高温后静置轻骨料混凝土力学性能试验

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摘要：研究了高温作用温度、静置时间和冷却方式对高温后轻骨料混凝土抗压强度的影响。结果表明，随着温度的升高，轻骨料混凝土的抗压强度基本呈降低趋势；自然冷却试件在温度低于900℃时，抗压强度随着静置时间的延长基本趋于稳定；900℃高温作用后，试件的抗压强度随静置时间延长明显降低。喷水冷却试件在温度低于300℃时，抗压强度随静置时间的延长基本保持不变；500℃和700℃作用后抗压强度随静置时间延长明显提高；900℃作用后，抗压强度随静置时间延长大幅降低。静置1d时，各温度作用后自然冷却试件的强度均高于喷水冷却试件；静置14、28d时，经500、700℃作用后，喷水冷却试件强度高于自然冷却试件。

关键词：高温；轻骨料混凝土；静置时间；冷却方式；抗压强度

在建筑行业高速发展的同时，火灾频发给建筑结构安全带来严重威胁。混凝土暴露于火灾高温环境中，其力学性能严重劣化最终导致建筑物破坏，喷水灭火措施则可能引起混凝土强度进一步降低。火灾后，混凝土强度随时间变化规律对灾后结构损伤评估与加固修复至关重要。国内外学者普遍认为混凝土在高温作用后静置一段时间其力学性能会发生显著变化。吕天启等[1]研究认为，高温后静置混凝土的强度会在某一个时间出现最小值，这个特定的时间可以认为是合理加固时间，随着受火温度的升高，合理加固时间会缩短。安然等[2]的研究则认为，随着静置时间延长，混凝土强度不但不再降低，反而有所提高。贾福萍等[3]的研究表明，高温后试件的残余强度比随静置时间大致经历了降低-回升-持续3个阶段，且最低强度出现的时间与受火温度和冷却方式密切相关。阎继红等[4]通过大量工程案例分析得出，混凝土高温残余强度与受火温度、静置时间、冷却方式和养护条件相关。一般来说，强度的最低值出现在静置后的第3d。此外，骨料类型也是影响混凝土高温后残余强度的一个不可忽略的因素。姚建国等[5]的研究表明，对于自然冷却试件，当温度低于400℃时，硅质骨料和钙质骨料混凝土均在高温作用后第14d时达到抗压强度最小值，硅质骨料混凝土残余强度比钙质骨料混凝土高；当温度高于400℃时，硅质骨料和钙质骨料混凝土均在高温作用后第28d时达到抗压强度最小值，钙质骨料混凝土残余强度比硅质骨料混凝土高。轻质骨料混凝土往往表现出比普通骨料混凝土更为优越的耐高温性能[6]，但高温后静置时间对轻质骨料混凝土残余力学性能的影响还有待进一步研究。因此，本实验选用页岩陶粒作为粗骨料配制轻骨料混凝土，探究作用温度、冷却方式和静置时间对残余抗压强度的影响。

1实验

1.1原材料

水泥：华新水泥有限公司昆明分公司生产的P•O42.5水泥，主要性能见表1，化学成分见表2；粗骨料：宝珠牌页岩碎石型陶粒（见图1），最大粒径20mm，级配良好，主要技术性能见表3；细骨料：由机制砂和山砂按质量比1∶1混合而成的混合砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.6；减水剂：四川卓科达建筑材料有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率20%，固含量23%；水：自来水。

1.2配合比设计

本实验按结构轻骨料混凝土强度等级进行配合比设计，依据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》，配制设计强度等级为LC30、坍落度为90~120mm的轻骨料混凝土。经过多次适配，在保证拌合物不泌水、不离析且流动性良好的基础上得到轻骨料混凝土的配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（水）∶m（粗骨料）∶m（细骨料）∶m（减水剂）=470∶179∶534∶802∶4.7，拌合物坍落度为90~115mm，轻骨料混凝土的28d抗压强度为53.1MPa。在配制混凝土前，将陶粒泡入水中使其预吸水1h，这部分水不计入配合比计算。

1.3试件制备

制备尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件。试件成型1d后拆模，然后放入温度为（20±2）℃，相对湿度95%以上的标准养护室中养护28d后取出擦干备用。1.4试验方法混凝土高温试验采用编程式箱式电炉以10℃/min的升温速率将试件加热到目标温度（100、300、500、700、900℃），之后恒温3h。随后对试件分别进行如下2种冷却方式处理：自然冷却（随炉自然冷却至室温）和喷水冷却（高温后立即取出喷水冷却30min），分别记为A类和B类。在高温作用后，试件分别静置1、14、28d，之后进行抗压强度测试。试件分别标记为A类1d、A类14d、A类28d、B类1d、B类14d和B类28d。抗压强度按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试，加载速率为0.7MPa/s。

