王永旗 張珂健 張玉春 陳龍飛

摘要：本文研究了C20混凝土在高溫條件下的力學(xué)性能特征參數(shù)變化規(guī)律。試驗(yàn)采用的溫度范圍為100℃-800℃，對(duì)比不同高溫條件下C20混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率與損傷度。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的高溫條件下，C20混凝土的表面顏色及外觀有較大差異。隨著溫度的升高，C20混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率及損傷度也隨之增大。同時(shí)，C20混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：C20混凝土;波速;質(zhì)量損失率;損傷度;波速損失率

普通混凝土暴露在火災(zāi)或高溫條件時(shí)，它的性能將發(fā)生很大的改變。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通混凝土在高溫條件下的性能已進(jìn)行了大量的研究工作。1980年，Ellondwing、2003年，Kodur、2013年，Kizilkanat等人研究了高溫后普通混凝土的物理性質(zhì)，如密度、比熱、熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)等參數(shù)在高溫下的變化規(guī)律和反應(yīng)過(guò)程。2001年，Shoaib、2005年，余志武、2013年，羅俊禮、2013年，霍靜思等人分析了高溫后普通混凝土的力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、收縮性能、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度及殘余特性等參數(shù)的變化規(guī)律。

在火災(zāi)或者高溫條件下，普通混凝土將會(huì)受到不同程度的損傷，而損傷程度的測(cè)量與表征是非常重要的。檢測(cè)混凝土性質(zhì)的方法通常分為破損法和非破損法。相對(duì)于破損法來(lái)說(shuō)，非破損法不會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞，測(cè)試儀器簡(jiǎn)單、操作方便，并且具有可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件重復(fù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。其中，超聲波法因超聲波對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)、較高的靈敏度、操作方便和檢測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

1993年，楊彥克等人較早地通過(guò)大量超聲試驗(yàn)，以及對(duì)火災(zāi)混凝土構(gòu)件的溫度分布的研究，發(fā)現(xiàn)用超聲法來(lái)推求火災(zāi)混凝土構(gòu)件溫度分布是可行的。2004年，Prassianakis等人開(kāi)展了研究證明超聲波作為材料的非破壞性測(cè)試方法的有效性。2004年，黃政宇等人建立了超聲波首波幅值衰減層析成像的原理和方法，發(fā)現(xiàn)首波幅值衰減反演不但能正確反映試件內(nèi)部的缺陷情況，而且比速度反演更敏感。2009年，Yang等人通過(guò)超聲波脈沖速度定量評(píng)價(jià)高溫下混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度，以及殘余超聲波速度與不同配比混凝土強(qiáng)度、暴露溫度、暴露時(shí)間、火災(zāi)后齡期之間的關(guān)系。2011年，Lin等人采用波速作為參數(shù)，研究了水固化混凝土受高溫后殘余抗壓強(qiáng)度與超聲波速度的關(guān)系，研究表明混凝土的配比類型對(duì)高溫后養(yǎng)護(hù)混凝土試件的殘余強(qiáng)度和波速比的影響很小，并提出了預(yù)測(cè)火災(zāi)后混凝土的養(yǎng)護(hù)殘余強(qiáng)度的公式。2013年，陳天紅等人應(yīng)用超聲波法的相對(duì)波速和損傷度作為評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)混凝土的受熱溫度、抗壓強(qiáng)度損失率和抗折強(qiáng)度損失率進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)二次多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)的擬合效果較好。2014年，Azimian等人用統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)前人對(duì)不同類型巖石的波速與UCS（單軸抗壓強(qiáng)度）之間的關(guān)系。2015年，Wang等人采用時(shí)頻分析方法對(duì)砂巖高溫暴露后的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了超聲波評(píng)價(jià)方法的有效性。

綜上所述，前人學(xué)者針對(duì)普通混凝土在高溫下的波速變化方面已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，然而，目前還比較缺乏針對(duì)混凝土質(zhì)量損失率與波速損失率之間關(guān)系的研究。隨著溫度的升高，普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生變化，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的同時(shí)將會(huì)伴隨著質(zhì)量損失率的增加和波速的降低，本文通過(guò)研究C20混凝土在高溫條件下的力學(xué)性能特征參數(shù)變化規(guī)律，建立C20混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率的關(guān)系式，為高溫條件下混凝土的參數(shù)分析提供參考依據(jù)。

