不同冷却方式对混凝土的损伤破坏研究①

林乙玄

(福建林业职业技术学院建筑工程系，福建 南平353000)

0 引 言

在实际生活和工程中，混凝土往往会受到高温的影响，高温过后还会受到不同的冷却方式，对混凝土的力学性能将会产生很大影响，比如楼层发生火灾，隧道起火等灾害，发生火灾后混凝土是否还能安全的继续使用，是否影响它的基本性能是需要研究的重要内容。宋宝峰等人对混凝土试件进行不同高温的加热作用的研究，结果表明随着加热温度增加，混凝土试样的三轴试验峰值强度逐渐减小[1]；王统辉、江树辉等人对不同冷却方式、不同静置时间下高温混凝土物理性能变化的研究[2]；蒋春霞高温下混凝土抗拉抗压力学性能解析研究[3]；谢旺军广西地区高温后混凝土轴压性能试验研究[4]；马菊荣沙漠砂混凝土高温后抗折强度研究[5]；陈诗林对高温对高炉矿渣混凝土力学性能的影响试验进行了研究，发现混凝土试样的抗压强度和弹性模量随温度升高而降低[6]。郭寿松[7]对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验，揭示其破坏机制即随着裂隙倾角的增加，破坏模式从劈裂破坏向剪切破坏过渡。吴昌桂[8]测试了混凝土试件高温后的质量损失率和单轴抗压强度，分析了试件的受压破坏过程和变形性能随再生骨料取代率和试验温度的变化规律。郝兵[9]等对“双掺”矿物掺合料、预湿骨料降温技术、使用超缓凝减水剂及对混凝土保温养护等措施降低混凝土温差以防止裂缝进行了研究。李亮[10]等应用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressyre bar，SHPB)和电阻式高温加热炉开展了高温条件下混凝土的动态抗压性能试验研究。获得了混凝土试件在不同温度条件下的应力-应变曲线在各试验温度下，混凝土的动态抗压强度随着应变率的提高而提高；同一加载速度下，混凝土的动态抗压强度随着试验温度的升高大幅度降低。

以混凝土作为研究对象，利用高温炉对混凝土进行300°的高温作用后，对其进行不同的冷却方式，一种是用25℃的水对试样进行冷却，第二种是将试样放置在空气中进行自然冷却，然后再对经过不同冷却方式的试样进行单轴压缩获取其抗压强度，在单轴压缩试验中在试样表面贴上声发射探头，利用声发射探究破坏时混凝土内部的活动，并结合试样表面破坏过程中的现象及应力-应变曲线，对不同冷却方式下的混凝土破坏过程有一个更加深入的了解，对发生火灾后的混凝土残余强度具有一定的指导意义。

1 试验内容

1.1 试验材料

试验所用的混凝土由细砂、普通基准水泥和水按2∶1∶0.4的比例拌合而成，试件尺寸为高100mm，直径50mm的标准圆柱试样，试样的模具通过3d打印机打印制作而成，混凝土浇筑完后放入养护箱进行养护，养护时间不低于28d，在试验之前全部对两端利用磨平机进行打磨，保证混凝土试样两端面的平行度和平整度满足试验要求，养护完成后的混凝土试样如图1。

图1 混凝土试样

1.2 高温过程

采用的高温炉最高温度为1000℃，该高温炉升温速率快，隔热效果好。将养护好的圆柱混凝土试样放入烘干箱内，设置烘干温度为105℃，烘干2h以确保混凝土试样内部水分完全蒸发。将烘干后的试样取出放入高温炉中进行加热，设定温度300℃，加热速率为18℃/min，加热到300℃后保持设定温度2h，以保证混凝土试样内部均匀受热。加热完成后将混凝土试样取出，一组让其放置在空气中自然冷却，一组立即将试样放到事先准备好的100L水中(25℃)，待混凝土完全冷却后将混凝土从水中取出，放置在空气中7h，保证试样内部完全冷却。

2 试验测试

试验采用DSZ-1000应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪对试样进行单轴压缩试验，该试验系统具有 3 套独立的闭环控制加载设备，(图2)可分别控制轴压、围压和剪切，系统所能施加的最大轴向力为 1000kN。试验过程采用位移加载控制，加载速率为0.05mm/min。在进行单轴压缩试验之前，先将试样两端用磨平机抹平，保证试样两端的平整和平行，在岩石试样上下端面放置刚性垫块，并在岩样两端涂抹凡士林以减小端部摩擦效应。

图2 仪器加载示意图

3 试验结果及讨论

3.1 不同冷却方式下混凝土的抗压强度和变形分析

图3为不同冷却方式下混凝土的应力-应变曲线和力学参数变化特征，可以看出应力-应变曲线之间存在明显的差异，这说明不同的冷却方式对混凝土的力学行为影响较大。常温下混凝土试样在单轴压缩下最早达到峰值应变，其裂隙在压密阶段没有产生，在弹性阶段开始产生较少的细小裂纹，在达到峰值应力时试样表面产生了一条明显肉眼可见的裂纹，并伴随着试样被压坏时发出的劈裂声，随后应变继续增大，在增大过程中不断有裂纹产生并且裂纹不断扩大，当主裂纹从上到下贯穿时应力-应变曲线猛然下将，试样彻底破坏。从图中可以看出，空气冷却下的混凝土试样的峰值应力明显大于常温和水冷下的混凝土峰值应力，这是由于在300℃高温作用下，混凝土内部的颗粒膨胀，使得原本存在于混凝土内部的空隙和微裂纹闭合，提高了混凝土的承载能力，在单轴压缩过程中试样表现了明显的脆性特征，在达到峰值应力时试样发出一声脆响，一条从上到下的贯穿裂纹突然产生，应力随即跌落。水冷作用下的混凝土试样的峰值应力略低于常温下的峰值应力，并且在压缩过程中表现出较强的塑性特征，这表明水冷作用下会对混凝土造成一定的损伤，其原因是因为试样从高温放入水中，试样内部的颗粒已经受热膨胀，在放入水中的一瞬间，试样表面首先遇水降温，外部颗粒受冷收缩，此时试样内部颗粒依然处于受热膨胀状态，表面颗粒收缩造成对混凝土内部产生拉应力，表面的颗粒之间也会相互产生拉应力，使得混凝土表面首先产生微裂纹，降低了混凝土得承载能立。

