李國寧
(中鐵上海工程局集團有限公司,上海 靜安區(qū) 200000)
時代的快速發(fā)展對建筑工程項目質(zhì)量與水平提出了更高的要求,混凝土作為最廣泛使用的建筑材料,其力學性能指標的合理性、科學性直接關(guān)系到建筑物的質(zhì)量,所以有必要對不同溫度下水灰比對混凝土力學性能的影響進行探究,從而制定出更加科學的混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方案。
試驗用到的設(shè)備為配有材料高溫抗壓試驗爐的200t試驗壓力機,其中,材料高溫抗壓試驗爐在試驗時的溫度由智能溫控儀表進行控制,并依據(jù)普通混凝土力學性能測試規(guī)范方法與標準進行相關(guān)試驗。相關(guān)研究表明,0~400℃是混凝土抗壓強度以及其他力學性能指標出現(xiàn)反復的主要區(qū)間,通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠分析出各溫度階段混凝土的變形特性。因此,試驗主要是對直徑相同的21個混凝土標準試件進行力學性能測試,測試時的溫度包括常溫與高溫兩種環(huán)境,然后對比不同溫度下、不同水灰比的試件,繪制出相應(yīng)的力學性能變化曲線,明確溫度以及水灰比對混凝土標準試件抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變的影響規(guī)律,進而總結(jié)出水灰比對高溫下混凝土力學性能的影響。
1.2.1 試驗原料與相關(guān)參數(shù)
試驗使用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,直徑為5~10mm的骨料碎石,按照普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范方法進行設(shè)計,以此保證制備的混凝土標準試件具有較為良好的保水性與力學性能。
試驗時水灰比的設(shè)計參數(shù)包括0.40、0.47、0.58,設(shè)計的溫度包括常溫、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃。試驗用水泥性能測試數(shù)據(jù)如表1所示[1]。
表1 混凝土配合比與力學指標
1.2.2 水灰比設(shè)計原理
由于不同水灰比制備出的混凝土特點存在一定差異,為保證試驗效果,激發(fā)為混凝土配合比設(shè)計的主要方法,進而確定出合適的水灰比。根據(jù)試驗?zāi)繕藢λ酀{體積量進行控制,從而達到控制水灰比的目的,以此得到制備混凝土最佳的配合比。通過一系列試驗確定溫度在常溫、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃情況下,0.40、0.47、0.58水灰比對混凝土抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變的影響規(guī)律,進而確定出最佳的水灰比與溫度。
1.2.3 試件的養(yǎng)護
試驗過程中選用二次加料的方法,通過第一步加料計算出配制混凝土各原料的用量,通過第二步加料確定混凝土配合比中骨料、水的用量,當骨料、1/2水以及其他材料混勻一段時間之后,將剩余的水加入其中,混勻一分鐘之后停頓,以此充分發(fā)揮出水養(yǎng)護法的功能與作用。在混凝土試件成型一天之后,進行拆模,然后按照要求在一定條件之下養(yǎng)護一段時間之后,進行標準混凝土試件的力學性能測試。
1.2.4 力學性能測試
參照普通混凝土力學性能測試規(guī)范標準與方法,對21個直徑相同的標準圓柱體混凝土試件進行預壓,使用0.4倍極限承載力進行預加載,以此消除各個標準試件頂部的不平、孔隙以及其他因素,以此降低不確定因素對力學測試結(jié)果的影響。完成預加載之后進行卸載,然后保持0.5MPa的初始壓力,同時運用自動控溫的材料高溫抗壓試驗爐對試件進行加熱,主要是以5~10℃/min的速度進行升溫,當升至預定溫度時,恒溫三小時,并在此溫度進行力學性能測試,運用位移傳感器來明確標準混凝土試件的變形程度,然后對試驗結(jié)果進行分析與討論。
在升溫過程中,試件會不斷冒出水蒸氣,打開試驗爐待試件冷卻至室溫,對混凝土試件顏色以及破壞形態(tài)進行觀察[2]。常溫下,試件大多在骨料以及砂漿界面發(fā)生破裂;低中溫區(qū)段,試件的破裂縫隙上會有豎向裂縫,破裂面與加載方向呈60°~70°傾斜角。100~300℃下,混凝土表面微微泛白;400℃下,出現(xiàn)淡淡的暗紅色;600~800℃,表面出現(xiàn)十分明顯的暗紅色,并且破裂面的傾斜角逐漸增大,并伴有少量的混凝土剝落;更高溫度之后,混凝土剝落部分呈現(xiàn)粉狀。對加熱升溫速度進行適當調(diào)整,隨著溫度的升高,各個試件均會伴有爆裂現(xiàn)象。
