高温及冻融后蒸压轻质混凝土力学性能研究_马芹永.pdf

第 卷 第 期安徽理工大学学报（自然科学版）年 月 （）高温及冻融后蒸压轻质混凝土力学性能研究马芹永，李龙钰，袁 璞，王静峰，王 波，沈万玉（安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南；安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南；合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥；安徽富煌钢构股份有限公司技术中心，安徽合肥）摘 要：为研究蒸压轻质混凝土结构在高温冻融耦合作用下力学性能的变化情况，将不同高温处理后的蒸压轻质混凝土试件经过冻融循环试验后进行静态力学性能试验，研究了不同温度、不同冻融方法对蒸压轻质混凝土试件抗压强度、弹性模量、应力应变关系、能量吸收的影响。试验结果表明，蒸压轻质混凝土试件经高温与冻融循环耦合作用后，随着处理温度增加，其抗压强度减小，弹性模量降低，塑性提高，应力应变曲线变平缓，峰值应力减小，峰值应变增加，能量吸收减小，盐冻冻融循环相较于水冻冻融循环对高温处理后试件的力学性能劣化影响更大，使得试件破坏所需吸收的能量更小。关键词：蒸压轻质混凝土；高温处理；冻融循环；应力应变关系；能量吸收中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：安徽省高校协同创新项目（）；安徽理工大学研究生创新基金资助项目（）作者简介：马芹永（），男，安徽宿州人，教授，博士，研究方向：混凝土材料。，（，；，；，；，）：，：；建筑火灾是目前人类社会所面临的巨大难题，对经济健康发展、社会进步、城镇化进程具有较大威胁。因此，研究耐高温性能的建筑材料具有重要意义。除了高温作用，冻融破坏也经常造成建筑结构耐久性能的下降。冻融作用、盐冻破坏造成的混凝土损伤会极大危害建筑物的建造和耐久性能。目前已有学者对高温后混凝土的力学性能、混凝土在遭受冻融损伤后的力学性能进行了研究，文献研究发现高温大大降低了混凝土的抗冻耐久性，温度愈高试件损伤越大，尤其是高温处理与冻融循环双重作用更加剧了试件力学性能的损伤。文献经试验得到盐冻循环比水冻循环对试件的损伤更严重，并且试件的超声参数、力学性能指标等明显降低。文献通过试验发现较单纯冻融循环作用，海水侵蚀冻融循环耦合作用对混凝土性能造成的损伤更大。文献通过超声无损检测发现，高延性混凝土经冻融循环作用后内部损伤加大且性能退化。但目前对高温作用下的混凝土结构再经受冻害损伤后的力学性能的研究还不充分。蒸压轻质混凝土（，）板材是一种具有环保、隔热保温、耐火、造价低、质轻等优点的新型建筑材料，具有较好的应用前景与市场竞争力。因此，本课题对经历高温后的 进行冻融循环试验，探讨不同温度、不同冻融方法对 试件的抗压强度、弹性模量、应力应变关系和能量吸收的影响，以期为实际工程中 的设计施工提供理论参考。试验设计与方法 试验原材料试验原材料选用安徽富煌钢构公司生产线提供的 板材，其强度等级为，干密度等级为，干密度不大于 ，导热系数不大于 （）。试件制作试验仪器为取芯机、切割机、双面打磨机、箱式电阻炉、非金属声波检测仪、冻融循环箱。对 板材进行取芯、切割处理成 的圆柱体试件。打磨试件表面，误差不超过，两端水平角度误差小于等于。试验方法将取芯后的 试件置于（）的烘箱中，将烘干后的试件在室温环境下放置，之后在 箱式电阻炉中进行高温试验。分别在设计温度为、时恒温，等试件自然冷却至室温后取出。将常温 经冻融循环试验处理后的 试件设为对照组。