骨料類型對(duì)混凝土棱柱體高溫后力學(xué)性能影響研究＊

周立欣,賈文亮,張必亮,李世鳴

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇徐州221008)

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫后構(gòu)件的靜力性能研究較為深入,動(dòng)載性能方面的研究較少,缺少不同的荷載形式對(duì)混凝土構(gòu)件高溫性能影響的研究[1-7],同時(shí)骨料類型對(duì)作用低周反復(fù)荷載構(gòu)件的影響研究幾乎處于空白階段[8-13]?；诖?通過對(duì)高溫“自然冷卻”和“噴水冷卻”后混凝土棱柱體在重復(fù)荷載作用下的受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析骨料類型、受熱溫度、冷卻方式對(duì)混凝土變形規(guī)律的影響,為高溫冷卻后混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)按C25設(shè)計(jì),粗骨料分別為鈣質(zhì)(石灰?guī)r碎石)和硅質(zhì)(玄武巖碎石),粒徑為5～20 mm,水泥強(qiáng)度等級(jí)為32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥。經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,測(cè)得其軸心抗壓強(qiáng)度分別為：鈣質(zhì)骨料棱柱體fcp=25.6 MPa,硅質(zhì)骨料棱柱體fcp=26.4 MPa。

試驗(yàn)共制作100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試塊18組,每組3個(gè),其中16組用于高溫后反復(fù)荷載試驗(yàn),另外2組用作室溫對(duì)比試驗(yàn),具體分組見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次加熱試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與材料試驗(yàn)室研發(fā)的GWD-05型節(jié)能高溫加熱爐。加載試驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建工學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的PWS-500型電液伺服試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行,混凝土棱柱體受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€采用YBD-1千分表測(cè)量,數(shù)據(jù)采用“YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀”自動(dòng)采集。

表1 混凝土棱柱分組一覽表

1.2.2 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)溫度為200℃、400℃、600℃和800℃。達(dá)到預(yù)定溫度后將混凝土棱柱體從高溫爐中取出,進(jìn)行自然冷卻和噴水冷卻。以抗壓強(qiáng)度最大值為標(biāo)準(zhǔn),按照0→0.5Pmax→0→0.6Pmax→0→0.7Pmax→0→0.8Pmax→0→0.9Pmax→0→破壞的制度重復(fù)加載。加載速度為0.05 mm/min,在試件的兩個(gè)側(cè)面各裝一個(gè)千分表,用來測(cè)量試件的豎向位移,試驗(yàn)標(biāo)距為100 mm,見圖1。當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時(shí),調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門,直至試件破壞。

圖1 混凝土棱柱試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫及冷卻試驗(yàn)

混凝土棱柱體由室溫分別加熱到200℃、400℃、600℃、800℃,經(jīng)過自然冷卻和噴水冷卻后,混凝土棱柱體表面發(fā)生一系列變化：

當(dāng)加熱溫度小于200℃時(shí),混凝土試件的表面無明顯變化,在400℃～600℃時(shí),試件表面呈粉紅色且隨溫度升高而逐漸變淡,當(dāng)達(dá)到800℃時(shí),試件表面呈灰白色。

隨著混凝土棱柱體受熱溫度的升高,表面熱裂紋隨之增加,裂縫分布情況也逐漸復(fù)雜。當(dāng)溫度達(dá)到600℃左右時(shí),混凝土試件出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象,當(dāng)達(dá)到800℃時(shí),混凝土試件的爆裂率達(dá)到1/3,且爆裂試件主要表現(xiàn)在鈣質(zhì)骨料上。

2.2 混凝土棱柱體破壞形態(tài)

高溫后混凝土棱柱體試件在重復(fù)荷載作用下大部分發(fā)生斜截面剪切破壞,破壞面在粗骨料與水泥砂漿接觸面或水泥砂漿內(nèi)部,而粗骨料本身極少破壞;但當(dāng)溫度超過700℃時(shí),粗骨料本身也發(fā)生破壞。

2.3 高溫后不同骨料混凝土棱柱體的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律

在低周重復(fù)荷載作用下不同粗骨料、不同溫度、不同冷卻方式后混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力σ0和相應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)?見表2和表3。

表2 鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱在反復(fù)荷載作用下的峰值應(yīng)力σ0和峰值應(yīng)變?chǔ)?

表3 硅質(zhì)骨料混凝土棱柱在反復(fù)荷載作用下的峰值應(yīng)力σ0和峰值應(yīng)變?chǔ)?

