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1、升温时普通和高强混凝土的剥落，热性能和水化行为摘要：这篇文章主要得出了高温下五种混凝土爆裂时的实验结果。实验试件放在室温到 150,300,450,600 摄氏度的冷热循环系统中。实验有两种加热速率（0.1和 1 摄氏度每分钟）在一个小时达到最大温度和自由的冷却时间。实验结果表明试件温度梯度和重量损失有关系。实验结果同时也表明混凝土热稳定性与水灰比，加热速率和试件密实度有关。实验也得出了出现剥落现象的关键因素和决定性温度。研究了引起爆裂的因素并定义为（1）低渗透率（2）混凝土中弱结合水的分离（3）温度梯度的增加。这表明单独的温度梯度不能解释混凝土的爆裂。简介以前许多研究已经表明火灾下混凝土热不
2、稳定性的危险。Hertz and Srensen (2005), Hertz(2003, 1992), Diederichs and Jumppanen (1989), Diederichset al. (1989), Phan and Carino (1998), Noumow (1995, 2003),Noumow et al. (1996, 2006), Zhukov (1994) and others (Sanjayan and Stocks 1993; Lin et al. 2004; Kanema et al. 2007)研究表明在某些情况下高温下混凝土构件可能出现爆裂。据 Aru
3、pFire Group (2005),脱落是指高温下或火灾中由于温度迅速升高引起的混凝土层或碎片从混凝土表面分离。Phan et al. (2001) 把爆裂定义为混凝土碎片突然从混凝土表面脱落并以很大的速度向四面八方飞去，并伴随有大量能量的释放。爆裂更容易发生在高强混凝土。Dierderichs 和 Jumppanen (1989), Hertz (1992), Phan 和 Carino (1998)的研究也表明爆裂发生的随机性，在相同的条件下并不是所有的混凝土均发生爆裂。许多参数会增加爆裂现象发生的几率。在 Anderberg (1997),Diederichs 和Jumppanen (
4、1989), Diederichs et al. (1989), Hertz(2003), Khoury (2006), 还有其他人 (Harmaty 1964; Kanema et al.2007; Noumow 1995; Noumow et al. 2009)的研究中，爆裂现象的影响因素有配合比、渗透率、水泥砂浆和骨料的不同的热膨胀系数，较高的含水量，加热速率和外部荷载。爆裂现象的产生是由于形成的水蒸汽压力高于抗拉强度(Anderberg 1997; Harmarthy 1964). Bazant and Kaplan (1997)。Ulm et al. (1999a, b), 和 Zh
5、ukov (1994), 认为热膨胀阻止了爆裂的发生。作者认为，以前的研究工作并没有把不同试件温度梯度和重量损失与非特定脱落现象的发生相联系。这份研究的主要目的是研究不同温度梯度和不同试件大小对普通混凝土和高强混凝土热稳定性的影响。实验步骤水泥使用满足欧盟标准的 CEM52.5N CP2 波特兰即普通水泥。表 1 给出了所使用水泥的矿物成分和物理力学特性。骨料是由硅土（70-75），石灰岩（20-25）和 feldspaths（5 ）组成的冲积砾石。沙子粒径是 0.00000.008m，细砾石粒径是 0.0050.010m，粗砾石是 0.0100.020m。沙子，细砾石，粗砾石的密度分别是 2