根据快冻法试验，在两个水槽内分别加入水和 溶液，保持（）恒温，再将高温处理后的试件分别放入两个水槽内浸泡，然后取出放人密封的塑料袋中静置。将密封完好的试件放入高低温箱中，在 下冷冻，接着在下融化，为一个循环，共进行 次。采用量程为 的万能试验机，对经过高温和冻融循环试验处理后的 试件进行静态力学性能试验，选择 的加载速度，分析抗压强度变化、弹性模量变化、应力应变曲线特征和能量吸收等。试验结果及分析 抗压强度试验结果与分析试件在不同温度下恒温 后，再经水冻冻融循环和盐冻冻融循环试验各 次，其抗压强度如图 所示。在 之前，水冻冻融循环试件的抗压强度随着温度的升高呈下降趋势；当温度为 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷时抗压强度为 ；当温度为 时，经高温处理的试件在冻融循环处理后发生冻胀开裂，导致其抗压强度急剧下降，时已降至原值的。盐冻冻融循环试件因为盐类侵蚀与盐结晶压力的双重损伤，使其抗压强度相较于水冻循环下降更快，时其抗压强度为，时其抗压强度降至常温对照组试件的 左右。图 抗压强度与温度的关系 弹性模量分析依照普通混凝土力学性能试验方法标准（），计算试件的弹性模量。（）（）（）式中，为 试件弹性模量，；为应力为 轴心抗压强度时的荷载，；为应力为 时的初始荷载，；为测量表距，；为试件承压面积，；为从 加荷到 时试件的变形差，。弹性模量与温度的关系如图 所示，随着温度升高，两种不同冻融循环处理后试件的弹性模量均呈降低趋势。这可能是因为高温作用使得试件内部结构变疏松、密实度降低、抗渗透能力下降，导致冻融过程中水分更容易渗入试件内部，冻结过程中试件体积膨胀开裂，容易发生塑性破坏，弹性模量不断降低。对于水冻冻融循环试件，在 时弹性模量为；对于盐冻冻融循环试件，氯盐的存在对试件造成侵蚀且冻结过程中产生较大的盐结晶压力，其破坏程度比水冻冻融循环更大，时试件的弹性模量约为。图 弹性模量与温度的关系 应力应变曲线分析不同温度与冷却方式下 的应力应变曲线包括压密阶段、弹塑性阶段、破坏阶段和残余阶段，如图 所示。（）水冻（）盐冻图 应力应变曲线与温度的关系第 期 马芹永，等：高温及冻融后蒸压轻质混凝土力学性能研究由图 可知，当温度不高于 时，试件的应力应变曲线与常温对照组较为相似；当处理温度高于 时，因为高温与冻融循环耦合作用使得 试件凝胶体分解、内部结构破坏、孔隙裂纹增多，导致 试件破坏加剧，峰值应力降低值大于常温时，峰值应变相应升高，应力应变曲线的“最高点”逐渐向右下方移动。相对于水冻冻融循环试件，因为盐溶液的渗透能力远大于水溶液，在冻结过程中，盐冻冻融循环试件内部所吸收的可冻结水分含量更高，试件冻胀开裂程度更大，且氯盐侵蚀造成内部损伤更大；宏观表现为盐冻冻融循环后试件的应力应变曲线更加平缓，峰值应力更低，峰值应变更大，且随着处理温度升高，不同冻融方法对试件应力应变曲线影响逐渐增大。能量吸收分析在对 从施加荷载开始到试件受压破坏为止，外荷载所作的功转化为 吸收的能量。试件破坏时所吸收的能量可以通过计算应力应变曲线与坐标轴之间的面积积分得到，计算公式如下（）（）式中，表示 试件吸收的能量，；表示 时刻时 试件的应力，；表示 时刻时 试件的应变。吸收能与温度的关系如图 所示，随着温度的升高，高温处理后的 试件在经过冻融循环作用后，表面裂纹贯通延伸，试件在承受较低荷载时即发生破坏，能量吸收明显降低。盐冻冻融循环试件因为氯盐的存在使得对 试件造成的损伤破坏更加严重。因此，试件从经受荷载作用到完全破坏期间，外荷载所作的功更小，吸收能量也更小，仅为水冻冻融循环试件能量吸收量的 左右。