎn)的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1所示。

表1 水泥物理性能指標

（2）混凝土中的集料在混凝土中起骨架作用，故又稱為骨料。相比水泥凈漿凝結(jié)硬化而成的水泥石，骨料的摻入使得混凝土具有更高的體積穩(wěn)定性和更好的耐久性能，還可以在一定程度上起到減少水泥水化熱及干縮的作用。因為砂石骨料比水泥便宜很多，所以大大降低了混凝土的成本，具有很好的經(jīng)濟效益?；炷凉橇戏譃榇止橇虾图毠橇?。粗集料通常為碎石和卵石。粗集料使用山西昔陽生產(chǎn)的粒徑為5～20mm連續(xù)級配的碎石，主要性能見表2所示。

細骨料包括天然砂和機制砂。細骨料使用山西長治生產(chǎn)的機制砂，主要性能指標見表3。

（3）在配制混凝土時，根據(jù)需要加入適宜的礦物摻和料，不僅可以改善新拌混凝土的和易性，而且可以提高硬化后混凝土的物理力學性能和耐久性能等。同時用礦物摻和料替代部分水泥，還可降低混凝土的成本。摻合料為粉煤灰，II級粉煤灰，其28 d活性指數(shù)為76%。

（4）混凝土外加劑是一種在拌制混凝土時摻入的，摻量一般不大于水泥質(zhì)量的5%（特殊情況除外），用以改善混凝土性能的化學物質(zhì)。外加劑的摻量雖少，但能顯著改善混凝土某些方面的性能，技術(shù)經(jīng)濟效果明顯，在現(xiàn)代混凝土工程中的應用越來越普遍，已成為當前配制混凝土所必需的組分。外加劑使用山西萬榮桑穆斯高效減水劑，減水率為1.15%。

（5）水是配制混凝土必需的原材料之一。水質(zhì)的好壞不僅影響混凝土的凝結(jié)和硬化，還會影響混凝土的強度和耐久性，并可能造成混凝土中鋼筋的銹蝕。混凝土拌和用水應符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）的規(guī)定。本試驗中混凝土拌和及養(yǎng)護所用的水為太原自來水，各項指標均符合規(guī)范規(guī)定。

表2 粗骨料物理性能指標

表3 細骨料物理性能指標

2 試驗設備

水泥所用設備：水泥凈漿攪拌機、電腦全自動恒應力水泥壓力試驗機、微機控制電子式抗壓抗折試驗機、全自動比表面積測定儀、雷氏水泥沸煮箱、標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱等。

骨料所用設備：電子天平、電子平臺秤、靜力學天平、振擺儀、李氏瓶、新標準砂石篩、針狀儀、片狀儀、石子壓碎指標測定儀、電熱鼓風干燥箱等。

其它所用設備：單臥軸強制式混凝土攪拌機、電液式壓力試驗機、混凝土彈性模量測定儀、混凝土振動臺、箱式電阻爐等。

3 混凝土配合比設計及試件制備

3.1 混凝土配合比設計

混凝土配合比是指混凝土中各組成材料用量之間的比例關(guān)系。配合比設計就是通過一系列的計算及試配等步驟，最終確定混凝土中各組分之間比例關(guān)系的過程。在原材料、工藝條件、外界條件一定的情況下，配合比設計實質(zhì)上就是確定水泥、水、砂、石子等基本組成材料用量之間的三個比例關(guān)系，即水膠比、砂率和單位用水量。在經(jīng)過多次試配的基礎上，最終確定C40機制砂混凝土的配合比，見表4。

3.2 混凝土試件的制備

根據(jù)配合比制作的混凝土試件尺寸及要求：第一批立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗標準試件150mm×l50mm×150mm的立方體，各自18塊；第二批軸心抗壓強度和彈性模量試驗采用試件Φl50mm×300mm的圓柱體，各自18塊。將成型好的試件用蓋上塑料膜覆蓋，以防止水分蒸發(fā)，并放在20±5℃室內(nèi)環(huán)境中靜置24～48 h拆模，拆模過程中應輕拿輕放，注意保持試件的完整性，以免因移動而損壞其棱角。拆模完成后，對試件進行編號標記，并將樣品放入水中進行標準28 d的養(yǎng)護。

表4 混凝土配合比

4 混凝土高溫處理方案

高溫試驗前，為了保證試驗結(jié)果的可靠性，應將剛搬出養(yǎng)護池中的混凝土試件放置在干燥通風環(huán)境中自然烘干，然后再進行高溫試驗。試驗使用箱式電阻爐，俗稱馬弗爐，SRJX-15型，額定功率15kW，額定電壓380V，最高溫度可達1200℃，爐膛尺寸400mm×400mm×600mm。儀器配有手動控制箱，可自己預設所需溫度。試驗時，首先將混凝土試件放入爐內(nèi)，然后設置所需溫度，并以10℃/min的升溫速率使爐內(nèi)溫度升高至所需溫度，關(guān)緊爐門，當電阻爐控制箱上顯示的讀數(shù)達到所設溫度時，認為達到試驗檢測要求，然后關(guān)閉電源打開爐門，待爐內(nèi)溫度下降后取出試件放置在室內(nèi)環(huán)境中使其自然冷卻，試件冷卻后再進行力學性能試驗。