6、618,2563 和 2579/m 3,并且有低吸水率。所用的高效减水剂是含有改良聚羧酸系的高效减水剂。表 2 给出的是具体的混合物配合比。设计了五种混凝土，保持相对恒定的水泥砂浆和骨料的体积。水灰比在 0.62（B325）0.29（B500）之间，并掺入不同含量的高效减水剂来保持性能稳定性。新混凝土分两层放入模具中振捣。表面使用塑料盖以使试件保持湿润。称重后并在室温下保持三天。然后从模具中取出，称重，为避免任何形式的水分损耗，把混凝土浸没在充满氢氧钙石饱和液的保养箱中直到最后。保养环境避免了干燥裂缝的产生，保证混凝土含水量接近饱和含水量。可认为这些混凝土试件可以忽略水蒸发的影响。实验试件两种
7、圆柱形混凝土试件：0.110*0.220,0.160*0.320。每个试件的表面和中心都装有 K 型热电偶来测量温度（图 1） 。并将推导出试件温度和热梯度变化。冷热循环系统经过 28 天的保养后，混凝土试件放在可进行程序设定的不同的具有冷热循环的电子炉中。冷热循环系统可由室温加热到 150,300,450,600 摄氏度。炉中热循环系统包括升温时间，最大温度的持续时间，以及自由冷却时间。加热速率是 0.1或 1/min,最大温度的持续时间是 1h,冷却速率小于 1/min。所选择的加热和冷却速率以 RilemTechnical Committees 129-MHT (1995)为基础。表 3
8、 表现了混凝土试件的不同的热循环系统。每个冷热循环系统，0.110*0.220 或 0.160*0.320 试件的重量损失由连接到计算机的负载单元得到。试件冷热循环系统中质量损失每三分钟记录一次。结果和讨论表 4 给出了五个混凝土试件室温下 28 天后的力学性能。温差混凝土组成和加热速率的作用图 2（a）和图 3(a)分别给出了冷热循环系统以 1 和 0.1/min 速率加热到450时 B325 和 B500 的 0.160*0.320 混凝土试件表面和中心的温度发展。图2（b）和图 3(b)表现了温度变化的发展。尽管两种混凝土表面温度变化趋势相似，但是其中心温度变化方式不一样。这个现象可能是
9、由混凝土含水量不同造成的。混凝土试件中心温度变化与加热速率和含水量有关。通过混凝土试件表面和中心的温度我们可以了解在冷热循环系统中混凝土试件温度变化。图 4 和图 5 给出了温度变化的发展。加热过程中，两种混凝土温度变化的进展形状非常明确。B325 表面和中心温差高于 B500 混凝土。 ，研究了相同试件在室温到 200间高强混凝土的温度变化。加热速率是 1/min.他研究得到的温差是 90.这个温度高于 B500 温度的差异 60。这种差异与实验和混凝土保养条件有关。B500 温差的峰值出现在 B325 之后。温差随含水量增加而增加。加热过程中混凝土中水变成水蒸汽消耗热量。含水量越大消耗的热
10、量越多。试件表面和中心温度的较大差异也证明了这一点。（1984）也得出了高含水量对温差的相似作用。他们得出了在湿润保养环境下温差的两个峰值（在 160 和 550） ，同时得出混凝土试件在 105预干燥的条件下的峰值只有 500一个。 得出的结论表明峰值和汽化进化形式可通过改变水泥基质类型和加热速率得到改善。试件大小的影响图 6 和图 7 不同冷热循环系统下 B350，0.110*0.220 和 0.160*0.320 混凝土试件的温度。不同试件尺寸得到不同温差。加热过程中温差先增长达到最大值后下降最后稳定。在冷却过程中，温差减小并变的不利。两种试件在冷热循环中的最大温差发生在 450。0.1
11、10*0.220m 试件的最大温差接近 90（图 6） ，而0.160*0.320m 的最大温差接近 130（图 7） 。0.160*0.320m 温差峰值最大。这也证明一个事实，许多参数可以影响早期的水分的损失。重量损失图 811 给出了冷热循环系统下负载单位测得的试件重量损失变化。Khoury (2006)已经得到相似曲线并表明是水泥砂浆中水分丢失引起的重量损失。他认为在 600以上可忽略由骨料减少引起的重量损失。他还认为温度导致试件中水的移动，并且是引起试件中心蒸汽压力上升的起因。他明确指出混凝土试件在超过 100时，存在一个干燥区域（靠近加热表面） ，水分蒸发区（中间地带）和水分堵塞区
