韦 华1,冯小忠2,束 伟1,钱文勋1
随着经济高度发展以及人口密度集中化,建筑物发生火灾的概率大大提升。数十年来,国内外学者对混凝土的高温损伤机理进行了大量研究[1-5],包括在混凝土升温、保温过程中的各项力学性能等,以评价混凝土耐高温性能。李卫等[6]研究高温下混凝土强度以及冷却后混凝土残余强度,指出残余抗压强度与高温时的抗压强度数值接近。胡海涛等[7]将高强混凝土与普通混凝土的高温力学行为进行对比,发现高强混凝土在200℃时抗压强度就开始下降,而普通混凝土强度直至400℃下降仍很小;张桥等[8]借助XRD分析混凝土高温后力学行为,混凝土样品中水化硅酸钙(C-S-H)以及氢氧化钙[CH、Ca(OH)2]的衍射峰随温度升高而降低,指出水化产物分解也是混凝土劣化、强度降低的重要原因。
大量的火灾案例调查表明,不少混凝土结构往往在受火过程中未出现事故,却在火灾扑灭后的数天内突然倒塌。朋改非等[9]研究不同冷却制度下热冲击对混凝土的损伤,相比于自然冷却,喷淋冷却与淬火对高温混凝土的破坏更大,30min及更长时间的喷淋冷却造成的热冲击作用与淬火类似。吕天启等[10]通过扫描电镜对混凝土高温后的微观形貌进行观察,发现喷水冷却条件下,试件可见大量针状或放射状水化物(C-S-H)。翟越等[11]研究高温后自然冷却与水冷却对混凝土抗压强度的影响,发现350℃作用后水冷却混凝土抗压强度才开始低于自然冷却强度,表明在高温水冷却条件下,混凝土中内部硬化水泥石发生了更加复杂的物理化学变化。硬化水泥石(Hardened Cement Paste,HCP)中CH的含量与混凝土水化程度息息相关,而C-S-H也是水泥水化产物中黏结力的主要来源。因此,水化产物的化学分解及相关反应对高温后混凝土的材料损伤同样不可忽视。然而现有研究多集中在宏观的混凝土力学性能上,对水冷却及静置条件下对高温水泥石成分变化的研究少有报道,特别是对其中所发生的物理化学变化尚不明确。
现有研究[12-13]指出300℃为混凝土微观结构迅速劣化的转折点,而钙系骨料多在600℃后开始分解。故本文利用X衍射分析技术以及综合热分析等现代测试技术,研究300~600℃高温后,冷却方式与静置对高温水泥石物相组成变化的影响,以明确水泥石所经受的物理化学变化,揭示其劣化规律。
冷却方式对高温后水泥石物相组成的影响
韦 华1,冯小忠2,束 伟1,钱文勋1
随着经济高度发展以及人口密度集中化,建筑物发生火灾的概率大大提升。数十年来,国内外学者对混凝土的高温损伤机理进行了大量研究[1-5],包括在混凝土升温、保温过程中的各项力学性能等,以评价混凝土耐高温性能。李卫等[6]研究高温下混凝土强度以及冷却后混凝土残余强度,指出残余抗压强度与高温时的抗压强度数值接近。胡海涛等[7]将高强混凝土与普通混凝土的高温力学行为进行对比,发现高强混凝土在200℃时抗压强度就开始下降,而普通混凝土强度直至400℃下降仍很小;张桥等[8]借助XRD分析混凝土高温后力学行为,混凝土样品中水化硅酸钙(C-S-H)以及氢氧化钙[CH、Ca(OH)2]的衍射峰随温度升高而降低,指出水化产物分解也是混凝土劣化、强度降低的重要原因。
大量的火灾案例调查表明,不少混凝土结构往往在受火过程中未出现事故,却在火灾扑灭后的数天内突然倒塌。朋改非等[9]研究不同冷却制度下热冲击对混凝土的损伤,相比于自然冷却,喷淋冷却与淬火对高温混凝土的破坏更大,30min及更长时间的喷淋冷却造成的热冲击作用与淬火类似。吕天启等[10]通过扫描电镜对混凝土高温后的微观形貌进行观察,发现喷水冷却条件下,试件可见大量针状或放射状水化物(C-S-H)。翟越等[11]研究高温后自然冷却与水冷却对混凝土抗压强度的影响,发现350℃作用后水冷却混凝土抗压强度才开始低于自然冷却强度,表明在高温水冷却条件下,混凝土中内部硬化水泥石发生了更加复杂的物理化学变化。硬化水泥石(Hardened Cement Paste,HCP)中CH的含量与混凝土水化程度息息相关,而C-S-H也是水泥水化产物中黏结力的主要来源。因此,水化产物的化学分解及相关反应对高温后混凝土的材料损伤同样不可忽视。然而现有研究多集中在宏观的混凝土力学性能上,对水冷却及静置条件下对高温水泥石成分变化的研究少有报道,特别是对其中所发生的物理化学变化尚不明确。
现有研究[12-13]指出300℃为混凝土微观结构迅速劣化的转折点,而钙系骨料多在600℃后开始分解。故本文利用X衍射分析技术以及综合热分析等现代测试技术,研究300~600℃高温后,冷却方式与静置对高温水泥石物相组成变化的影响,以明确水泥石所经受的物理化学变化,揭示其劣化规律。
摘 要:借助X衍射分析(XRD)及综合热分析(TG-DTA)技术,研究了水泥石在高温(300~600℃)水冷后的物相组成变化。结果表明:高温后,不同条件下的水泥石除不同程度的脱水分解外,均出现了二次水化及严重碳化,其碳化程度由低到高为:自然冷却、水冷却、水冷后静置;破坏样中Ca(OH)2和CaCO3质量分数受Ca(OH)2分解温度范围影响显著。
Abstract:Scholars have given wide attention on cooling methods to heat degradation mechanism of concrete, but the physical and chemical changes in the process of water cooling and standing is not clear. The phase and composition of hardened cement paste at high temperature (300~600℃) after water cooling under different conditions were analyzed by using X-ray diffraction (XRD) and thermoanalysis technology (TG-DTA). The results show that, after the high temperature, different hardened cement paste under the condition has the different levels of decomposition of dehydration, secondary hydration and severe carbonization, and the degree of carbonization from low to high as follows: natural cooling, water cooling, standing after water; the mass fraction of Ca(OH)2 and CaCO3 in the destructive sample have remarkable effect by Ca(OH)2 decomposition temperature range.
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