结语（）随着处理温度升高，试件在经过冻融循环作用后抗压强度不断下降，且呈先慢后快趋势；峰值应力不断下降、峰值应变变大、应力应变曲线的“最高点”逐渐向右下方移动，能量吸收减少。相比水冻冻融循环试件，氯盐的存在使盐冻冻图 吸收能与温度的关系融循环试件抗压强度下降更多、应力应变曲线更加扁平化、峰值应力更低、峰值应变更大、发生破坏时能量吸收更少。（）经过试验与分析，可得到 试件经过高温冻融耦合作用后力学性能的变化情况，为实际工程中研究遭受火灾高温与冻融作用后 结构的设计施工与使用寿命提供参考。（）在实际工程中，除高温冻融耦合作用外，结构还可能受到干湿循环和风力侵蚀等作用，因此多种环境耦合作用下 的力学特性还需进一步研究。参考文献：张冲高温后再生混凝土的残余抗压强度及抗冻耐久性试验研究西安：西安建筑科技大学，赵军，元成方，张戈高温作用后聚丙烯纤维混凝土的抗冻性材料科学与工程学报，（）：李秀，徐文康，朱红兵，等清水及氯盐环境下陶粒混凝土冻融损伤规律试验研究混凝土与水泥制品，（）：，（）：寇佳亮，张卓越，孙国兴，等高延性混凝土冻融损伤的超声波研究建筑结构，（）：，普通混凝土力学性能试验方法标准北京：中国建筑工业出版社，熊小斌，王瑞骏，李阳，等单掺和混掺纤维面板混凝 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷土抗盐冻耐久性试验研究水资源与水工程学报，（）：黄灵芝，柯梅尉，司政，等冻融损伤混凝土单轴压缩细观破坏研究应用力学学报，（）：，：时旭东，李亚强，李俊林，等不同超低温温度区间冻融循环作用混凝土受压强度试验研究工程力学，（）：吴倩云，马芹永，王莹冻融循环作用下玄武岩纤维矿渣粉粉煤灰混凝土压拉强度试验与细观结构复合材料学报，（）：，（）：石兆丰，牟献友，冀鸿兰，等冻融循环下黄河堤岸粉土力学特性及应力应变归一化分析干旱区资源与环境，（）：田威，田雪萍，裴志茹，等不同加载条件下混凝土冻融循环能量特征应用基础与工程科学学报，（）：张尧，李波波，任崇鸿，等循环荷载下煤岩弹塑性损伤的能量机制分析中国安全科学学报，（）：（责任编辑：丁 寒）欢迎订阅安徽理工大学学报（自然科学版），欢迎投稿 安徽理工大学学报（自然科学版）年创刊，双月刊，每期定价 元，全年定价 元。安徽理工大学学报（自然科学版）为安徽理工大学主办的综合性学术刊物，主要刊载地质工程、环境工程、测绘工程、采矿工程、安全工程、信息管理与信息系统、土木工程、建筑学、机械工程、测控技术与仪器、自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、矿物加工工程、化学工程与工艺、弹药工程与爆炸技术、制药工程、信息与计算科学、应用物理学、医学以及相关基础学科的学术论文和最新研究成果等。本刊国内外公开发行，侧重体现本校特色，面向国内外组稿。本刊是 规范执行优秀期刊，美国化学文摘（）源期刊，美国剑桥科学文摘（）源期刊，俄罗斯文摘杂志（）源期刊，中国科技论文统计源期刊，中文科技期刊数据库源期刊，中国学术期刊综合评价数据库源期刊，此外，我刊还是中国期刊网、中国学术期刊（光盘版）全文收录期刊和万方数据 数字化期刊群上网期刊。另外，我刊和全国各高校学报、科研院所出版的刊物均有学术交流，凡被本刊发表的研究成果及论文，能很快地传播并及时为国内外同行专家引用。本刊参加全国非邮发报刊联合征订，请读者向天津市大寺泉集北里别墅 号（邮编）天津市河西区联合征订服务部直接汇款订阅，不必先索取订单，由本刊负责将刊物寄给订户。也可直接向本刊订阅，由邮局汇款到安徽省淮南市安徽理工大学学术出版中心。邮政编码：电 话：第 期 马芹永，等：高温及冻融后蒸压轻质混凝土力学性能研究