12、。他指出在超过 250300，干燥区扩大成一个单元，这时的重量损失是由于氢氧钙石和 CSH 的分解。Noumow (1995) 和 Gaweska (2004)在做高强混凝土试验时得到了相同的结论。混凝土混合物的影响图 8 给出了 B400 的混凝土在不同冷热循环系统下的重量损失变化，图 9 则表现了冷热循环系统下加热过程中不同混凝土混合物 600相同的变化。在 100-150之前，重量损失变化很小。这部分的损失与混凝土毛孔中一部分间隙水的分离相对应。在 150-300之间，混凝土以水蒸气的形式丢失水分是因为有足够大的压力使得液态水变为水蒸气。这部分损失大约是总水损失的 65-80%，这是由于
13、混凝土中气体渗透率大于液态水的渗透率。超过 300-350，结合水促使水的损失，并与之相对应的发生氢氧钙石的分解，这使得混凝土丧失了大量的力学性能。重量损失曲线表现了加热过程中混凝土不同的物理（基质中液态水的转移）和化学（基质的脱水）反应。另一方面，冷却过程中没有较明显的重量损失。Alonso 和 Fernandez (2004), Janotka 和 Nrnbergerova (2005), Alarcon-Ruiz et al. (2005)证明 CSH 的分解是从 300开始的。重量损失变化是混凝土混合物的函数。普通混凝土的重量损失要高于高强混凝土。试件尺寸的影响图 10 给出了 0.1
14、10*0.220m 和 0.160*0.320m 试件的重量损失变化。我们可以看到高温下 0.160*0.320m 试件重量损失有一个上升的转变。事实上，0.110*0.220m 试件在接近 300和 0.160*0.320m 试件接近 350时有第二个波折点转变。0.110*0.220m 试件的总重量损失小于 0.160*0.320m 试件的重量损失。加热速率的影响图 11 给出了 B500 混凝土在不同加热速率下的重量损失变化。比较0.110*0.220m 试件以 1 和 0.1/min 速率加热时的重量损失， 1/min 速率加热第二个波折点是 300，0.1/min 速率加热第二个波折
15、点是 200。加热速率影响混凝土材料中液体饱和度，并对试件中水的转移起着决定性作用。对于相同的试件尺寸，重量损失随加热速率的改变而改变。在 100 到300之间（图 11） ，1/min 加热速率的重量损失小于 0.1/min 加热速率的重量损失。超过 300时，重量损失相似。温差和重量损失图 12 比较了 B325 混凝土 0.110*0.220m 试件重量损失变化与温差变化。同时也研究了加热速率的变化。最大温差发生在试件表面温度接近 300时与此同时重量损失曲线出现下滑。两种加热速率下的结果是一样的。温差的不同可能与混凝土加热过程中不同的含水现象有关。剥落和未剥落试件图 13 曲线比较了出
16、现剥落现象和没有剥落现象的 B500 的混凝土试件。图 13 呈现的是 0.160*0.320m 试件出现剥落和未出现剥落现象的重量损失。出现剥落现象试件的重量损失和未出现剥落现象的重量损失非常相近。这种一致的重量损失并不能说明剥落是引起出现剥落现象试件重量损失的原因。在试件含水量接近 3.7%和表面温度达到 335C 时出现了爆裂现象。这个结果证明了 Hertz (2003) 和 Hertz 和 Srensen (2005)的结论，当含水量超过 3.0%时会有出现爆裂现象的风险。毛细管中孔隙水和混凝土中结合水的蒸发和流失时出现爆裂。因为结果仅仅是由 B500 混凝土试件得出，所以实验结论需要近一步的证明。热梯度热电偶安装在了一部分出现脱落现象的 0.160*0.320m 试件上，这样就可以得到出现爆裂现象时试件的热梯度。热梯度是试件内外温差与试件半径的比值。图 14 和图 15 给出了 0.160*0.320m 试件和 0.110*0
