高温后水泥基灌浆料力学性能试验研究
时间：2022-12-04 19:00:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈思，徐国强,2，张薇，郭亚红，马啸
(1. 华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；
2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)
火灾是自然界中发生频率最高的灾害，极具破坏性，同时，随着建筑的现代化、多功能化的发展[1]，火灾发生因素随之增加，人们对建筑火灾重视程度随之增加。对于多高层混凝土框架结构，当使用时间过长导致混凝土耐性和强度不足时，需要采取增大截面或者灌浆料置换等方式来对建筑结构完成加固[2]，同时随着装配式结构体系的发展，水泥基灌浆料因为具有高强度、良好的耐久性等优点，所以被广泛应用于灌浆套筒当中。因此，从而使得进行高温后水泥基灌浆料的力学性能的研究尤为重要。
国内外许多学者对高温后水泥基灌浆料的力学性能进行了研究并取得了很多的优秀成果，张琪[3]等对不同温度下水泥基灌浆料的强度和质量变化的进行了试验研究，研究表明，水泥基灌浆料在高温热处理后表面损伤只有裂缝，未出现明显脱落。在持续升温的过程中，水泥基灌浆料立方体试块的质量逐渐减少。邹宇驰[4]等利用液压试验机对不同高温后的水泥基灌浆料利用液压试验机，进行了单轴压缩试验，结果显示，当温度在0 ℃到400 ℃之间时，强度下降缓慢，当温度超过400℃时，强度下降迅速；
当温度在0 ℃到200 ℃之间时，弹性模量下降缓慢，当温度在200 ℃到400 ℃之间时，弹性模量下降明显；
当温度在0 ℃到200 ℃之间时，峰值应变增长较慢，当温度在200 ℃到400 ℃之间时，峰值应变增长较快。叶显[5]等研究了掺加0%到0.2%掺量的玄武岩纤维的水泥基灌浆料，研究了经历300℃到500℃高温后的力学性能变化，结果显示，当受热温度低于400 ℃时，玄武岩纤维对改善水泥基灌浆料的抗压强度并无明显效果，当受热温度在400 ℃到500 ℃之间时，掺入一定量的玄武岩纤维可以明显改善其抗压强度下降的速度。同时，当掺入玄武岩纤维的掺量为0.2%时，水泥基灌浆料的力学性能表现最好。赵鸣一[6]等研究了高温后水泥基灌浆料的收缩性能以及能够改变其收缩性能的具体措施，结果显示，掺入一定量的粉煤灰及纤维可以在一定程度上缓解高温后灌浆料的收缩性能，并且掺入不同比例的矿物掺合料同样可以改善其收缩性能。张晓平[7]等通过相应的试验研究表明，当水泥配比为1：7时，经历1 000 ℃高温后仍可以保留常温时一半的抗压强度，此时经济收益好且各项指标优良。YUAN[8]等研究了不同温度、养护龄期、箍筋和加载方式对水泥基灌浆料与钢筋粘结行为的影响，结果显示，在重复加载下，随着温度的升高，灌浆料的极限粘结应力随之减小、极限粘结位移呈先增大后减小的趋势。高兵[9]等研究了不同温度对PVA纤维水泥基灌浆料的抗压强度的影响，结果显示，当温度在0 ℃到200 ℃之间时，其抗压强度下降缓慢，当温度超过250 ℃时，其抗压强度下降迅速。该研究通过设计对照组试验，研究不同龄期、不同温度下，高温后水泥基灌浆料的表观特征、质量损失率、抗折强度、抗压强度的变化规律，为今后对水泥灌浆料高温后性能评价提供依据。
1.1 原材料
本试验采用的是北京纽维讯建筑工程技术有限公司生产的CGM-300A水泥基灌浆料，其基本性能参数如表1所示。采用普通自来水作为拌合水，掺水率为13%，流动度不小于300 mm。
表1 水泥基灌浆料的基本性能参数
1.2 试验方法及设计
制备水泥基灌浆料试件，尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，经过24 h静置成型后进行脱模，并将其放入养护箱内泡水养护，将其放入养护箱的当天作为起始时间，养护至60 d、90 d、120 d，根据《建筑材料及制品的湿热性能含湿率的测定烘干法》，采用电热鼓风箱分别对其进行60 ℃烘干6 h。采用马费炉(如图1所示)对其进行高温试验，试件分别设置目标温度为200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃，1 000 ℃，达到相应温度并保持60 min恒温处理后，采用喷水冷却的方式，冷却后采取相同的烘干方式，然后再进行后续试验。利用电子秤检测不同温度、不同龄期水泥基灌浆料的质量损失率，利用压力试验机(如图1所示)检测不同温度、不同龄期水泥基灌浆料的抗压强度值、抗折强度值。
图1 马费炉和压力试验机
2.1 高温后水泥基灌浆料的表观特征
图2所示为龄期为60 d时，经历不同高温后水泥基灌浆料的表观特征。
图2 龄期为60 d时高温喷水冷却后水泥基灌浆料的表观特征
从图2可以看出，水泥基灌浆料试件在经历0 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃高温后，随着温度的升高，其颜色变化为：常温下为青灰色、200 ℃和400 ℃时为灰褐色、600 ℃和800 ℃时为深灰色，1 000 ℃时为黄褐色。当温度到达800 ℃时，试件开始产生裂纹，随着温度的升高，当温度到达1 000 ℃时，其裂纹数量较800 ℃时增加，其裂纹形状较800 ℃时变长、变粗。
2.2 高温后水泥基灌浆料的质量损失率变化规律
