摘要:混凝土作為盾構(gòu)隧道中鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性密切相關(guān),而不同礦物摻合料制備的混凝土性能存在差異。在800 ℃條件下,以所設(shè)計(jì)的混凝土鋼筋保護(hù)層厚度處(50 mm) 溫度達(dá)到250 ℃的時(shí)間確定為耐火極限,研究了不同礦物摻合料制備的盾構(gòu)管片混凝土在高溫作用下的性能。結(jié)果表明:混凝土試件在經(jīng)歷高溫作用時(shí),其中心處的溫度變化速率包括成峰,波動(dòng)和平穩(wěn)三個(gè)階段。摻加25 %礦粉試件(J 2) 的耐火極限為19 min ,爆裂面積為7. 06 cm2 ,測(cè)試結(jié)果優(yōu)于純水泥體系試件(J 0) 和摻加20 %粉煤灰試件(J 3) 。J 0 ,J 2 和J 3 達(dá)到耐火極限后冷卻36 h的物理力學(xué)性能損失率相近:抗壓強(qiáng)度損失率約為50 %,彈性模量損失率約為40 %。此外,J 0 ,J 2 和J 3的超聲波聲速值約為2. 5 km/ s。
關(guān)鍵詞:混凝土; 高溫; 耐火極限; 物理力學(xué)性能; 爆裂程度; 超聲波
中圖分類號(hào): TQ172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):100627329 (2008) 01-0125-04
在盾構(gòu)隧道中,管片是隧道結(jié)構(gòu)骨架和防水主體,也是最重要和最關(guān)鍵的襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件,而目前在盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的是鋼筋混凝土管片?；炷磷鳛殇摻罨炷凉芷Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,其性能直接與管片的使用性能和壽命相關(guān)。當(dāng)高溫作用時(shí),混7 凝土中水泥石脫水、集料晶型轉(zhuǎn)化、分解高蒸汽壓等物理化學(xué)性質(zhì)的變化所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變作用下,導(dǎo)致了性能的劣化,并最終造成了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。例如,1996 年11 月,英法海底隧道發(fā)生的火災(zāi)造成隧道內(nèi)表面高強(qiáng)混凝土爆裂,就導(dǎo)致隧道大面積的受損區(qū)域。因此,研究混凝土在高溫作用下的性能具有重要意義。文獻(xiàn)[ 1 ]表明:水灰比為0. 3 ,膠凝材料用量為500 kg/ m3 ,受火溫度為650 ℃時(shí),純水泥制備的混凝土試件出現(xiàn)了明顯的大裂縫,而摻加25 %粉煤灰的混凝土試件表面僅出現(xiàn)了細(xì)小網(wǎng)絡(luò)狀的裂紋,這表明礦物摻合料的摻入可以改善混凝土高溫后的性能。目前混凝土高溫后性能測(cè)試方法,存在主觀確定受熱制度,性能表征指標(biāo)單一,忽視混凝土中鋼筋高溫破壞的問(wèn)題,所以本文根據(jù)混凝土高溫破壞的特征,設(shè)計(jì)了一種混凝土高溫性能劣化的測(cè)試方法,主要研究了不同礦物摻合料制備盾構(gòu)隧道管片混凝土在高溫作用下的性能劣化,研究結(jié)論將有助于從材料體系的角度改善盾構(gòu)隧道管片混凝土高溫性能。
1 試驗(yàn)
1. 1 原材料
洋房牌42. 5 普通硅酸鹽水泥, 3 d 抗壓強(qiáng)度為27. 3 MPa ,3 d 抗折強(qiáng)度6. 0 MPa ,28 d 抗壓強(qiáng)度為52. 7 MPa ,28 d 抗折強(qiáng)度為9. 1 MPa ;中砂,細(xì)度模數(shù)為2. 5 ,含泥量為1. 0 %;5～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石,含泥量為1. 5 % ,針片狀含量為4. 5 % ,壓碎指標(biāo)為6. 2 ;武漢陽(yáng)邏Ⅱ級(jí)粉煤灰;武鋼礦粉,比表面積為450 m2 /kg ;RB 萘系減水劑。
1. 2 試驗(yàn)配合比