由試驗(yàn)結(jié)果可知,混凝土棱柱的峰值應(yīng)力隨著受熱溫度的升高呈下降趨勢(shì),且受熱溫度越高下降幅度越大,如高溫自然冷卻后,400℃、600℃時(shí)鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力與室溫時(shí)相比分別下降23.5%、49.7%;當(dāng)溫度低于200℃時(shí),自然冷卻和噴水冷卻后兩種骨料混凝土棱柱的峰值應(yīng)力變化均不大,如200℃高溫自然冷去和噴水冷卻后,鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力與室溫時(shí)相比僅下降2%和2.7%,而硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體下降21.4%和2.8%;在400℃～800℃時(shí),噴水冷卻的混凝土峰值應(yīng)力下降較快,且硅質(zhì)骨料混凝土峰值應(yīng)力下降速度大于鈣質(zhì)骨料混凝土下降速度,如800℃時(shí),噴水冷卻后硅質(zhì)、鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力分別為自然冷卻的1.04和1.2倍,噴水冷卻后硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體峰值應(yīng)力下降速度是鈣質(zhì)骨料混凝土的1.08倍。

兩種骨料混凝土棱柱峰值應(yīng)變隨著受熱溫度的升高呈明顯上升趨勢(shì),且受熱溫度越高升高的幅度越大。溫度低于200℃時(shí),自然冷卻和噴水冷卻后混凝土的峰值應(yīng)變變化不大;在400℃～800℃時(shí),噴水冷卻混凝土應(yīng)變大于自然冷卻的混凝土應(yīng)變,且硅質(zhì)骨料混凝土峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度大于鈣質(zhì)骨料混凝土,如800℃時(shí),噴水冷卻后硅質(zhì)、鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱體的峰值應(yīng)變分別為自然冷卻的1.13和1.09倍,噴水冷卻后硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度是鈣質(zhì)骨料混凝土的1.58倍。

2.4 高溫后不同骨料混凝土棱柱體的變形規(guī)律及破壞特性

由實(shí)驗(yàn)可得,鈣質(zhì)和硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體在低周重復(fù)荷載作用下均發(fā)生剪切破壞,且應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)及發(fā)生的過程基本一致,如圖2所示：

⑴彈性階段

當(dāng)荷載為最大荷載的20%～30%時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近直線,加載路徑為直線,卸載后的殘余應(yīng)變很小,處于彈性變形階段。

⑵裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段

當(dāng)荷載大于最大荷載的30%～40%時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線變?yōu)樯贤骨€,卸載路徑接近直線。在一次卸載過程中,當(dāng)卸載應(yīng)力接近零時(shí),卸載路徑變?yōu)榍€,且產(chǎn)生了殘余塑性變形。

⑶裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展階段

當(dāng)荷載為最大荷載的80%～120%時(shí),試件中部或底部先出現(xiàn)裂縫,裂縫細(xì)而短,且平行于受力方向,隨荷載加大,縱向裂縫逐漸形成臨界剪切面。高溫后隨著混凝土變酥松,臨界剪切點(diǎn)應(yīng)力變小、應(yīng)變值增大。

⑷破壞階段

過了峰值點(diǎn)后,臨界剪切面破損帶在正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下逐漸變寬。試件剪切破壞后完整性較好,破壞面與荷載作用線夾角為20～35°。當(dāng)受熱溫度超過700℃時(shí),試件破壞面不止一個(gè),并且個(gè)別試件發(fā)生了粗骨料的破壞。

由圖2可知,相同溫度下鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較飽滿,這表明相同條件下,鈣質(zhì)骨料混凝土棱柱體的耐火性優(yōu)于硅質(zhì)骨料混凝土。

圖2 不同溫度下混凝土在重復(fù)荷載下無量綱化應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)不同骨料混凝土棱柱在低周重復(fù)荷載作用下的變形規(guī)律進(jìn)行的試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論：

⑴混凝土棱柱體峰值應(yīng)力隨受熱溫度的升高而明顯下降趨勢(shì),且受熱溫度越高混凝土峰值應(yīng)力下降速度越大。相同條件下,硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體峰值應(yīng)力下降速度約為鈣質(zhì)骨料混凝土的1.08倍。

⑵混凝土棱柱體峰值應(yīng)變隨著受熱溫度的升高呈明顯上升趨勢(shì),且受熱溫度越高應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度越大。相同條件下,硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度是鈣質(zhì)骨料混凝土的1.58倍。

⑶相同條件下,高溫噴水冷卻后混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力下降速度和峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度均大于高溫自然冷卻后混凝土的相應(yīng)值。

⑷鈣質(zhì)和硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體在低周重復(fù)荷載作用下均發(fā)生了剪切破壞,鈣質(zhì)骨料混凝土的耐火性優(yōu)于硅質(zhì)骨料混凝土。

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