碳化高温后混凝土力学性能的试验研究*

赵燕茹 石 磊 白建文 王志慧

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学矿业学院，呼和浩特 010051；3.中国航空油料有限责任公司内蒙古分公司，呼和浩特 010051)

现有监测数据表明，空气中的CO2含量已经超过了415×10-9，成为有记录以来的最高值[1]。由于混凝土表面不完全密实，CO2会进入混凝土内部与胶凝材料发生水化反应，降低其酸碱度(pH)，导致钢筋表面的钝化膜发生破坏，从而降低钢筋混凝土的力学性能[2]。贾星亮的研究[3]表明温度和湿度的改变都对混凝土的碳化速度产生影响；马腾飞的研究[4]表明素混凝土的碳化反应会提高其力学性能；兰大鹏等的研究[5]发现温度的改变会影响混凝土内离子的运动，导致碳化反应发生变化。

在实际工程中，例如烟囱结构、遭遇火灾的混凝土结构，在高温环境持续作用下，承载力下降，导致结构局部或整体倒塌，给人民群众的生命财产安全带来威胁，因此对高温后混凝土性能的研究具有重要的现实意义。高温环境下，混凝土内的水分由液态转变为气态，使得混凝土内部产生压力，导致混凝土的力学性能发生劣化[6]。多位学者分析表明高温环境下混凝土的抗压强度将会降低，且强度损失率与质量损失率之间存在着一定的关系[7-9]；赵东拂等研究了经历不同温度及恒温时间后，混凝土内部微观结构的变化规律[10]；申嘉荣等的研究[11]发现，在高温环境下混凝土内部的孔隙结构会显著影响其力学性能；Geng等通过试验[12]发现可依据声发射对高温后混凝土损伤程度做出评定；Fu等的研究[13]发现，高温时混凝土的弹性模量较常温时基本不变或略有降低。

长期暴露于空气中的混凝土结构在经历火灾时，会遭受碳化和高温的共同作用。高温会导致碳化反应生成的CaCO3分解，引起混凝土强度的变化[14]，这将对混凝土结构的耐久性造成威胁，因此对碳化高温后混凝土性能的研究具有重要的工程意义。为此，通过对碳化高温后混凝土力学性能的分析，拟建立基于碳化高温后混凝土质量损失率的抗压及抗折强度计算式，可为实际工程在不同碳化龄期、不同目标温度下预估混凝土的抗压、抗折强度提供参考。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料及配合比

试验所采用的混凝土强度等级为C30，其配合比见表1。水泥选用普通硅酸盐水泥；石子的公称粒径为5～20 mm，密度为2 800 kg/m3；砂的细度模数为2.45，密度为2 650 kg/m3。

表1 混凝土配合比Table 1 Proportion of concrete mix

1.2 试验方案

选用的混凝土尺寸分为两种：60块100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，用于碳化高温后抗压强度的测试；60块100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，用于碳化高温后抗折强度的测试。

试件标准养护28 d后，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[15]中的碳化试验方法进行，碳化龄期为0，7，14，28 d。将达到碳化龄期的混凝土试件放入高温炉中进行高温试验。试验高温炉选用GW-1000高温箱，升温曲线依据式(1)[16-18]进行。试验设置了5个目标温度：20，200，400，600，800 ℃。到达目标温度后，恒温2 h，自动关机停止加热，采用自然冷却的方式使试件冷却至室温。

T-T0= 345lg(8t+1)

(1)

式中：T为t时刻的目标温度；T0为试验初始温度，试验为20 ℃；t为升温时间，min。

混凝土碳化高温试验方案具体为：4种碳化龄期后的混凝土试件分别进行5个目标温度的高温试验，试验共分20组，每组立方体、棱柱体试件各3块，分别用于混凝土碳化高温后抗压强度和抗折强度试验。混凝土抗压强度试验采用微机控制电液伺服万能试验机，加载方式采用位移控制，加载速率为1 mm/min。混凝土抗折强度试验采用MTS系统万能试验机，加载方式采用三点弯曲加载，加载速率为0.5 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土碳化深度

图1表示不同碳化龄期下，试件碳化深度外观图，其中深灰色区域表示未碳化区，浅灰色区域表示碳化区。通过观察外观图可发现，碳化进行到第7天时，碳化区集中在四边缘处，所占面积很小；碳化进行到第14、28天时，碳化区逐渐由四边缘处向中心扩散，所占面积不断增加。由此可知，碳化深度与碳化的时间呈正相关，故碳化龄期是决定碳化深度的一个重要原因。

a—第7天；b—第14天；c—第28天。图1 试件碳化深度外观Fig.1 Appearances of carbonization depth for specimens