試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1 ?；炷撂涠葹?0 ～ 50mm ,試件成型后靜置3 h 進(jìn)行蒸養(yǎng),溫度設(shè)定為45℃,靜停、升溫、恒溫、降溫時(shí)間為3 h —3 h —4 h —2 h ;完成蒸養(yǎng)后,將混凝土試件轉(zhuǎn)移至(20 ±5 ℃) 水槽中養(yǎng)護(hù)7 d ,最后將試件取出標(biāo)養(yǎng)至90 d。
1. 3 試驗(yàn)方法
根據(jù)混凝土高溫性能劣化的特征[2 - 5 ] ,提出一種新型測(cè)試方法: 在目標(biāo)溫度場(chǎng)800 ℃條件下,以100mm ×100 mm ×100 mm 混凝土試件中心(即鋼筋保護(hù)層厚度為50 mm) 處溫度達(dá)到250 ℃時(shí)間確定為耐火極限。然后以該耐火極限為基準(zhǔn),根據(jù)混凝土試件內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化、高溫后的物理力學(xué)性能、混凝土試件的超聲波檢測(cè)、混凝土試件的爆裂情況,測(cè)試不同配比混凝土達(dá)到耐火極限時(shí),其性能的劣化情況。
800 ℃包括了混凝土在高溫作用下幾乎所有的物理化學(xué)變化,如:自由水與結(jié)晶水的脫逸;鈣礬石的分解;Ca (OH) 2 與C - S - H 凝膠的分解;SiO2 晶型轉(zhuǎn)變;碳酸鹽的大量分解等。耐火極限確定為250 ℃的依據(jù)在于:高溫作用時(shí),鋼筋強(qiáng)度與彈性模量在300 ℃～400 ℃發(fā)生明顯的衰減[2 ,3 ] ;而且荷蘭標(biāo)準(zhǔn)[6 ] 規(guī)定在混凝土覆蓋層厚度最少為25 mm 的條件下,增強(qiáng)鋼筋的表面溫度不應(yīng)超過(guò)250 ℃;德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[6 ] 規(guī)定鋼筋的表面溫度不應(yīng)超過(guò)300 ℃。
本次測(cè)試采用混凝土試件尺寸為100 mm ×100mm ×100 mm 的立方體試件和100 mm ×100 mm ×400 mm 的棱柱體試件, 養(yǎng)護(hù)齡期為90 d。其中100mm ×100mm ×100mm 立方體混凝土試件用于測(cè)試混凝土試件的耐火極限和內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化,需要在成型時(shí)預(yù)先于混凝土試件中心處埋設(shè)測(cè)溫元件;其他立方體試件分別用于測(cè)試室溫下和達(dá)到耐火極限后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度,爆裂程度和超聲波聲參量的變化。所有試件在達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行測(cè)試前,都應(yīng)提前一周置于溫度為(20 ±2) ℃,相對(duì)濕度為(60 ±5) %恒溫恒濕室(以下簡(jiǎn)稱,恒溫恒濕室) 中養(yǎng)護(hù),避免混凝土試件受外部環(huán)境的影響,導(dǎo)致對(duì)混凝土性能評(píng)價(jià)的偏差。
混凝土試件耐火極限與內(nèi)部溫度場(chǎng)測(cè)試:設(shè)定目標(biāo)溫度場(chǎng)為800 ℃,達(dá)到(800 ±5) ℃后,把事先準(zhǔn)備好的混凝土試件置于目標(biāo)溫度場(chǎng)中,從混凝土試件開(kāi)始接觸到目標(biāo)溫度場(chǎng)開(kāi)始計(jì)時(shí),進(jìn)行耐火極限與內(nèi)部溫度場(chǎng)變化的測(cè)定。這種測(cè)量采用手動(dòng)法。手動(dòng)法從計(jì)時(shí)零點(diǎn)開(kāi)始,采用溫控儀表人工讀取數(shù)據(jù),每隔1 min記錄溫度變化一次,直至試件內(nèi)部溫度接近800 ℃,溫度變化較小時(shí)止(每5 min 升溫速率小于1 ℃) 。
