高温静置对混凝土性能的影响

高温静置对混凝土性能的影响

扫描电镜和x射线衍射材料的物理和化学分析是近年来迅速发展起来的一种分析手段。该方法充分利用现代高新技术手段，使其清洁可靠。混凝土是一个复杂的物相体系,利用X射线衍射分析和电子显微镜,能观察到混凝土的主要矿物组成和微观形貌.而对于火灾后的构件混凝土,由于受到火灾温度的作用,混凝土在水化、碳化和矿物分解后又产生了许多新的物相.火灾温度不同,所产生的相变和内部结构的变化程度亦不同.经受高温后,混凝土宏观性能的变化是其内部微观结构变化的结果.掌握这种相变和内部结构变化的规律,不仅可以应用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析来判定火灾温度,同时亦可对火灾高温后混凝土所表现的宏观性能进行准确的分析和判断.1试验总结1.1粗骨料和水泥本次试验共制作了355个试件,其中3个为100mm×100mm×100mm的立方体试件,3个为150mm×150mm×150mm的立方体试件,349个为100mm×100mm×300mm的棱柱体试件(用于本文研究的棱柱体试件共26个).试件制成后标养28d,在室温下气干15d以上以备加温.混凝土的粗骨料采用以钙质成分为主的碎卵石,粒径5～20mm;水泥采用北京琉璃河水泥厂生产的R32.5水泥;细骨料采用中砂;拌和水采用自来水.配合比为m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(石)=1∶0.46∶1.51∶2.98.常温下,该混凝土的立方体抗压强度为45.5MPa,棱柱体抗压强度为36.3MPa.试件的受火温度分别定为100,300,500,700和900°C,恒温受火时间为6h,这样可使试件内外温度保持一致1).高温后试件的冷却和养护方式分为自然冷却和自然养护、喷水冷却和自然养护、喷水冷却和潮湿环境养护3种,分别以A,B,C(本文未做试验)表示.试件的编号规则是:T表示温度,后面数字乘以100表示具体受火温度;R表示静置时间,后面数字表示高温冷却后放置的天数;N表示喷水冷却后放在自然环境中静置的B类试件,未标N者则为A类试件.本文试验的混凝土高温后静置时间为1,14,28d.1.2试件炉内温度检测本次试验的试件制备、养护、压溃及试件加温分别在冶金部建筑研究总院工程结构所物理实验室和加工厂进行.X射线衍射和扫描电镜试验在北京科技大学材料学院进行.采用KJX-45-9箱形电炉对试件进行加温.该电炉额定功率为45kW,电压380/220V,最高工作温度950°C,炉膛尺寸为1200mm×600mm×500mm,炉内温度可自动控制,达到预定温度后自动保持恒温.炉内温度波动范围在10°C左右,满足试验精度要求.试件升温过程按每升高100°C,保持恒温20min,直至达到预定温度后,保持恒温6h出炉.采用日本理学公司(1987)生产的D/MAX-RB型X射线衍射仪进行X射线衍射分析.该衍射仪为12kW旋转阳极,铜靶λcukα=1.5406,管电压40kV,管电流150mA,扫描速率为10°/min,石墨单色器.采用英国CAMBRIDGEINSTRUMENTS公司(1988)生产的STEREOSCAN360(S360)型电子显微镜进行扫描电镜分析,其分辨率为50.将高温后静置到预定时间的棱柱体试件放在压力机上压溃,分别在试件的芯部和表面取若干碎片,在研钵中尽量磨细(<10μm),然后将粉末放在有机玻璃的凹格中压实,并压光表面(在粉末中滴入几滴酒精,以增加粘性).用制备好的试样进行XRD分析.在上述压溃的试件芯部和表面另选较规整的薄片4片,用实验室专用气球干燥和除尘,气干后放在真空仪中抽真空,进行真空喷镀碳膜,厚度大约300.用镀膜后的试样进行SEM观察.2混凝土高温静态试验的结果和分析2.1透闪石caco3根据XRD分析(图1),本文试验用的粗骨料碎石和卵石的矿相主要为白云石CaMg(CO3)2,钠长石NaAlSi3O8,石英SiO2,方解石CaCO3,钾长石KAlSi3O8和绿泥石Mg5AlSi3AlO10(OH)8,此外还有微量透闪石Ca2Mg5Si8O22(OH)2等.