钢筋套筒灌浆连接是预制装配式混凝土房屋建造的关键技术之一 ^[1],其主要使用钢筋连接用套筒灌浆料灌入两端插有钢筋的套筒中,固化后将套筒和被连接钢筋牢固地结合为一个整体 ^[2]。因此,钢筋连接用套筒灌浆料的性能是连接可靠的关键。钢筋连接用套筒灌浆料一般以水泥为基本材料,配以细骨料、各种外加剂及其他材料组成干粉料,加水搅拌后具有流动性好、早强、高强、微膨胀等性能。灌浆料水化胶凝后,形成一种复杂的含有多种固体结构元、孔结构元和水分等的高度非均质体系,其中多种固体结构元主要是晶态、半晶态及非晶态相。这些结晶相均有各自的脱水温度,火灾发生后,在不同的温度作用下要脱去其结构水或结晶水,使凝胶体系的孔隙率增大,在高温作用冷却后呈现不同的形貌特征,表观特征和力学性能都将发生改变 ^[3,4]。

　　 李海清等 ^[5]对水泥石的热膨胀性能研究表明:150℃范围内主要为宏观毛细水和凝胶不牢固化合水的脱除,增加了毛细通道,水泥石体积受热膨胀; 150～560℃之间,水泥石中的水化硅酸钙脱去了一些化合水或结晶水,Ca(OH)₂及水化物中的结构水也开始脱出,水泥石产生收缩。Harold等 ^[6]的研究表明:Ca(OH)₂在370℃已发生分解反应,在温度达到580℃时,已有98%的Ca(OH)₂发生分解反应。这些物理和化学的变化导致凝胶结构劣化,降低了灌浆料的强度及其与钢筋的握裹力,从而降低钢筋连接用套筒灌浆料的连接性能,对装配式混凝土结构的安全产生重大影响。

　　 现阶段,关于钢筋连接用套筒灌浆料耐火性能的研究几乎未见报道。因此,本文对不同火灾温度、不同持续时间后灌浆料试块自然冷却后抗折强度和抗压强度进行试验研究,并应用电子扫描显微镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)对高温后的试块进行了微观结构扫描分析。试验结果可为装配式混凝土结构火灾后的性能评估提供参考依据。

　　 试验采用北京某公司生产的CGMJM-Ⅷ(8)型高强灌浆料,该灌浆料符合现行行业标准《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2013) ^[7]要求,其设计抗压强度为100MPa,每10kg灌浆料加水量为1.15kg,灌浆料主要性能见表1。试验设置3个受热温度(200,400,600℃),每一温度下设置3个恒温时间(30,60,90min),不同受热温度和持续时间工况各制作2组(每组3块)尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体试块(其中1组为防止试块爆裂而数量不足备用); 另制作1组试块进行常温对比试验,共制作19组试块。试块按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999) ^[8]进行制备、养护。

　　 试块均养护到28d龄期前1周取出放至常温通风处风干,以防高温试验时试块爆裂。试验首先用1组试块进行常温下的抗折强度和抗压强度对比试验,其余试块(含备用试块)按照设定的温度和持续时间进行等速升温试验,自然冷却24h后,取1组试块进行抗折强度和抗压强度试验。强度试验方法和数据处理均按照标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999) ^[8]规定执行。

　　 高温试验采用DC-B型智能箱式高温炉。设定好目标温度和持续时间后,试验炉以10℃/min升温速度自动升温至目标温度并持续规定的时间。抗折强度和抗压强度试验采用WDW-Y300D型电子式全自动压力试验机。SEM采用场发射环境扫描电子显微镜。

　　 试块高温开裂和爆裂典型照片见图1,不同温度下试块抗压破坏形态变化照片见图2。

　　 常温下,试块折断面呈均匀的水泥灰青色,结构密实。抗压破坏时呈边缘至中心的斜向剪切破坏,环箍效应明显。高温后,试块表观特征、抗折和抗压破坏形态随温度的升高和持续时间而发生改变。

　　 200℃高温后,试块表面颜色比常温试块略微泛白,养护时残留的Ca(OH)₂形成片状晶体逐渐在表面析出。同时,表面形成大量以纵向或横向为主的裂缝。由于脱水程度不同,试块高温持续30min后折断面中心呈青色,外部呈灰白色。持续60min以上脱水程度基本稳定,折断面呈较均匀的灰黄色。抗压破坏时呈边缘至中心的斜向剪切破坏,亦表现出明显的环箍效应。

　　 400℃高温后,试块表面呈浅黄色,表面Ca(OH)₂晶体脱水转变成CaO白色粉末,裂缝有所扩展。少量试块高温过程中发生沿试块纵向或横向为主的爆裂现象。400℃高温持续30min后,试块折断面中心呈淡青色,外围略微发黄,持续60min以上折断面呈均匀的淡黄色。抗压破坏时环箍效应对试块的约束作用减弱,掉落的浆体略显粉碎。

　　 600℃高温过程中,发生爆裂的试块数量增多,爆裂程度也更严重。完好的试块表面存在大量以纵向和横向为主的裂缝,裂缝尺寸较大,侧面亦有大量不规则裂缝。折断面呈浅黄色,但随持续时间的延长而逐渐发白,试块结构明显疏松。试块压缩时环箍效应对试块的约束作用减弱最为明显,破坏时试块边缘只有少量的浆体剥落。