物理力學(xué)性能,爆裂程度和超聲波檢測(cè):在恒溫恒濕室中測(cè)定提前一周預(yù)置于該環(huán)境中混凝土試件的質(zhì)量,采用超聲波探測(cè)儀測(cè)定混凝土試件的波速。達(dá)到(800 ±5) ℃后,把準(zhǔn)備好的1 組混凝土試件置于該溫度場(chǎng)中。在達(dá)到耐火極限后,將試件取出后迅速轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕室中,記錄混凝土試件破損程度。置于恒溫恒濕室36 h 后,該組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失、彈性模量。
2 結(jié)果與討論
2. 1 耐火極限與內(nèi)部溫度場(chǎng)測(cè)試
表2 為100 mm ×100 mm ×100 mm 混凝土試件耐火極限與混凝土試件中心處溫度場(chǎng)變化的結(jié)果。由表2 可見(jiàn),就耐火極限而言,摻加25 %礦粉的試件(J 2)與摻加20 %粉煤灰的試件(J 3) 分別比空白樣試件(J 0)提高26. 7 %與13. 3 %;混凝土試件在800 ℃作用下,其中心處的平均溫度變化速率測(cè)試結(jié)果表明:J 2 抵抗高溫作用的能力優(yōu)于J 2 與J 3 ,雖然J 0 ,J 2 與J 3 在平均溫度變化速率上所體現(xiàn)出來(lái)的差別較小(約為1 ℃/min 左右) ,但隨著受熱時(shí)間的增加,不同礦物摻合料制備混凝土試件中心處的溫度差別將明顯體現(xiàn)出來(lái)(見(jiàn)圖1) 。此外,J 2 的最大溫度變化速率低于J 0 與J 3 ,說(shuō)明J 2 在高溫作用下所產(chǎn)生的溫度梯度小,遭受高溫作用的損傷程度低。
圖1 與圖2 分別從混凝土試件中心處溫度場(chǎng)和溫度場(chǎng)速率的變化,說(shuō)明了J 0 ,J 2 與J 3 在高溫作用下的損傷情況。從圖1 可知,當(dāng)受熱時(shí)間小于60 min 時(shí),混凝土試件中心處溫度上升劇烈; 受熱時(shí)間大于60min 時(shí),混凝土試件中心處溫度波動(dòng)較小,呈平穩(wěn)狀態(tài)。圖2 的結(jié)果表明:在800 ℃時(shí),混凝土試件中心處的溫度變化速率分為三個(gè)階段:第Ⅰ階段在剛開(kāi)始受熱的10 min 內(nèi)。此時(shí),混凝土試件遭受的溫度梯度約達(dá)到800 ℃,混凝土試件中心處溫度變化速率短時(shí)間達(dá)到極大值后,由于受熱溫度與熱傳導(dǎo)速率的限制而下降;第Ⅱ階段混凝土試件中心處溫度變化速率呈現(xiàn)出波動(dòng)起伏的變化趨勢(shì),這表明混凝土在高溫作用下的損傷過(guò)程是一個(gè)隨著熱量傳遞,混凝土各組成與結(jié)構(gòu)逐漸破壞的過(guò)程,該階段是混凝土經(jīng)受高溫作用,性能產(chǎn)生劣化的主要階段;第Ⅲ階段混凝土試件中心處溫度變化速率幾乎降為0 ℃/ min ,達(dá)到熱平衡狀態(tài)。
2. 2 高溫后物理力學(xué)性能
圖3 和圖4 為J 0 ,J 2 與J 3 達(dá)到耐火極限,靜置于
恒溫恒濕室中36 h 后的殘余抗壓強(qiáng)度與彈性模量。
從圖3 可見(jiàn),J 0 ,J 2 與J 3 達(dá)到耐火極限后的抗壓強(qiáng)度已發(fā)生明顯的衰減,抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到50 %左右。其中J 2 與J 3 的強(qiáng)度損失率比J 0 高10 %左右。圖4中J 0 ,J 2 與J 3 達(dá)到耐火極限后,彈性模量的損失率在40 %左右,不同礦物摻合料制備試件的彈性模量損失率差別較小。
2. 3 爆裂程度
爆裂是指混凝土在高溫(火災(zāi)) 作用下,達(dá)到一定溫度時(shí),在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下混凝土表面突然發(fā)生崩裂的現(xiàn)象。為了能夠較全面地說(shuō)明混凝土試件的爆裂程度,以混凝土高溫前后質(zhì)量損失率,爆裂試件數(shù)、爆裂形式,平均最大爆裂面積與最大爆裂深度進(jìn)行表征。其中,混凝土試件的爆裂形式分為三類:表面局部剝落;邊角和棱部出現(xiàn)剝落;斷裂。平均最大爆裂面積定義為一組混凝土試件中各試件最大爆裂面積的平均值,爆裂面積采用DT2000 圖像分析軟件(V2. 0) 對(duì)爆裂試件數(shù)碼照片進(jìn)行分析計(jì)算[7 ] 。
從表3 可知,J 2 在質(zhì)量損失率,爆裂試件數(shù)、爆裂形式,平均最大爆裂面積與最大爆裂深度的測(cè)試結(jié)果上均優(yōu)于J 0 與J 3 ,表現(xiàn)出較好的抵抗高溫作用能力。
