高温及升温速率对砂浆气体渗透性与孔隙率的影响

陈 伟，盛明泉，许 澳，梁 越

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068)

0 引 言

火灾是建筑物不可避免的灾害之一，在火灾的作用下，建筑结构内部受到不同程度的损伤，会降低建筑结构的力学性能和耐久性能。目前，国内外许多专家学者已对高温后水泥基材料的力学性能做了大量研究[1-3]。例如金祖权等[4]通过研究高温后普通混凝土与纤维混凝土发现，随着温度的升高,两种混凝土的抗压强度逐渐降低，热变形性能却逐渐增强；邵伟等[5]研究发现，随着温度的升高以及加热时间的延长，混凝土的抗压强度、弹性模量均降低，峰值应力逐渐增大。与此同时，高温对水泥基材料的微观结构影响也较大，已有学者[6-9]进行了相关研究。柳献等[10]研究发现，高温后混凝土材料微观孔隙的变化主要是由毛细水、凝胶水和化学结合水的散失以及氢氧化钙分解所致；赵东拂等[11]利用压汞法研究发现，随着温度的升高，混凝土孔结构中的纳米级孔径增多，混凝土力学性能降低。

目前大量研究多关注于温度升高对水泥基材料的力学特性及微观结构变化规律的影响，对不同升温速率以及高温后混凝土结构耐久性问题的研究相对较少[12-13]。由于渗透性在很大程度上影响了混凝土结构的耐久性，所以为了科学地评价高温后混凝土结构的耐久性能，深入研究温度对混凝土气体渗透性的影响是非常必要的[14-16]。陈晓婷等[17]研究发现，在高温作用下，混凝土内部的微裂纹发生延伸与扩展，孔隙相互贯通，混凝土渗透性、孔隙率增大，从而影响混凝土的强度和耐久性；宋杨等[18]研究发现，混凝土气体渗透性随着温度的升高逐渐增大，在350 ℃及以上高温下，力学性能大幅降低。

本文以气体渗透性作为主要的研究内容，主要对以不同的升温速率(即5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min)升温至目标温度为400 ℃、500 ℃、600 ℃的水泥砂浆进行气体渗透性、孔隙率、抗压强度等研究，并进一步探讨不同升温速率的高温后混凝土结构耐久性损失与孔隙率、力学性能之间的关系，以期为高温后混凝土耐久性能的评估与修复提供理论支持。

1 实 验

1.1 原材料及试样制备

本研究采用砂浆用于试验，其配合比见表1。原材料包括华新牌42.5级的普通硅酸盐水泥；水为自来水；细骨料为天然河砂，其细度模数为2.65。根据表1所示的配合比制备50 mm×100 mm的圆柱体砂浆试样。浇筑成型后24 h拆模，将试样继续放入水中养护60 d。试样养护好后，用端磨机将试样两端打磨平整进行后续试验。

表1 砂浆配合比

1.2 试验方法

(1)高温试验

采用高温马弗炉对砂浆进行高温处理来模拟砂浆在火灾等高温环境。高温马弗炉最高额定温度为1 200 ℃，升温速率范围为1～20 ℃/min。试验采用均匀升温的方式，升温速率分别为5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min，目标温度分别为400 ℃、500 ℃、600 ℃，维持目标温度1 h，随后自然冷却至室温。

在对砂浆进行高温加热前，先将真空饱水后的砂浆试样放入60 ℃的烘箱中烘干至恒重。经过多次试验表明试样加热至60 ℃时，能使其内部孔隙中的自由水蒸发，对凝胶水化产物没有影响[17]。烘干至恒重的目的是防止升温速率过快或加热温度过高使得砂浆发生爆裂。在试验过程中发现，饱和砂浆试样在10 ℃/min升温速率下加热至600 ℃的过程中发生了爆裂。

(2)气体渗透性和孔隙率试验

气体渗透测试系统采用法国引进的高精度、高密闭性的气液渗透系统。该仪器主要由围压室、高精度伺服围压加载系统、气体传输控制系统组成。围压加载极限为60 MPa，气体渗透率测量可达10-22m2。本试验以惰性气体氩气作为渗透介质。经过后期改进升级，在测量渗透率的基础上，亦可基于注入气体测量介质有效孔隙率。测试系统的实际操作图如图1所示，其简化原理图如图2所示。

