引气剂对混凝土耐火性影响的“不容小觑”

　　摘要:引气剂作为混凝土常用外掺剂,凭借优异的性能逐渐得到广泛应用,但其对混凝土耐火性的影响尚不明确。以C30混凝土为例,通过试验探究了600 C情况下引气剂对混凝土导热性及抗压强度的影响。试验结果表明，与普通混凝土相比,在相同的加热条件下,引气剂通过改善混凝土内部微孔结构，能够降低材料导热系数,一定程度上降低试件内部温度。同时,掺入引气剂的试件内部裂隙发育程度较弱,残余承载力虽稍逊于普通混凝土,但材料稳定性更好,试件残余承载力离散性更小.

　　混凝:土是我国目前的主流建筑材料,其耐火性直接关乎结构的防火性能。随着社会对高性能混凝土需求的日益增长及混凝土配合比设计的不断发展和完善,外掺剂作为改善混凝土性能的常见手段,逐渐得到业内广泛认可.其中，引气剂即为常见的外掺剂之--.目前，国外许多国家已经广泛推广甚至强制性规定对引气剂的使用(1-2),我国自20世纪50年代起主要把引气剂用于水利工程、港口工程及公路工程,用以改善混凝:土的抗冻抗渗及抗折强度5-5,其在混凝士住宅中的推广使用势必成为行业趋势.在混凝土耐火性方面,骨料类型、骨料含量、混凝土含水率以及孔隙率是影响混凝士耐火性的重要因素[5-8],而引气剂对混凝土内部的孔隙率及空隙特征有显著影响.为此,本文以C30混凝土为例,通过试验初步探究”了掺入引气剂的混凝土在600C高温状况下的导热性能,及其在高温作用后的抗压强度损失程度,以期为引气剂在国内的推广应用提供相关参考。

　　1引气剂对混凝土性能的影响

　　引气剂通过在混凝土内引入大量封闭的均匀分布的微小气泡来改变混凝士内部孔隙结构,从而改变混凝土的相关性能5911.其中,最为显著的是对混凝土的抗压强度、抗渗性及韧性的影响.有研究结果认为。混凝土内含气量每增加1%,其强度降低4%~5%;当含气量控制在4%以内时,其抗压强度损失不会超过15%[12].此外,引气剂通过对混凝:土抗冻、抗渗等性能的改善能够显著提高混凝上的耐久性([3),带来长远的经济效益。在强度损失方面,不显著降低混凝土强度的优质引气剂研发已经取得了突出进展[4].而且,随着混凝土配合比设计的日益发展、完善以及新材料的不断研发,由引气剂产生的材料强度折损可以通过其他手段得到弥补,例如目前常见的引气剂-减水剂双掺工艺及矿物掺合料复掺工艺,等等.

　　2混凝土的高温破坏理论

　　混凝上材料本身具有一定的耐高温性,普通硅酸盐混凝土在200~300C的情况下强度变化不大,甚至稍有提高;温度达到300~400C时,混凝土除了自由水蒸发之外结合水开始逸出,强度下降;温度达到500C左右时，水泥浆块中的Ca(OH)2开始分解,硅酸盐类粗骨料在570C左右时出现晶体转化并伴随热膨胀,混凝土开始出现破坏I5].对于混凝土在高温情况下的破坏理论,目前的主流解释主要有空隙水(汽)压力学说、应力学说热和热开裂学说。空隙水(汽)压力该学说认为,混凝土的低渗透性对孔隙水(液态或气态形式)自有转移的限制会产生的较大内部蒸汽压,当蒸汽压达到混凝土的抗拉强度时就会撕裂混凝土,出现裂缝、剥落甚至爆裂现象;热应力学说该学说认为,混凝土内部的温度差及不均匀温度应变会产生较大应力,从而导致裂缝的产生,开裂之后内部水蒸气逸散并形成局部低应力区，进而与周边未开裂区再次形成应力差,导致开裂连锁反应;热开裂学说认为,混凝土作为非均匀多相复合材料,在高温作用下会由于水化物热分解、骨料与水泥浆体之间应变不匹配以及温度梯度等原因产生混凝土的开裂.