一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）試塊制備

試塊采用P.O42.5硅酸鹽水泥與0.025cm-0.05cm的細(xì)河沙骨料，W/C為0.78，水泥、細(xì)骨料、水與減水劑四者的比例確定為1：3.54：1.28：0.008?？山普J(rèn)為各相同性。

混凝土試件經(jīng)24h帶模養(yǎng)護(hù)后，常溫下養(yǎng)護(hù)28天。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了27個(gè)立方體試塊（100mm×100mm×100mm）。每組溫度下，有3個(gè)試塊（例如，800℃編號(hào)分別為800-1、800-2和800-3），其中3塊為對(duì)照組。

（二）溫度設(shè)定

高溫試驗(yàn)儀器采用箱式電爐，電爐最高溫度可達(dá)1200℃，最大升溫速率為15℃/min-20℃/min，平均10℃/min，略低于標(biāo)準(zhǔn)升溫速率。高溫試驗(yàn)利用電爐進(jìn)行加熱。

試驗(yàn)設(shè)定100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃八種溫度等級(jí)，到達(dá)設(shè)定溫度后，保溫2h后停止加熱，使試件自然冷卻至室溫。對(duì)比試驗(yàn)前后外觀、質(zhì)量及波速變化。

二、結(jié)果與分析

（一）試驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)溫度加熱至100℃-200℃時(shí)，從爐門(mén)冒出少量水霧，這是混凝土中的游離水蒸發(fā)所引起的。在400℃-500℃溫度范圍內(nèi)，爐門(mén)出現(xiàn)大量略帶刺激性氣味的水霧，此時(shí)，混凝土水化產(chǎn)物中的化合水逐漸析出。而當(dāng)溫度達(dá)到600℃后，隨著加熱時(shí)間的增加，混凝土中的大部分水分已失去，水霧基本消失。其中，當(dāng)混凝土被加熱至450℃-600℃時(shí)，會(huì)聽(tīng)到試件中發(fā)出細(xì)小爆裂的聲音。同時(shí)，試驗(yàn)中也觀察到，對(duì)于常溫下的混凝土，發(fā)射器發(fā)出的脈沖聲音較厚實(shí)且無(wú)回音;而對(duì)于高溫條件下的混凝土，發(fā)射器發(fā)出的脈沖聲音較為沙啞、沉悶，回音現(xiàn)象嚴(yán)重，并且所受溫度越高越明顯。

在不同的溫度下，混凝土試件表面的顏色及試件表面的裂縫、疏松程度呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)?；炷猎嚰芨邷刈饔貌⒗鋮s至室溫后的外觀特征，整體如圖1所示：

其中，試塊“1”、“2”、“3”為常溫條件下的混凝土試塊，用于參照對(duì)比。從圖1中可以看出，隨著溫度的增加，試塊顏色由灰白色逐漸變深成為灰褐色，其中，400℃顏色最深，而隨著溫度的繼續(xù)增加，顏色逐漸褪色變?yōu)榱涟咨Ｔ谙嗤瑴囟认?，試塊的表面顏色大致相當(dāng)。觀察試塊的外觀，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在500℃以下時(shí)，試塊外觀基本保持完好，沒(méi)有明顯的裂縫和脫落。當(dāng)溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯裂縫和脫落現(xiàn)象：當(dāng)溫度為600℃時(shí)，混凝土試塊出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)裂縫，溫度上升到700℃時(shí)，混凝土試塊出現(xiàn)條明顯的T型裂縫，隨著溫度繼續(xù)升高達(dá)到800℃時(shí)，混凝土試塊出現(xiàn)數(shù)條細(xì)裂縫，試塊表面脫落十分嚴(yán)重。