图1 测试系统图

图2 简化原理图

将砂浆试样放置于气体渗透仪的压力室内，采用防水的橡胶皮套进行套箍束缚，防止围压液体渗入，并保证气体沿一维进行传输。围压由油泵提供，逐级从3 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa加载至20 MPa，最后再依次卸载至3 MPa。并测量不同围压下的气体渗透率和连通孔隙率。

气体渗透率测量采用达西定律为基本原理的稳态流方法：

(1)

式中：Kx为气体渗透系数；Vx=Qx/A,为距离试件进气端距离x的气体流速，Qx为距离试件进气端距离x时的流量，A为试件表面积；μ为气体黏度系数；P(x)为试样内气压随试样高度的变化函数。

该方法为在进气口通过储气罐维持稳定的进气压，出气口为大气压。随着试验的进行,储气罐中的压力值P1在Δt时间内降低了ΔP1，假定在Δt时间内，渗透的进气压平均值P均为缓冲气罐的均值气压P1-P1/2，并根据理想气体定律，时间Δt内试样的平均流量Q均为：

(2)

结合公式(1)和(2)，渗透系数的计算公式为：

(3)

式中：h为试样的高度；P0为大气压。

在本研究中，砂浆的孔隙率通过气体法测量。如图2所示，试验前对仪器管路进行体积测量和校正，可得到管路体积V1和V2。试验过程中记录管路内压力变化，直至气压达到均匀稳定分布(稳定过程需30 min)。根据波意耳定律，可计算出连通孔隙的体积:

PAV1=PB(V1+V2+Va)

(4)

(5)

式中：Φ为砂浆的孔隙率；PA为体积V1的初始压力；PB为整个系统稳定后的最终压力；V1为初始部分导管体积；V2为阀门B右侧整个导管与压力室底座内部通路体积；Va为砂浆内部孔隙体积；V为砂浆体积。

(3)力学试验

力学试验使用仪器为ETM系列电子万能试验机。试验机可用于最大压缩力为300 kN的压缩、拉伸和三点弯曲等力学试验。试验时先将加载压头调至试样表面位置，且无初始压力，然后由计算机控制加载速度进行加压，力学试验加载速率为0.1 mm/min。通过数据采集系统测得加载力与位移。

2 结果与讨论

2.1 砂浆的质量损失

图3为砂浆的质量损失率随升温速率及温度变化的柱状图。可以看出同一升温速率，质量损失率随着温度的升高而增大，这是因为砂浆在不同的温度下会发生不同的物理化学变化。已有文献[8]表明，60～100 ℃水泥浆体中的自由结合水脱去，低于200 ℃时，水泥浆体中钙矾石脱水分解，高于400 ℃时，随着温度的升高，水泥浆体中Ca(OH)2、C-S-H胶体等水化产物逐渐脱水分解，这与高温下砂浆质量损失过程大致相同。同一温度下，升温速率越快质量损失率越大，但在400 ℃时，升温速率15 ℃/min的质量损失率略小于10 ℃/min,这是因为升温速率过快，达到400 ℃时所需要的时间很短，所以导致内部的水化产物不能及时脱水分解。

图3 砂浆质量损失率

2.2 砂浆气体渗透率的变化

将饱和后的砂浆经过60 ℃烘干至恒重后，选取一组砂浆作为对照试验,烘干后的砂浆表观变化相似，随着温度的升高，试样的颜色由灰白色变为白色。在400 ℃和500 ℃内，升温速率的增大对试样表观无影响，但在600 ℃时，随着升温速率的增大，试样表面开始出现肉眼可见宏观裂纹。由于升温速率过快使得砂浆内外产生一定的温度差，内外膨胀速率不同，导致砂浆表面产生微裂纹等[18]。

图4是60 ℃砂浆的渗透率与孔隙率随围压变化的关系图。围压加载初期，砂浆的渗透率和孔隙率大幅度下降，在之后加卸载阶段两者变化不大。可以看出，在加卸载阶段，渗透率和孔隙率的变化趋势相似，当围压卸载至3 MPa时，渗透率与孔隙率均不能回到初始值。这说明，在较低的温度下，砂浆的渗透率和孔隙率在加卸载围压后均具有不可逆性。