图2表示碳化深度随龄期的变化曲线。碳化从开始进行到第7天，曲线的斜率较陡，表明这时碳化深度急速增加，碳化速度较快。这是因为在碳化刚进行时，由于混凝土内部的碱性物质含量较多，CO2能与其发生充分的碳化反应[5]，导致碳化深度急速增加；当碳化进行到第7，14，28天时，曲线斜率较缓，表明碳化速度降低。这是因为碳化进行到后期时，由于混凝土内部的碱性物质参与碳化反应的含量减少，使得此时碳化反应速度减慢，导致碳化深度增加缓慢。由此说明，随着碳化的不断进行，碳化速度减缓。碳化后期，碳化反应不易进行。

图2 碳化深度随龄期的变化Fig.2 Variations of carbonation depth with time

2.2 碳化高温后混凝土的质量损失率

混凝土的内部结构会随温度的升高而发生变化，从而导致混凝土试件的质量损失。不同碳化龄期及温度下试件的质量损失率如图3所示。可以发现：随着温度的升高，质量损失在逐渐增大；在200～400 ℃时曲线斜率最大，表明此温度区间质量损失速度较快；而在400～600 ℃时曲线斜率逐渐平缓，质量损失速度变慢；在600～800 ℃时曲线斜率又逐渐增大，质量损失速度又加快。这是因为在400 ℃前，一方面混凝土内部结合水受热大量蒸发，另一方面混凝土内碱性物质受热分解，这两方面原因导致质量损失速度较快；在600 ℃后，碳化生成的CaCO3和混凝土内部残留的碱性物质都会受热分解，造成混凝土质量损失速度加快。

图3 不同碳化龄期下温度与质量损失率的关系Fig.3 Relations between temperatures and mass loss ratios at different carbonization ages

此外，碳化的混凝土试件在200 ℃前的质量损失率与未碳化的混凝土试件相比，差别不明显；但在400～600 ℃时，碳化后混凝土试件的质量损失率较未碳化混凝土小，且随着碳化龄期的增加，质量损失率减小。这主要由于两个原因造成：一方面由于碳化生成的CaCO3填充到混凝土内部缺陷中，起到密实作用，且此温度下，CaCO3不会发生分解，导致碳化后混凝土试件的质量损失率较小。另一方面由于在此温度下，试件内的碱性物质会发生分解，导致未碳化混凝土试件的质量损失率较大；温度到800 ℃时，碳化后混凝土试件的质量损失率较未碳化混凝土大，这是由于在此温度下，碳化后生成的CaCO3及混凝土内部残留的碱性物质都会发生分解，导致碳化后混凝土试件的质量损失率较大。

2.3 碳化高温后混凝土抗压强度分析及经验算式推导

2.3.1碳化高温后混凝土抗压强度分析

不同碳化龄期及温度下混凝土抗压强度如图4所示。可以看出：碳化初始时，温度从20 ℃升高到800 ℃，抗压强度逐渐减小，降幅为57%，这主要缘于高温使混凝土内部的自由水由液态转变为气态，水蒸气的逸出将产生内应力，导致混凝土内部产生微裂缝，而外加压荷载会进一步加剧微裂缝的扩展[8]，从而使混凝土的抗压强度降低；碳化进行到第7，14，28天，抗压强度随温度升高先减小后增大然后再减小；碳化龄期为14，28 d的抗压强度峰值出现在400 ℃。这是由于此时碳化反应充分，所生成的CaCO3有效填充在混凝土内部孔隙中，导致孔径变小，强度增高。而当温度上升到600，800 ℃时，在相同的碳化龄期下，CaCO3由固态转变为液态从而在混凝土内部形成孔道，使混凝土内部孔隙率增加，导致混凝土抗压强度逐渐降低。

图4 不同碳化龄期及温度下抗压强度的变化Fig.4 Change laws of compressive strength at different carbonization ages and temperatures

温度20 ℃时,碳化7 d后的混凝土抗压强度与未碳化的混凝土抗压强度相比下降了1.9%，差别不显著；当碳化进行到第14，28天，混凝土的抗压强度较未碳化的混凝土抗压强度分别提高了15.6%、24.8%，这是因为此时碳化反应充分，混凝土内部的缺陷会被CaCO3填充，孔隙率减小，混凝土的密实度增加，强度提高。

温度200，400 ℃时,混凝土抗压强度随着碳化龄期的增加而逐渐增加，与未碳化的混凝土抗压强度相比，增幅分别为8.2%、28.2%、30.7%，这是由于碳化反应会消耗大量的水，但是在200～400 ℃条件下，转变为气态的水分会与水泥石发生进一步的水化反应，故提高了混凝土的抗压强度。