　　 对比试块80倍SEM照片(图3)可以看出,常温下,灌浆料水化比较充分,C-S-H凝胶结构密实,存在一定数量的气孔,但气孔尺寸很小。高温下,温度越高,高温持续时间越长,试块孔洞数量就越多,孔洞尺寸也有所增大。600℃高温后试块结构明显疏松。

　　 通过高倍SEM照片(图4)可以看出,温度较高时,随着自由水和化合水的脱出,C-S-H凝胶体体积收缩,产生收缩内应力,试块内部产生裂缝并逐渐扩展。凝胶体的收缩与骨料受热膨胀的差异导致其与骨料黏结界面也逐渐出现孔隙和裂缝。600℃高温后结构劣化非常明显:由于大量Ca(OH)₂高温脱水生成CaO,600℃高温后已基本观察不到Ca(OH)₂结晶体的存在,凝胶体收缩严重,出现大量的孔隙和孔洞,裂缝数量明显增多且尺寸增大,凝胶结构变得非常疏松,局部开始破碎。

　　 抗折强度试验结果见表2。从表2中可以看出,常温下试块抗折强度非常高,达到了13.2MPa。200℃高温持续30min后,抗折强度仅降低了4.5%,这是因为试块高温受热时间较短,自由水和化合水脱出不多,孔洞增加较少,结构没有大的变化,因此抗折强度仅比常温下略有降低。200℃高温持续60min和90min后,试块几乎脱去全部自由水和大量化合水,孔洞明显增多,抗折强度急剧下降。而200℃高温持续60min以上和400℃高温持续不同时间后的抗折强度十分接近,这可能是因为抗折强度受孔隙率影响程度较高。400℃以下高温时,试块主要是自由水及结合水的脱出,试块孔隙率增大,但自由水和化合水的脱出仅增加了毛细通道 ^[5]。当受热时间足够长时,大部分水分脱出,毛细通道基本不再增加,故抗折强度变化不大。600℃高温后,Ca(OH)₂几乎全部脱水分解,凝胶体脱去大部分水分,收缩严重,出现大量的孔隙和孔洞,裂缝的数量明显增多,尺寸明显增大,结构变得非常疏松,其抗折强度严重下降。600℃高温持续30,60,90min后抗折强度相比常温下分别降低48.5%,54.5%,55.3%。

　　 图5为抗折强度随温度变化曲线。从图5可以看出,试块的抗折强度随温度升高而降低。不同温度高温持续60min和90min后的抗折强度曲线几乎重合,这说明相同温度下,持续时间较长时,该温度下的脱水反应基本稳定,孔隙率不再升高,抗折强度亦趋于稳定。

　　 从抗压强度试验结果(表3)可以看出,常温下,试块抗压强度很高,达到了130.5MPa。200℃高温持续30,60,90min后的抗压强度相比常温下分别降低了3.7%,8.1%,0.8%,400℃高温持续30,60,90min后的抗压强度相对常温下分别降低了7.0%,15.6%,9.1%,600℃高温持续30,60,90min后的抗压强度相对常温下分别降低了27.6%,35.2%,33.7%。

　　 由抗压强度随温度变化曲线(图6)可以看出,试块经过不同温度高温后,抗压强度随温度升高而降低,400℃以下高温后抗压强度降低幅度较小,600℃高温后抗压强度降低幅度较大。

　　 对比图5和图6可知,抗压强度比抗折强度降低幅度要小,曲线相对平缓,且抗压强度在200℃和400℃高温持续90min后有较大幅度的恢复。这是因为,一方面随着自由水及结合水的脱出,C-S-H凝胶体孔洞数量增加,结构致密程度降低,同时凝胶体开始产生收缩裂缝,与骨料热膨胀性能的差异也导致粘结界面产生疏松和裂缝,导致抗压强度下降; 而另一方面,C-S-H凝胶结合水和结晶水的脱出使组织结构更加致密 ^[3],在一定程度上延缓了抗压强度的降低趋势。同时,当灌浆料水化不完全、受热时间较长时,因结合水的脱离,内部自由水有所增多,未水化水泥颗粒及分解物重新水化致使凝胶体有所增加 ^[3,9,10],从而抵消甚至超过凝胶结构劣化对强度造成的损失,因此,抗压强度有所恢复。而抗折强度对孔洞更敏感,高温后水分逸出形成的孔洞并不能恢复,这些因素对抗折强度的提升很小,故抗折强度不能恢复。而600℃高温后,二次水化产物亦脱去水分,抗压强度大幅下降,持续时间较长时,随着内部结构的稳定,抗压强度不再降低。

　　 (1)SEM微观结构显示,随着温度的升高,试块内部孔洞逐渐增多,孔洞尺寸增大,凝胶体致密程度下降并逐渐产生裂缝,结构破碎。600℃高温后结构劣化最严重。

　　 (2)抗折强度随温度的升高而下降。200℃高温持续30min后抗折强度降低幅度很小,但持续60min后强度则大幅降低; 200℃高温持续60min以上和400℃高温持续不同时间后的抗折强度非常接近; 600℃高温后抗折强度进一步降低。相同温度下,持续时间较长时,抗折强度则趋于稳定。

　　 (3)抗压强度随温度的升高而下降。400℃以下高温后降低幅度比较小,200℃和400℃高温持续90min后抗压强度产生较大幅度的恢复; 600℃高温后抗压强度大幅降低,但持续时间较长时,抗压强度亦趋于稳定。相比抗压强度,高温后抗折强度退化更严重。