图4 60 ℃砂浆的渗透率与孔隙率

图5为3种升温速率在不同的温度下砂浆渗透率随围压变化的关系图。与60 ℃的对照组(图4)相比，砂浆渗透率增加了2个数量级(15 ℃/min升温至600 ℃)。当以10 ℃/min、15 ℃/min分别加热砂浆至500 ℃与600 ℃时，加载3 MPa围压下的渗透率较5 ℃/min时的渗透率相比分别提高了20.4%、73.9%与63.6%、88.7%。可以看出，加热温度越高，升温速率对渗透率的影响越大。在400 ℃时，升温速率从5 ℃/min升高至10 ℃/min时渗透率增加，升温速率为15 ℃/min时渗透率略有下降，由图5(a)400 ℃砂浆渗透率的曲线关系图可以看出，3种升温速率的渗透率非常相近，这说明了当加热温度较低时，升温速率对砂浆渗透率的影响不明显。

由图5可以进一步得出，升温速率越快，加热温度越高，对砂浆渗透率的影响越大，并且在加卸载围压的过程中，不可逆性越来越明显。这种不可逆性主要是在围压的作用下，裂缝的闭合和孔隙的压碎引起的，当围压减小时，其孔隙的变形无法完全恢复，并且砂浆在加卸载的过程中经历了塑性变形。从图5中可以观察到，所有损伤后的砂浆，在加卸载围压后渗透率均无法恢复到初始值。还可以看出，当围压卸载到3 MPa时砂浆的渗透率与围压加载到10 MPa时砂浆的渗透率非常接近。为了更详细地分析不同升温速率、不同温度作用后砂浆渗透率对围压的敏感程度，现对相对于围压的初始值进行归一化(即K/K3MPa)处理，如图6所示。

图5 不同温度和升温速率下砂浆渗透率随围压的变化

图6 不同温度与升温速率下砂浆渗透率归一化

K/K3MPa反映了砂浆渗透率对围压的敏感程度，其数值越接近1，表明砂浆受到围压的影响越小[18]。由图6可以看出，当温度为500 ℃、600 ℃时，10 ℃/min与15 ℃/min作用下的砂浆渗透率对围压的敏感程度与5 ℃/min相比略有增大，但3种升温速率之间差别很小，对围压的敏感程度比较相近。例如，在600 ℃下，当围压卸载到3 MPa时，K/K3MPa由5 ℃/min的0.529下降至15 ℃/min的0.499。因此，可以认为在同一温度内，不同升温速率作用后的砂浆渗透率对围压的敏感程度比较相近。在同一升温速率下，例如5 ℃/min，当围压卸载到3 MPa时，K/K3MPa由400 ℃的0.835下降到600 ℃的0.529；在15 ℃/min，当围压卸载到3 MPa时，K/K3MPa由400 ℃的0.837下降到600 ℃的0.499。因此，与升温速率相比，加热的温度对砂浆气体渗透率围压敏感性的影响更显著。同时，升温速率越快，加热温度越高，其气体渗透性对围压更敏感。

砂浆在升温速率快、加热温度高的作用下，其内部的孔结构发生改变，渗透率增大并且对围压更加敏感。这主要是因为自由水与结合水的散失以及水化物的分解，会导致孔径增大和微裂纹产生；胶凝材料和骨料之间不同的膨胀系数差异、材料各向异性造成两者的交界面产生微裂纹；同时，由于加热速率不同，砂浆内外产生了一定的温度差，膨胀速率不同，导致砂浆产生微裂纹。