水泥的矿相主要为C3S,C2S,C4AF和C3A,以及大量非晶质的玻璃相.2.2钙矿中aat和ch-h在光谱图像表征方面的分析通过XRD分析可知,常温条件下混凝土中除了原有骨料和水泥的矿相外,新生成的物相主要是水化硅酸钙C-S-H,钙矾石AFt和氢氧化钙CH.其中,CH相特征峰晶面距d=4.90,强度值460(count/s,表示每秒X射线产生的电流脉冲数),比较明显.从扫描电镜照片(图2)来看,其中大量絮状物为C-S-H;少量的细长棒状物为AFt;由于CH沉积于C-S-H中,其形貌不易辨认,但可见少量的CH片状沉积.2.31混凝土与ch的生长在100°C的受火温度之后,混凝土中CH衍射峰强度随静置时间的增加而逐渐减小(见图3).对于静置1,14,28d后的A类试件(d=4.90),其强度值分别为:1179,662,487;而对应的B类试件强度值则分别为:833,515,478.可见,较A类试件而言,B类试件CH的减少更加明显,这些减少的CH主要生成了新的C-S-H.从SEM分析看,静置时间达28d时,仍可见CH片状形貌(图4(c));水泥水化物比常温条件下的多,棒状物及针状物比常温下的略显粗大,表明100°C有利于水泥的水化,对混凝土强度的增长有益,例如T1R14和T1R28试件的抗压强度均高于常温下混凝土的抗压强度.100°C时AFt生长稳定,从扫描照片中可以见到很多细长棒状物.100°C条件下,混凝土中吸附水消失,孔洞清晰可见,其中的细长棒状AFt明显(图4(a),(b));静置一定时间后,在SEM照片中,可以看到大量的辐射团状及网络状的水化硅酸钙,尤其是B类试件(图4(d),(e)),而它们可以有效提高混凝土的抗压强度.在急速水冷的条件下(B类试件),发现混凝土中有明显裂纹,宽度1μm左右(图4(f)),其间有大量的水化物填充,此时,钙矾石尚未分解,XRD分析时,9.8附近衍射峰明显.2.43c-s-h的表征在300°C的受火温度下,结晶水开始失去,水泥的水化产物C-S-H,AFt和CH则开始脱水破坏.文献中描述了一种C-S-H和CH的脱水反应C1.62SΗ1.5→[(1-ξCSΗ)C1.62SΗ1.5+0.62ξCSΗC2S+0.38ξCSΗCS]+1.5ξCSΗΗ↑(1)C1.62SH1.5→[(1−ξCSH)C1.62SH1.5+0.62ξCSHC2S+0.38ξCSHCS]+1.5ξCSHH↑⏐(1)CΗ→[(1-ξCΗ)CΗ+ξCΗC]+ξCΗΗ↑(2)CH→[(1−ξCH)CH+ξCHC]+ξCHH↑⏐(2)其中,C1.62SH1.5是描述C-S-H的平均组成;ξCSH和ξCH为脱水反应的过程变量,是温度的单值函数.AFt的脱水反应方程式为3CaO·Al2Ο3⋅3CaSΟ4⋅32Η2Ο→3Al2O3⋅3CaSO4⋅32H2O→3CaO·Al2O3+3CaSO4+32H2O(3)其中,无水硫酸钙中尚有部分半水石膏CaSO4·0.5H2O.XRD分析表明,随着受火温度的升高,混凝土中各原始组分的d值大部分有不同程度的降低.取1,14,28d衍射峰强度的平均值进行比较,如表1所示.由表1可见,300°C下的CH含量比100°C下的减少了,而CaCO3的含量则增加了,说明此时混凝土已开始碳化,在SEM照片中亦可观察到具有菱形解理面的CaCO3(图5(a)).与100°C下的相比,300°C下各组分的d值有减小的趋势,说明在高温条件下其晶面距d值发生了微小变化,导致衍射峰强度减小;或者由于其它物相发生变化,使各组分衍射峰强度的相对值产生了变化.钙矾石从80°C开始分解,至200°C分解完毕.从图5(b)来看,未发现有钙矾石,但水泥水化物尚有,而且在照片上层次更清晰;骨料和水泥界面比100°C时清楚,说明此时水化物已大大减少,因而也使混凝土的抗压强度下降很多,与常温时相比,约减小20%,而相应的B类试件则减小30%左右.