5 混凝土高溫后力學性能試驗結(jié)果及分析

依據(jù)中華人民共和國水利行業(yè)標準《水工混凝土試驗規(guī)程》（ SL352-2006）中 4.2、4.3、4.8 進行試驗，由于試件各18塊，每個編號選取3塊，試驗后取其平均強度值。

5.1 立方體抗壓試驗

混凝土常溫及高溫后的立方體抗壓強度試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 常溫及高溫后的立方體抗壓強度

普通常溫混凝土試件脆性較大，在臨近破壞荷載時，試件會“砰”的一聲巨響突然破壞。當混凝土試件在壓力機上受壓時，沿加載方向產(chǎn)生縱向壓縮變形的同時也產(chǎn)生了橫向變形，使得試件中部被壓壞的混凝土碎屑向外迸出，而與上下壓板接觸的表面由于承壓板的摩擦作用而形成環(huán)箍效應。由表5可知：混凝土高溫后的立方體抗壓強度隨著溫度的升高而下降。這是因為高溫作用后混凝土試件的脆性會有不同程度的降低，溫度越高，脆性降低越多。這些混凝土試件在加載過程中裂縫逐漸增多直至破壞，且疏松的混凝土碎屑不斷脫落，臨近破壞時也沒有一聲巨響。

5.2 劈裂抗拉試驗

混凝土常溫及高溫后的劈裂抗拉強度試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 常溫及高溫后的劈裂抗拉強度

普通常溫混凝土試件會在破壞時的瞬間形成一條貫通裂縫，試件突然被劈裂，且劈裂斷面參差不齊。而經(jīng)過高溫作用后的混凝土試件，在加荷過程中，裂縫的形成及擴展過程均比較緩慢，且劈裂后的斷面較整齊，這說明高溫作用降低了混凝土試件的脆性。由表6可知：混凝土高溫后的劈裂抗拉強度隨著溫度的升高呈下降趨勢。

5.3 軸心抗壓試驗

混凝土常溫及高溫后的軸心抗壓強度試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 常溫及高溫后的劈裂抗拉強度

由于混凝土軸心抗壓強度的試件的高寬比基本為2，因此試件的高度中部受環(huán)箍效應的影響較立方體試件小，所以破壞的也相對嚴重。由表7可知：混凝土高溫后的軸心抗壓強度隨溫度的升高而急劇下降。說明經(jīng)過高溫作用后的混凝土試件，其端部表面不再像未經(jīng)高溫處理的試件表面那么平整，使得在加荷過程中受上下壓板的摩擦減小，試件破壞后沒能表現(xiàn)出明顯的環(huán)箍效應。

5.4 彈性模量試驗

普通常溫混凝土試件在測試過程中，試件的對中相對比較容易，且最后破壞后試件的形態(tài)和做軸心抗壓試驗的試件的破壞形態(tài)一致。經(jīng)過300℃、400℃作用后的混凝土試件，其表面雖有裂紋，但裂紋擴展不很明顯，在彈性模量過程中經(jīng)過多次細心調(diào)整，能夠?qū)χ?。而?jīng)過500℃及以上溫度高溫作用后的混凝土試件，由于混凝土各組分的膨脹性能在這些溫度范圍內(nèi)差別較大，使得高溫作用后的混凝土試件表面不再平整，導致在對中過程中無論如何調(diào)整，也無法保證兩個千分表變形讀數(shù)之差與讀數(shù)差值的平均值之比小于20%。因此試驗中僅取得了混凝土試件在20℃、300℃和400℃高溫作用后的比較滿意的彈性模量試驗結(jié)果，且彈性模量分別為2.27×104mPa、1.43×104mPa、0.09×104mPa。

6 結(jié)論

C40混凝土試件在常溫和高溫后兩種情況下的力學性能基本都是隨著溫度升高而減低，溫度對混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度以及彈性模量的影響很大。高溫作用后，混凝土試件表面均有裂縫出現(xiàn)，作用溫度越高，試件表面顏色越淺，裂縫尺寸就越寬越長。同時經(jīng)受高溫作用后，混凝土試件的劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度的下降速度大于立方體抗壓強度，且試件質(zhì)量明顯減小。因試驗設備條件所限，模擬火災高溫試驗時，采用電阻爐對混凝土試件進行高溫作用，且電阻爐是以恒定的升溫速率工作的，這與實際混凝土結(jié)構(gòu)遭受火災高溫時的情況有較大差別。本文通過對比研究混凝土高溫前后的力學性能變化，來分析混凝土高溫后力學性能下降的原因，得出一些試驗結(jié)論，可對混凝土實際水利工程在遭受火災后的評估鑒定及修復加固提供可靠的理論依據(jù)。