2.3 砂浆孔隙率的变化

孔隙率是渗透率随围压变化之间的一个重要联系因素。随着围压的增大，砂浆内部的孔结构或微裂纹被压实，孔隙率减小，渗透率相应降低。砂浆孔隙率在不同温度与不同升温速率下随围压变化的关系如图7所示。在图7中，首先可以看出，无论是加热温度还是升温速率均对砂浆孔隙率有影响。与图4中60 ℃下相比，在加载3 MPa围压下，当温度以15 ℃/min升高至600 ℃时，砂浆的孔隙率由13.58%增加至23.97%，增大了1.77倍；在同一升温速率下，加热温度越高，砂浆孔隙率越大。例如，当升温速率为15 ℃/min时，在加载3 MPa围压下，砂浆孔隙率由400 ℃时的17.63%增加至600 ℃时的23.97%；在同一温度下，升温速率越快，砂浆孔隙率越大。例如，当加热温度为600 ℃时，在加载3 MPa围压下，孔隙率由升温速率5 ℃/min的22.19%增加至15 ℃/min的23.97%；由此可见，高温对砂浆孔隙率的影响大于升温速率的影响。同时升温速率越快，加热温度越高，砂浆孔隙率越大。由图7(b)和(c)可以看出，砂浆的孔隙率随围压的变化而变化，说明在温度超过500 ℃时，砂浆内部产生较大的裂纹和孔隙。同时，加热后的孔隙率对围压非常敏感，在加卸载围压过程中不可逆。例如，在升温速率为5 ℃/min时，当围压卸载到3 MPa时，此时3种温度的孔隙率分别仅恢复到加载3 MPa时的98.6%、98.6%和97.7%；在600 ℃时，当围压卸载到3 MPa时，此时3种速率的孔隙率分别恢复加载3 MPa时的97.7%、97.5%和97.2%。虽然卸载后的孔隙率与起始孔隙率相差并不大，但测得的渗透率有很大差异，这意味着渗透率对微裂纹的开闭合及孔隙的压碎更敏感。同时这也表明了，无论使用何种类型的材料(即处理或未处理)，围压水平(加载或卸载期间)如何，渗透能力的变化与孔隙率密切相关。现将所有孔隙率与对应下的渗透率进行拟合，如图8所示。将渗透率表示为一个关于孔隙率的函数，指数拟合效果良好，R2=0.928 9。

图7 不同温度和升温速率下砂浆孔隙率随围压的变化

图8 渗透率与孔隙率拟合函数曲线图

2.4 砂浆力学性能的变化

图9为不同温度、不同升温速率砂浆的抗压强度关系图。可以看出，随着温度的升高，砂浆的抗压强度逐渐降低，同一温度下，升温速率越快，抗压强度下降越多。与对照组60 ℃相比，当升温速率为15 ℃/min时，砂浆加热至400 ℃、500 ℃和600 ℃后的抗压强度分别降低了34.7%、49.1%和51.7%；当砂浆以不同升温速率加热至600 ℃时，与对照组相比，抗压强度分别降低了45.9%、48.7%和51.7%；可以得出，升温速率越快，加热温度越高，砂浆抗压强度降低的越大。值得注意的是在400 ℃时，升温速率为15 ℃/min的抗压强度大于前两种升温速率下的抗压强度。这主要是因为加热速率过快，升高至400 ℃的时间过短，砂浆受损伤的程度较低。

图9 砂浆的抗压强度

3 结 论

(1)当以3种升温速率分别加热砂浆至400 ℃、500 ℃、600 ℃时，升温速率越快，加热温度越高，砂浆气体渗透性越大；当以15 ℃/min加热砂浆至600 ℃时，与60 ℃相比，砂浆气体渗透性显著提高，增加了2个数量级。

(2)通过气体法测得的孔隙率，升温速率越快，加热温度越高，砂浆的孔隙率越大。孔隙率由13.58%(对照组)增加至23.97%(15 ℃/min加热至600 ℃)。

(3)在升温速率较快、加热温度较高的情况下，气体渗透率对围压的敏感性增强。当升温至600 ℃时，在加卸载围压后，砂浆气体渗透率不可逆的降低。这主要是由于某些裂纹始终保持闭合和某些孔隙最终被压碎，均无法完全恢复到初始状态。

(4)孔隙率对围压的敏感性与气体渗透率相比相对较小，但孔隙率对围压的敏感性也证实了一些孔隙的不可逆破碎。对于所有处理后的试样，在所有围压下的气体渗透率和孔隙率之间发现了很好的相关性,这说明渗透能力的变化与孔隙率密切相关。

(5)当以3种升温速率分别加热砂浆至400 ℃、500 ℃和600 ℃时，升温速率越快，加热温度越高，砂浆的抗压强度越低。