對不同溫度區(qū)段,不同水灰比的混凝土力學性能變化情況繪制成相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,100~200℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,試件彈性模量、抗壓強度會出現(xiàn)較為明顯的衰減現(xiàn)象,直到300℃之后才又出現(xiàn)提高的趨勢,到達400℃時,混凝土試件彈性模量、抗壓強度的恢復結(jié)束,600~800℃之間,又會出現(xiàn)較為明顯的降低趨勢,隨著溫度的進一步升高,基本保持扁平的變化趨勢。不同溫度區(qū)段下C40、C50混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,如圖1所示。
圖1 C40、C50混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線
根據(jù)軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,先分析溫度、水灰比對抗壓強度損傷系數(shù)的影響規(guī)律:常溫到200℃區(qū)段,抗壓強度會隨著溫度升高、水灰比的增加而逐漸降低,200℃之后逐漸提高,在300~400℃之間又逐漸恢復,部分試件出現(xiàn)系數(shù)值大于1的情況,600~800℃之間,抗壓強度損傷系數(shù)又大幅度降低,并且200~300℃之間水灰比對對抗壓強度損傷系數(shù)的影響較為復雜;分析溫度、水灰比對彈性模量損傷系數(shù)的影響規(guī)律:200℃時,彈性模量會隨著溫度的升高逐漸降至最小值,在300~400℃之間又逐漸恢復,600~800℃之間,彈性模量損傷系數(shù)又不斷降低,100~200℃,彈性模量損傷系數(shù)隨著水灰比的增加而逐漸降低,200~400℃呈現(xiàn)明顯恢復的趨勢,測量到的數(shù)據(jù)較為分散。
分別分析常溫以及中低溫區(qū)段、高溫區(qū)段不同水灰比對標準混凝土試件峰值應(yīng)變的影響規(guī)律,除去少量離散數(shù)據(jù),在溫度逐漸增加的情況下,各個試件的峰值應(yīng)變會隨著溫度的升高而不斷增大。值得注意的是,400℃以下,峰值應(yīng)變-關(guān)系變化趨勢相對平緩,當溫度大于400℃之后,上升現(xiàn)象較為明顯,并且在200~300℃之間會出現(xiàn)小幅度的波動,當溫度到達800℃時,標準混凝土試件就會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。但是在低溫區(qū)段中,水灰比對混凝土峰值應(yīng)變的影響并不顯著,當溫度超過200℃之后,就會明顯增大,在400~600℃之間,峰值應(yīng)變又會隨著溫度的升高而逐漸減小,在300℃時的變化趨勢最不明顯。
圖2 水灰比對峰值應(yīng)變-溫度關(guān)系的影響
結(jié)合試驗結(jié)果與相關(guān)研究進行低中溫區(qū)(100~400℃)的混凝土力學性能分析,大多數(shù)混凝土試件均呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,100~300℃之間出現(xiàn)低溫段靜力強度衰減現(xiàn)象,300℃~400℃之間又有所恢復[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范技術(shù)標準,試驗中C40、C50兩組試件的抗壓強度損傷系數(shù)分別在300℃、200℃處出現(xiàn)最小值;所有試件的彈性模量損傷系數(shù)均在200℃處出現(xiàn)最小值;所有試件的損傷系數(shù)值在高溫下均會出現(xiàn)下降趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是:高溫下的不同水灰比的混凝土都會發(fā)生一系列的化學變化與物力變化,使得成分、微觀結(jié)構(gòu)隨著溫度的變化而呈現(xiàn)不同功能的變化形態(tài),特別是水灰比越大,水泥含量多的混凝土試件在100℃時的水化作用更強,在200℃時水化作用產(chǎn)生的水分又會完全蒸發(fā)掉,并且未水化與水化的顆粒之間會存在不同的膨脹系數(shù)。結(jié)合高溫下不同水灰比宏觀力學性能的觀察,中低溫區(qū)段混凝土的力學性能指標確實出現(xiàn)衰減、恢復的現(xiàn)象,這與掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果相同。經(jīng)過對比,300℃、400℃之間的混凝土結(jié)構(gòu)比200℃時更加致密,特別是400℃下的混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出裂縫更少的微觀結(jié)構(gòu)。
綜上所述,100~400℃范圍內(nèi)制備的混凝土,其抗壓強度、彈性模量隨著水灰比增加出現(xiàn)先衰后減的現(xiàn)象,當溫度超過600℃后會大幅度下降。通過掃描電鏡觀察,300℃、400℃之間的混凝土結(jié)構(gòu)比200℃時的更加致密,與試驗工藝圖變化趨勢大體一致,證明300~400℃是制備不同水灰比混凝土的最佳溫度范圍,對提升混凝土結(jié)構(gòu)抗火水平具有重要意義。