　　3掺入引气剂的混凝土耐火性试验

　　3.1试验方案

　　混凝土强度等级为C30,水泥采用普通硅酸盐水泥,粗骨料为花岗岩颗粒及优质粗砂,配合比中同时掺入粉煤灰以弥补引气剂导致的强度损失。参考相关规范0[7],对照组的普通混凝土配合比见表1.引气剂组混凝土配合比在对照组的基础.上加入松香类引气剂。根据已有研究成果,当引气剂在混凝土内含气的体积分数≤5.1%时，其内部最几孔径基本维持不变,孔隙结构也较为合理[18].因此,试验组的引气剂掺量取用水量的0.34%o,此时混凝土内部气相体积分数将不超过4%,孔隙结构较为合理.

　　在实际工程中,构件多为单向受热或双向受热，几乎不存在三向受热的情况。因此,该试验采用150mmX150mmX300mm的棱柱体试件,通过增加竖向传热路径来减小该方向热传递对试件内部的影响，模拟混凝土双向受热的情况。试件共分为两组,即引气剂组和对照组,两组试验25C试件各设3个,600C试件各设9个.试件制作过程中,两组试件以相同工序完成制作，以减少人为因素对试验结果的影响.制作完成之后,置试件于阴凉处浇水养护7d,然后自然养护90d,初步排除过多自由水，避免加热过程中出现爆裂7.试件养护完成之后,置于大功率电加热箱内以相同加热功率加热试件,箱体四周的电热丝作为热源,最高温度可达800C,当加热箱内温度升至目标温度后持荷3h,然后自然冷却至25C并测定试件质量损失和残余抗压强度.布置在加热箱内和预埋于试件中心点的K型镍铬-镍硅热电偶用于反馈试验过程中的温度时程,该电偶在1000C以下具有较好的热稳定性.由于加热箱尺寸的限制，故将试件错位布置以避免相互靠近而导致的试件局部受热不均(图1).

　　3.2引气剂对混凝土导热性的影响

　　根据试验结果，两组试件在加热过程中的升温趋势总体上较为一.致,绘制引气剂组和对照组试件的平均升温时程曲线如图2.从图中可以看出，两组试件升温过程总体.致,大致分为3个阶段,即初期升温阶段、温度维持阶段以及缓慢升温阶段.在初期升温阶段,混凝土处于非饱和状态,除内部部分液态水汽化之外，混凝土中各组分变化不大,随着箱内温度的迅速升高,试件中心温度基本呈线性增长(图2(a));当引气剂组试件内部温度升至130 C时，试件内部裂隙开始发育,内部自由水以蒸汽形式沿裂隙逸出并带走大量热量，水蒸气带走的热量与试件吸收的热量基本保持平衡，试件中心点温度在该阶段内基本维持不变(图2(b)).同时,在此过程中由于大量逸出的水蒸气排出加热箱造成的热量损失,加热箱内温度出现小幅度下跌,并在此之后基本维持稳定，直至试件内自由水全部排除，然后试件进入缓慢升温阶段.缓慢升温过程中,混凝土内部结合水开始分解、流失,流失速度逐渐减缓，直至试件达到干燥状态。随着水分排出速度的减慢,试件和加热箱内的热量流失速度也放缓,加热箱内温度逐渐升至600C之后进入3h的持荷过程，而试件内温度则继续缓慢增长,最终达到515C.与引气剂组试件相比，普通混凝土试件的温度维持阶段稍短，之后的升温过程也更加不稳定,有明显的波动，试件最终温度达到了570 C.造成混凝土试件内部最终温度不同的原因主要在于两种混凝土的导热系数不同。作为多相复合材料,混凝:士等效导热系数与其各相组分之间的关系可以用式(1)~(2)表示[以]:.

　　从图中可以看出,入。随着v和Up的增加而降低,而混凝土在受热过程中,Ump会随着孔隙水的逸出和内部微裂缝的发展而增大,导致材料整体导热系数降低。同时,随着试件中心温度升高,试件内外温度梯度减小，热交换过程减慢,升温过程趋缓。测量试验前后两组试件的质量变化可以看出，引气剂组和对照组试件的平均排水比例分别为6.889%和6.938%,即试验过程中水分逸出对结构的贡献基本一致。在裂隙发育方面，引气剂通过改善混凝土内部的孔隙结构减弱了其裂隙发育程度(详细分析见3.2.2节).因此，引气剂对混凝土导热性能的影响主要在于其在混凝士中引入的大量气泡对混凝土0wp的提高。同时,附着在粗骨料表面的气泡还能缓解“热桥效应”,进-.步降低了混凝土的导热系数0-2),最终使引气剂组试件在相同加热方式下温度较对照组试件低65 C.