在高温后，质量损失率从侧面可以体现水泥基灌浆料自身力学性能的劣化程度，即高温前和高温后试件的质量差占原质量的百分比，按式(1)计算：
(1)
式中：
I—质量损伤率，%；
M—高温前试件质量，Kg；
Mf—高温后试件质量，Kg。
经过试验测得不同龄期、不同温度下，水泥基灌浆料的质量损失率如表2所示。其质量损失率的变化规律曲线如图3所示。
表2 水泥基灌浆料质量损失率/%
从图3可知，养护至龄期为60 d、90 d、120 d的水泥基灌浆料试件在经历200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃高温后，其质量损失率整体呈上升的趋势。当龄期相同时，水泥基灌浆料试件的质量损失率随着温度的升高而增大；
当温度相同时，水泥基灌浆料试件的质量损失率随着龄期的增加呈先增大后减小的趋势。在温度从200 ℃上升到400 ℃的过程中，水泥基灌浆料质量损失率增长的速度较快，这是由于当温度不断升高，从200 ℃增至400 ℃的过程中，水泥基灌浆料试件中的自由水不断蒸发出来，试件内部的自由水通过孔隙逸出并逐渐全部消散，从而导致质量损失率增长速度较快，在温度从400 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其质量损失率增长速度较慢，这是由于灌浆料试件中的结合水开始消散，并逐渐全部消散[10]，同时，根据试验现象可以发现，在温度从800 ℃上升到1 000 ℃的过程中，水泥基灌浆料的表面会随着温度的升高而出现一些细小的裂纹，并且逐渐发展成长为粗裂纹，同时，受热过程中还会出现略有缺角缺损等现象，都会导致其质量损失率的增大。当温度为1 000 ℃、龄期为90 d时质量损失率达到最大值，为7.58%。
图3 高温喷水冷却后水泥基灌浆料质量损失率变化规律曲线
2.3 高温后水泥基灌浆料抗折强度和抗压强度变化规律
经过试验测得不同龄期、不同温度下，水泥基灌浆料的抗折强度、抗压强度如表3、表4所示，其抗折强度、抗压强度变化规律曲线如图4、图5所示。
表3 水泥基灌浆料抗折强度/MPa
表4 水泥基灌浆料抗压强度/MPa
图4 水泥基灌浆料抗折强度变化规律曲线 图5 水泥基灌浆料抗压强度变化规律曲线
由图4、图5可知，养护龄期为60 d、90 d、120 d的水泥基灌浆料试件在经历200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃高温后，其抗折、抗压强度整体均呈下降的趋势。当龄期相同时，水泥基灌浆料试件的抗折、抗压强度均随着温度的升高而减小；
当温度相同时，水泥基灌浆料试件的抗折、抗压强度均随着龄期的增加而增大。在温度从0 ℃上升到400 ℃的过程中，水泥基灌浆料的抗折强度下降迅速，在温度从400 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其抗折强度下降幅度较小；
在温度从0 ℃上升到200 ℃的过程中，水泥基灌浆料的抗压强度下降缓慢，在温度从200 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其抗压强度下降幅度较大。这是由于水泥基灌浆料在受火高温的条件下，试件中的细骨料和凝胶材料的粘结作用随着温度的升高而降低[11]，从而造成灌浆料的抗折、抗压强度随之降低。当温度达到600 ℃时，C-S-H凝胶大量分解，氢氧化钙分解成氧化钙，导致体积膨胀[12]，当温度到达800 ℃时，试件出现了大量的裂纹，导致试件内部裂缝数量增多，从而造成了灌浆料的抗折、抗压强度下降。随着龄期的增加，水泥基灌浆料的水化程度越来越高，试件强度越来越高，当遭受高温时，其抗压强度降低的幅度减小。在同一龄期下，温度为1 000 ℃时的抗折、抗压强度较常温时均下降最多，分别为97.51%、85.7%，此时的水泥基灌浆料基本丧失了抗折强度和抗压强度。
(1)高温后的水泥基灌浆料试件，在温度从0 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其颜色变化为：青灰色-灰褐色-深灰色-黄褐色；
在温度从800 ℃上升到1 000 ℃的过程中，灌浆料表面产生裂纹，且在温度为1 000 ℃时有表皮裂纹脱落现象。
(2)高温后的水泥基灌浆料试件，在同一龄期下，随着温度的升高，其质量损失率随之增大，在温度从200 ℃上升到400 ℃的过程中，其质量损失率增长的速度较快，在温度从400 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其质量损失率速度较慢；
在同一温度下，随着龄期的增加，其质量损失率呈先增大后减小的趋势。
(3)高温后的水泥基灌浆料试件，在同一龄期下，随着温度的升高，其抗折强度随之降低，在温度从0 ℃上升到400 ℃的过程中，其抗折强度下降幅度较大，在温度从400 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其抗折强度下降幅度较小；
随着龄期的增加，其抗折强度随之增大。
(4)高温后的水泥基灌浆料试件，在同一龄期下，随着温度的升高，其抗压强度随之降低，在温度从0 ℃上升到200 ℃的过程中，其抗压强度下降幅度较小，在温度从200 ℃上升到1 000 ℃的过程中，其抗压强度下降幅度较大；
在同一温度下，随着龄期的增加，其抗压强度随之增大。