温度600，800 ℃时，碳化龄期在7 d内时，混凝土抗压强度逐渐降低，与未碳化的混凝土抗压强度相比，降幅分别为0.52%、1.3%，降幅不显著，这是由于此时碳化反应不充分，产生的CaCO3含量较少，在此温度下CaCO3分解所产生的水分将会转变为气态，产生内应力，使混凝土内部缺陷增加，导致混凝土抗压强度降低；碳化龄期7～28 d时，混凝土抗压强度逐渐增加，与未碳化的混凝土抗压强度相比，增幅分别为47.1%、50.9%，增幅显著，这是由于碳化后期碳化反应更充分，产生的CaCO3含量较多，在此温度下CaCO3分解，提高了混凝土的密实度，导致混凝土抗压强度较碳化初期有较明显的增加。

2.3.2基于碳化高温后混凝土质量损失率的抗压强度经验计算式

不同龄期、不同目标温度下混凝土试件的质量损失率、抗压强度、抗折强度如表2、图5所示。

图5 不同碳化龄期及温度下试件的抗压强度fcu(T,t)与质量损失率关系曲线Fig.5 Relations between compressive strength and mass loss ratios of specimens at different carbonization ages and temperatures

表2 不同碳化龄期及温度下试件的质量损失率、抗压强度、抗折强度Table 2 Mass loss ratios,compressive or flexural strength of specimens at different carbonization ages and temperatures

fcu(T,t)和ft(T,t)中T代表碳化龄期，d;t代表高温试验时目标温度，℃。

混凝土抗压强度的大小与材料内部结构的密实度密切相关，在碳化和高温同时作用时，混凝土的密实度将发生改变。不难发现，质量损失率与抗压强度间存在一定的相关性，因此利用碳化高温后混凝土抗压强度fcu(T,t)与质量损失率的散点图进行数据拟合，得到两者的关系式(式(2))，其决定系数R2=0.826。

(2)

式中：γmLR为质量损失率。

利用式(2)可预估在不同质量损失率下，混凝土经历碳化和高温后的抗压强度。

2.4 碳化高温后混凝土抗折强度分析及经验式推导

2.4.1碳化高温后混凝土抗折强度分析

不同碳化龄期及温度下混凝土抗折强度如图6所示。可以看出，混凝土试件的抗折强度总体趋势随温度升高而降低。这是因为在升温初期，混凝土内部的水分将由液态转变为气态，水蒸气的逸出会造成混凝土内部微裂缝的增加。随着温度进一步升高，碳化所生成的CaCO3开始分解，引起混凝土内部结构的密实度降低，导致抗折强度降低；但在碳化第14，28天、温度200 ℃时，混凝土抗折略有升高，这是由于碳化后期碳化反应充分，生成的CaCO3含量较多，在此温度环境下，CaCO3能较好地填充到混凝土内部的缺陷中，使混凝土内部更密实，故混凝土抗折强度略有提高。

图6 不同碳化龄期及温度下抗折强度的变化Fig.6 Change laws of flexural strength at different carbonization ages and temperatures

2.4.2基于碳化高温后混凝土质量损失率的抗折强度经验计算式

混凝土抗折强度的大小与材料内部结构的密实度密切相关，在碳化和高温同时作用时，混凝土的密实度将发生改变。上述中，分析了质量损失率和抗折强度的变化规律，不难发现:两者之间存在一定的相关性，因此利用碳化高温后混凝土抗折强度ft(T,t)与质量损失率γMLR的散点图(图7)进行数据拟合，得到两者的关系式(式(3))，其决定系数R2=0.873。

图7 不同碳化龄期及温度下试件的抗折强度ft(T,t)与质量损失率关系曲线Fig.7 Relations between flexural strength and mass loss ratios of specimens at different carbonization ages and temperatures

(3)

利用式(3)可预估在不同质量损失率下，混凝土经历碳化和高温后的抗折强度。

3 结束语

1)随着温度的升高，质量损失率逐渐增加；在200 ℃前，碳化混凝土的质量损失率与未碳化混凝土相比，差别不大；600 ℃时，碳化后混凝土质量损失率较未碳化混凝土小。

2)碳化龄期相同时，混凝土抗压强度随温度升高先减小后增大然后再减小；碳化龄期14 d、28 d的抗压强度峰值出现在400 ℃；在相同的目标温度下，混凝土抗压强度随碳化龄期的增加而增加。

3)混凝土抗折强度总体趋势是随温度的升高而降低；在碳化第14天、28天、200 ℃情况下，抗折强度略有升高；在相同的目标温度下，混凝土抗折强度随碳化龄期先降低后增加。