图3 不同冷却方式下混凝土应力-应变曲线

3.2 常温下混凝土破坏过程的宏观与微观的联系

图4为未高温处理过的混凝土应力--应变曲线与声发射图，从应力--应变曲线可以看出常温下混凝土试样具有典型的脆性特征，常温下混凝土的单轴压缩经历了压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，在压密阶段，混凝土内部的空隙和微裂纹被压密，曲线下凹，下凹阶段时长较久，说明混凝土试样内部的空隙较多，这可能的原因是浇筑混凝土试样时振动不充分导致试样的孔隙率较高。在弹性阶段，混凝土变形缓慢增加，达到峰值应力后突然跌落，随后曲线继续上升，并且此时产生了一个较大的声发射现象，这次破坏造成混凝土颗粒之间的断裂数量增多，声发射现象骤然增大，而后曲线继续上扬，此时基本上没有声发射现象发生，说明在这个阶段试样内部并没有大的颗粒之间的断裂产生，上升一段时间后又突然下降，说明内部已经产生了破坏，有内部裂纹产生，然后曲线缓慢下降一段时间后突然呈断崖式下跌，此时混凝土彻底失去承载能力，试样破坏。

图4 常温下混凝土应力-应变曲线和声发射图

从声发射图看出，在压密阶段只有少量的声发射事件产生，说明此时试样内部没有发生较为明显的破坏，在此阶段由于试样内部的微孔隙和微裂隙被压实，会造成轻微的纤维断裂，该信号会被声发射接收到，弹性阶段随着应力曲线的上升，在500s左右时出现了一次较为明显的声发射事件，说明试样产生了一定的破坏，可能是试样内部发生了一次孔隙之间的贯通，并没有影响试样的承载能力，在前期由于端部效应，试样往往是从两端开始破坏，声发射定位也是集中在试样的上下两端，这些信号基本上来自试样两端。在700s时应力达到峰值，突然发生了一次非常大的声发射事件，应力曲线随着跌落，并且在试验过程中能够听到明显的崩坏的声音，说明试样产生了一次较大的破坏并且影响了承载能力可能是由于试样内部存在较大的空隙被压实，而后曲线继续上升，在900s时又伴随一次大的声发射事件发生，应力下跌，原因可能是试样内部产生了新的裂纹，或者为试样内部裂纹之间相互贯通导致，相互贯通时往往会导致大量的拉破坏事件的发生，试件也会产生明显的裂纹，而后应力曲线较为平缓，在1100s时发生了整个过程中最大的一次声发射事件，并听到“啪”的压坏声响，说明此时发生了最大的一次裂纹扩展，并且该次裂纹扩展导致了混凝土试样强度的彻底降低，应力曲线下降，此时试样彻底失去了承载能力，在曲线下降的过程中又发生了一次较大的事件，这是由于试样内部裂隙相互贯通造成的，然后曲线快速下降到谷底，整个加载过程结束。

3.3 不同冷却方式对混凝土强度的损伤度

从表1可以看出，常温状态下混凝土的峰值强度为35.87MPa，水冷作用下混凝土的峰值强度为33.52MPa，为常温状态下的93.4%，损伤了6.6%。气冷作用下混凝土试样的峰值强度为63.24MPa，为常温状态下的176.3%，强度提高了76.3%，说明在300℃作用下，空气中自然冷却的混凝土强度会增大，而放入水中冷却的混凝土强度会降低。

表1 不同冷却方式下试样的峰值强度

图5为常温和不同冷却方式下混凝土的表观颜色的变化，常温下混凝土颜色呈灰白色，300℃高温过后试样颜色变深，从气冷破坏的试样可以看出，整个试样周身都布满了裂纹，产生的裂纹主要以竖向裂纹为主，最大的一条裂纹从试样上表面贯穿至下表面，说明产生了拉破坏，并且表面有表皮脱落，其他次生裂纹角度在0°～15°之间，从裂纹的破坏类型来看，混凝土试样受到的是张拉和剪切的混合破坏模式。不同的冷却方式和高温会对混凝土内部的结构产生影响，其中不仅有化学方面的影响，更有物理方面的影响，在高温过程中岩石内部的水会受到高温的影响从而从试件中逃逸，会对混凝土内部的微裂隙产生影响，会将微裂隙撑大，从而造成混凝土试样强度的降低。其中水冷却方式时，过大的温差还会使得混凝土试样内部和表面产生应力差，表面会受到拉应力的作用产生裂纹，外部水会乘机入侵试样，也会造成混凝土试样的强度降低，从而会对试样的表面裂纹差生影响。

常温

4 结 论

1)300℃作用下混凝土遇水冷却强度会降低，空气自然冷却强度会有较为显著的提升。(遇水冷却强度约为原来的93%，空气中自然冷却强度大幅提升，约为原来的176%。)

2)高温作用后混凝土的表观颜色会产生变化，颜色较原来相比变深。破坏模式为张拉和剪切混合破坏模式。

3)每一次应力曲线的跌落都会伴随着一次大的声发射事件发生，并伴随着试样内部裂隙的产生，当试样彻底失去承载能力时会发生一次最大的声发射事件。