圖5b 中J 2 的爆裂照片與J 0 (見(jiàn)圖5a) 和J 3 (見(jiàn)圖5c)相比較,具有完整的外觀,爆裂損傷區(qū)域小,說(shuō)明在制備混凝土?xí)r,適量的礦粉摻入到混凝土中有利于改善混凝土的抗爆裂高溫性能。
2. 4 超聲波聲參量測(cè)試
2. 4. 1 超聲脈沖波檢測(cè)儀
本次測(cè)試儀器為數(shù)字式超聲脈沖波檢測(cè)儀,其技術(shù)要求符合《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS 21 :2000) 的相關(guān)規(guī)定。
2. 4. 2 測(cè)試方法
采用對(duì)測(cè)法將一對(duì)發(fā)射和接收換能器分別耦合于100 mm ×100 mm ×100 mm 試件成型時(shí)的側(cè)面,兩個(gè)換能器的軸線位于同一直線上,每一個(gè)側(cè)面測(cè)試5 個(gè)點(diǎn),每組配比混凝土超聲脈沖波聲參量測(cè)試值取一組測(cè)試結(jié)果的平均值。
2. 4. 3 超聲脈沖波測(cè)試結(jié)果
圖6 表明:J 0 ,J 2和J 3 經(jīng)歷高溫作用前后的超聲波聲速發(fā)生了明顯的衰減,達(dá)到耐火極限后取出冷卻36 h 的聲速值約為2. 5 km/ s ,聲速損失率分別達(dá)到55. 3 % , 63. 5 %和59. 8 %。文獻(xiàn)[8 ] 表明,混凝土遭受破壞的程度與聲速呈對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)聲速大于4 km/ s 時(shí),混凝土破壞程度不大;當(dāng)聲速小于3 km/ s 時(shí),混凝土遭受破壞程度很高;當(dāng)聲速界于3 km/ s 和4 km/ s 之間時(shí),混凝土破壞程度屬中等。從圖7 中J 0 ,J 2 和J 3 經(jīng)歷高溫作用前后的超聲波聲速值可以看出,高溫前各組配比混凝土的聲速值在5. 5 km/ s 左右,高溫作用后聲速值在2. 5km/ s 左右,這說(shuō)明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度嚴(yán)重。
3 機(jī)理分析
經(jīng)歷高溫作用后,混凝土的性能與結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化的主要原因在于混凝土自身物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了負(fù)面變化?；炷辽郎氐?00 ℃左右時(shí),水泥砂漿和骨料中的自由水分蒸發(fā),鈣礬石分解;300 ℃左右時(shí),混凝土中結(jié)晶水開(kāi)始散失,水化產(chǎn)物開(kāi)始分解; 500 ℃左右時(shí),結(jié)晶水幾乎全部喪失,水化產(chǎn)物大量分解,混凝土整體結(jié)構(gòu)已變酥松; 800 ℃左右時(shí),鈣質(zhì)骨料的碳酸鹽分解。
4 結(jié)論
1) 不同摻合料制備混凝土試件在目標(biāo)溫度場(chǎng)800℃的作用下,其中心處的溫度變化速率分為三個(gè)階段:第Ⅰ階段,混凝土試件中心處溫度變化速率短時(shí)間達(dá)到極大值后,迅速下降;第Ⅱ階段混凝土試件中心處溫度變化速率呈現(xiàn)出波動(dòng)起伏的變化趨勢(shì);第Ⅲ階段混凝土試件中心處溫度變化速率幾乎降為0 ℃/ min ,達(dá)到熱平衡狀態(tài)。
2) 25 %礦粉的混凝土試件(J 2) 耐火極限為19min ,分別比摻加20 %粉煤灰的混凝土試件(J 3) 和空白樣(J 0) 提高了26. 7 %與13. 3 %。
3)J 0 ,J 2 和J 3 達(dá)到耐火極限后冷卻36 h 的物理力學(xué)性能損失率相近, 其中抗壓強(qiáng)度損失率約為50 %,而彈性模量損失率約為40 %。
4) 與J 0 和J 3 相比,J 2 的爆裂程度較低。
5)J 0 ,J 2 和J 3 達(dá)到耐火極限后取出冷卻36 h 的聲時(shí)值與室溫時(shí)相比,表明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度嚴(yán)重。
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