将急速水冷的B类试件静置28d后,在其SEM照片上发现裂纹明显增多(图5(c)),而且相互连通,最大裂纹宽度在1.5～2.0μm,并还发现有大量新生短小针状物分布在裂纹和缝隙中(图5(d)),说明在温度和水分的共同作用下,又新生成了一些水化硅酸钙,从而使混凝土的抗压强度略微回升,本文的混凝土抗压强度试验也证实了这一点.2.55混凝土的xrd分析在500°C的受火温度之下,结晶水几乎全部丧失,水泥水化物也接近消失.一般情况下,粘土类(C4AF,C3A等)、水泥水化物均在550°C左右分解,也就是说结晶水在550°C时就已完全被蒸发了.混凝土质量在450～550°C之间下降较快,这是由于CH的脱水造成的.在400°C左右的大气中,氢氧化钙分解成石灰和水蒸气,水化硅酸钙的分解则如下式xCaO·SiΟ2⋅yΗ2Ο→3SiO2⋅yH2O→3CaO·SiO2+(x-3)CaO+yH2O(4)绿泥石和透闪石的脱水反应为Μg5AlSi3AlΟ10(ΟΗ)8→Μg5AlSi3AlΟ14+4Η2Ο(5)Mg5AlSi3AlO10(OH)8→Mg5AlSi3AlO14+4H2O(5)(脱水绿泥石)Ca2Μg5Si8Ο22(ΟΗ)2→Ca2Μg5Si8Ο23+Η2Ο(6)Ca2Mg5Si8O22(OH)2→Ca2Mg5Si8O23+H2O(6)(脱水透闪石)表1的XRD分析结果表明,随着受火温度升高到500°C,混凝土中原始组分的衍射峰d值比300°C下的更小.从SEM照片来看,此时混凝土结构疏松,卵石骨料开始爆裂(图6(a)),层次不分明,有微量的水化物存在(图6(b)).静置28d的A类试件SEM照片中发现类似卷曲叶片状物相(图6(c)),应该是残余的水泥水化物.此外,在喷水冷却的B类试件中,除见到大量裂纹和空洞外,还有许多细小针状物(图6(d)),可见又有大量水化物生成,有的文献将之称为针硅酸钙,其反应方程式为3CaO·SiΟ2+2.17Η2Ο→2SiO2+2.17H2O→2CaO·SiO2·1.17H2O+Ca(OH)2(7)2.67混凝土抗压强度在700°C的受火温度之下,结晶水完全丧失,Ca(OH)2已不存在,方解石(CaCO3)有少量分解成CaO和CO2,此时,各矿相衍射峰强度变化情况也列于表1.因为α型石英在575°C时发生相变,蜕变为β型石英,其体积要增大0.86%,因此在575°C时石英骨料发生变形,产生严重裂缝(图7(a)),导致混凝土抗压强度在600°C后下降迅速.从SEM照片中可以看到,此时各种裂纹和孔洞更加清晰(图7(b)).在喷水冷却条件下,仍可见到大量针状或放射状水化物(图7(c),(d)),表明在700°C下,由于混凝土中存在大量裂纹,其结构更加疏松,使喷淋的水分比较容易进入其中,水化较充分.上述反应可用(7),(8),(9)式表述.式(9)中托勃莫来石的特征d值为10.1,3.05,2.93.CaSΟ4⋅0.5Η2Ο+1.5Η2Ο→CaSΟ4⋅2Η2Ο(8)CaSO4⋅0.5H2O+1.5H2O→CaSO4⋅2H2O(8)xCaO·SiΟ2+yΗ2Ο→xSiO2+yH2O→xCaO·SiO2·yH2O(9)(托勃莫来石)2.79温度对抗压强度的影响在900°C的受火温度之下,混凝土已不成形,白云石已经分解,其反应方程式为CaMg(CΟ3)2→CaΟ+ΜgΟ+2CΟ2↑(10)试验发现,当温度达到900°C时,对于A类试件,3d时抗压强度为常温下的11.6%,试件表面出现粗而且密的裂缝,形状已不规整;6d时抗压强度几乎为零,裂缝进一步发展,形状已发生扭曲;9d时试件已呈酥碎状.对于B类试件,当对其喷水冷却时,会发出很强的劈啪爆裂声,水泥砂浆剥落,骨料破碎,整体逐渐坍落,抗压强度为零.3高温对混凝土抗压强度的影响1.在100°C的受火温度之后,混凝土的微观形貌较常温下变化不大,有利于水泥的水化,加速水化物的生长.在300°C的受火温度之后,混凝土中结晶水开始散失,水化物开始分解.在受火温度达500°C之后,结晶水几乎全部丧失,水泥水化物分解殆尽,骨料相亦开始脱水,混凝土表面出现明显裂纹.在700°C的受火温度之后,结晶水完全丧失,水泥