2试验结果与讨论

2.1温度对轻骨料混凝土抗压强度的影响

图2为试件经不同温度作用后的抗压强度，图3为试件经不同温度作用后的相对残余抗压强度（fcu，T/fcu，20），即各温度作图3温度对轻骨料混凝土相对残余抗压强度的影响用后的抗压强度（fcu，T）与其常温20℃时抗压强度（fcu，20）之比。由图2、图3可知，随着温度的升高，各组混凝土的抗压强度基本呈降低趋势。100℃作用后，A类1d组与B类1d组的抗压强度略有提高，分别为常温20℃时抗压强度的106%和102%；其它组强度相较于常温亦无明显变化。在100℃高温作用下轻骨料的返水特征可能促进了水泥未水化颗粒的反应，使得混凝土的抗压强度基本无衰减甚至略有提高[7]。之后至700℃，各组混凝土的抗压强度随温度升高几乎呈线性降低；700℃作用后，各组混凝土仍有53%~69%抗压强度残余。700~900℃，各组混凝土的强度急剧降低，900℃时，各组混凝土仅有4%~30%抗压强度残余。在整个温升过程中，A类试件相对残余抗压强度普遍高于B类试件。B类试件在喷水冷却时，伴随有尖锐的劈啪爆裂声，骨料剥落，试件整体逐渐坍塌。

2.2静置时间对轻骨料混凝土抗压强度的影响

A、B类试件高温后抗压强度随静置时间变化规律分别如图4和图5所示。以静置时间1d时的抗压强度（fcu，1d）为基准，各静置时间的抗压强度（fcu，t）与基准强度的比为相对抗压强度（fcu，t/fcu，1d）。从图4、图5可以看出，常温下混凝土试件静置至14d时，抗压强度随时间的延长持续提高至1d抗压强度的113%，之后抗压强度基本保持不变。对于A类试件，在100℃作用后，抗压强度随着时间的延长而提高。300℃和500℃作用后，抗压强度先下降后回升，14d图5静置时间对B类试件相对抗压强度的影响时出现强度的最低值，28d时可大致提高至1d时的强度值。700℃和900℃作用后，强度随时间的延长而降低。900℃作用下，试件强度损失最严重，28d时仅为1d时的22%。在较低温度作用后，混凝土内部出现的微裂纹可能在轻骨料返水特性作用下随着时间的延长逐渐愈合，强度有所提高。而在较高的温度作用后，裂纹发展充分，加之水分丧失严重，所产生的裂纹不易愈合。因此强度随静置时间回升不明显甚至急剧降低。对于B类试件，100℃作用后，强度随静置时间延长先提高后降低。300℃作用后，静置14d和28d的试件强度较1d时略有提高。而在500℃和700℃作用后，抗压强度随静置时间的延长明显提高。尤其是700℃作用后，14d抗压强度可以提高至1d的125%，28d抗压强度甚至提高至1d的139%。900℃作用后，抗压强度随静置时间的延长呈直线降低趋势，28d时的抗压强度仅为1d时的24%。试件在500℃和700℃作用后抗压强度的提高可能是由于Ca（OH）2高温分解生成的CaO在喷水条件下重新生成Ca（OH）2，而轻骨料的多孔结构可能为该反应所产生的膨胀应力提供了缓冲空间。

2.3冷却方式对轻骨料混凝土抗压强度的影响

对比图3试件在2种冷却方式下的相对残余抗压强度可知，在静置1d时，各温度下A类试件的抗压强度均高于B类试件，而在静置14d和28d后，在500℃和700℃作用后，出现了B类试件抗压强度高于A类试件的情况。B类试件在喷水冷却时，由于试件内外温差而产生较大的温度应力使得混凝土开裂，导致静置1d时抗压强度降低；但随着时间的延长，高温分解生成的CaO逐渐与水作用生成Ca（OH）2，而轻骨料的多孔结构较好地缓解了因Ca（OH）2生成而造成的膨胀应力，因此B类试件在500℃和700℃作用下抗压强度高于A类试件。

3结论

（1）随着温度的升高，轻骨料混凝土的抗压强度基本呈降低趋势。（2）自然冷却试件在温度低于900℃时，抗压强度随着静置时间的延长基本趋于稳定；900℃高温作用后，试件的抗压强度随静置时间的延长降低明显。喷水冷却试件在温度低于300℃时，抗压强度随静置时间延长基本保持不变；500℃和700℃作用后抗压强度随静置时间延长明显提高；900℃作用后，强度随静置时间延长大幅降低。（3）静置1d时，各温度作用后自然冷却试件的抗压强度均高于喷水冷却试件；静置14d和28d时，500℃和700℃作用后，喷水冷却试件抗压强度高于自然冷却试件。

参考文献：

[1]吕天启，赵国藩，林志伸.高温后静置混凝土力学性能试验研究[J].建筑结构学报，2004，25（1）：63-70.

[2]安然，王清远，阎慧群，等.高温后混凝土力学性能研究[J].四川建筑，2005，25（6）：69-72.

[3]贾福萍，王永春，渠艳艳，等.冷却方式和静置时间对高温后混凝土残余强度影响[J].建筑材料学报，2011，14（3）：400-405.

[4]阎继红，林志伸，胡云昌.高温作用后混凝土抗压强度的试验研究[J].土木工程学报，2002（5）：17-19.

[5]姚建国，袁广林，宋永娟，等.粗骨料类型对混凝土高温后抗压强度的影响研究[J].混凝土，2011（2）：89-91.

[6]周梅，李少伟，窦艳伟，等.高温后自燃煤矸石骨料混凝土的抗压性能[J].建筑材料学报，2018，21（6）：134-141.

[7]刘中炜，赵康，汤玉斐，等.轻骨料对泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2019，46（10）：19-23，38.

作者：郭荣鑫 管柏伦 马倩敏 颜峰 王锋宪 郭佳栋 单位：昆明理工大学