（二）質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系

混凝土在受到高溫后，其質(zhì)量會(huì)有損失，主要包括水分的蒸發(fā)、C-S-H凝膠的脫水分解、Ca（OH）2、CaCO3的分解以及混凝土表面爆裂或剝落帶來(lái)的質(zhì)量損失。因此，混凝土高溫下的質(zhì)量損失率在一定程度上反應(yīng)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。將高溫試驗(yàn)前的混凝土試件稱重，高溫試驗(yàn)結(jié)束后，清除試件表面的碎屑、浮灰后測(cè)其質(zhì)量。

質(zhì)量損失率按式（1）計(jì)算：

式中，GS為高溫后試件質(zhì)量損失百分率（%）;W1為高溫前混凝土質(zhì)量（g）;W2為高溫后混凝土質(zhì)量（g）。

試驗(yàn)表明：混凝土試塊在300℃以下質(zhì)量損失率在5%以下，此時(shí)試塊質(zhì)量的損失是自由水的蒸發(fā);400℃-600℃質(zhì)量損失率迅速增加，這個(gè)階段，質(zhì)量損失主要來(lái)自于C-S-H凝膠的脫水分解、Ca（OH）2的分解;600℃-800℃質(zhì)量損失率大致維持不變是因?yàn)榛炷羶?nèi)部的結(jié)晶水基本已經(jīng)分解完畢，質(zhì)量損失的一部分來(lái)自于混凝土表面的脫落。

（三）波速損失率與溫度的關(guān)系

高溫條件下混凝土將發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，而超聲波對(duì)這種變化反應(yīng)十分敏感，高溫條件下混凝土超聲波速度的變化直接反映了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化?；炷两?jīng)受不同的高溫后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化（如水泥漿的疏松，裂縫的出現(xiàn)、擴(kuò)展等）呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，混凝土整體性的破壞導(dǎo)致超聲波在混凝土中的傳播速度下降。因此，可以通過(guò)測(cè)試不同溫度下超聲波在混凝土中的傳播速度，得出波速損失率與溫度之間的關(guān)系，可直接用于進(jìn)一步分析評(píng)定混凝土的火災(zāi)損傷程度。

超聲波變化率按式（2）計(jì)算：

式中，PS為高溫后波速損失率;P0為高溫前混凝土試塊波速（km/s）;P為高溫后混凝土試塊波速（km/s）。

試驗(yàn)表明：隨著溫度增加，混凝土試塊波速逐漸下降，當(dāng)?shù)陀?00℃時(shí)，混凝土波速下降比例≤30%，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí)，此時(shí)波速只有高溫前波速的30%。隨著溫度增加混凝土試塊損傷度越來(lái)越大，混凝土損傷等級(jí)也越來(lái)越嚴(yán)重。

（四）質(zhì)量損失率與波速損失率的關(guān)系

隨著溫度的升高，試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生改變，改變的同時(shí)將會(huì)伴隨著質(zhì)量損失率的增加和波速的降低，二者之間必然存在著關(guān)系。圖2為混凝土波速損失率隨質(zhì)量損失率的變化關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可以看出高溫條件下混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率之間呈線性關(guān)系，如可由下式表示：

三、結(jié)語(yǔ)

本文研究了C20混凝土在高溫條件下的力學(xué)性能特征參數(shù)變化規(guī)律。試驗(yàn)采用的溫度范圍為200-800℃，對(duì)比不同高溫條件下C20混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率與損傷度，得到以下結(jié)論：

（1）隨著溫度的升高，混凝土表面的顏色由灰白色逐漸變深成為灰褐色。其中，溫度為400℃時(shí)顏色最深，而隨著溫度的繼續(xù)升高，顏色逐漸褪色變?yōu)榱涟咨?。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在500℃以下時(shí)，試塊外觀基本保持完好，沒(méi)有明顯的裂縫和脫落，當(dāng)溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，試塊會(huì)出現(xiàn)明顯裂縫和脫落現(xiàn)象。

（2）隨著溫度的升高，混凝土的質(zhì)量損失率、波速損失率及損傷度也隨之增大。

（3）在不同高溫條件下，混凝土的質(zhì)量損失率與波速損失率之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：

王永旗，男，高級(jí)工程師。

陳龍飛（通訊作者），男，講師。

基金項(xiàng)目：

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)理工科科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2682017CX082），建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（KFKT2016ZD04）。