高溫后混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)展

馬 輝

（寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司， 寧夏 銀川 750021）

高溫后混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)展

馬 輝

（寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司， 寧夏 銀川 750021）

目前，火災(zāi)已成為發(fā)生頻率最高、危害最大的一種災(zāi)害。本文簡述了高溫后混凝土性能的研究現(xiàn)狀，分析、總結(jié)了高溫后混凝土的物理及力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律，并結(jié)合工程實際對需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。

混凝土；高溫；物理性能；力學(xué)性能

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代化住房剛性需求的不斷增大，進(jìn)一步加重了城市用地的嚴(yán)峻形勢，建筑逐漸向高層、超高層發(fā)展且功能趨于多樣化、復(fù)雜化，各種新技術(shù)、新材料、新設(shè)備也被廣泛應(yīng)用。與此同時，建筑火災(zāi)也變得易發(fā)、多發(fā)而頻發(fā)。一旦發(fā)生火災(zāi)，必然導(dǎo)致建筑材料性能的劣化及結(jié)構(gòu)承載力的下降，以致造成不可估量的生命和財產(chǎn)損失！而混凝土自問世以來，以其取材方便、制作工藝簡單、成本低廉且具有良好的力學(xué)性能等優(yōu)點被人們廣泛的應(yīng)用于各類工程建設(shè)當(dāng)中，也是目前用途最廣、用量最大的一種建筑材料。因此，開展對火災(zāi)后混凝土力學(xué)性能的研究具有重要的實用意義及工程價值。

由于火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，人們也越來越重視對混凝土高溫作用后力學(xué)性能的研究：在高溫作用后混凝土準(zhǔn)靜態(tài)下的物理及力學(xué)性能方面，展開了較全面的研究，且成果頗多[1-5]；在高溫作用后混凝土動荷載下的物理及力學(xué)性能方面，鮮有文獻(xiàn)報道。本文整理、分析和總結(jié)了國內(nèi)外研究學(xué)者對混凝土高溫作用后的物理及力學(xué)性能，探討了混凝土的主要力學(xué)性能隨受火溫度的劣化規(guī)律及受火后混凝土的外觀特征和質(zhì)量損失率隨溫度的變化規(guī)律?？蔀榛馂?zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的評估、加固、修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 受火后混凝土物理性能

1.1 外觀特征

通過對國內(nèi)外一些學(xué)者所做的混凝土高溫試驗進(jìn)行對比和分析，得出：隨受火溫度的升高，混凝土表面的顏色由深逐漸變淺，裂紋從無到有且逐漸增多增大，表面出現(xiàn)龜裂。

華僑大學(xué)的胡翠平等[6]研究了混凝土高溫后自然冷卻和噴水冷卻下的外觀特征，發(fā)現(xiàn)：自然冷卻的試件，溫度在100、200℃時混凝土試件表面顏色與常溫下相近；300℃時表面顏色變?yōu)榘祷疑页霈F(xiàn)少量短細(xì)裂紋；400、500℃時試件表面略帶紅色，混凝土結(jié)構(gòu)開始變得疏松；溫度達(dá)到600℃，試件表面顏色泛白且有少量掉皮；700℃試件表面呈灰白色，棱角有缺損； 800℃混凝土表面變?yōu)榈S色且開裂嚴(yán)重，觸碰即碎。

噴水冷卻的試件，溫度在100℃時試件表面顏色與自然冷卻下的相差無幾；在200、300℃時試件表面出現(xiàn)黃色斑點；到400℃后試件表面顏色變?yōu)榈t色；500℃后表面又呈磚紅色；當(dāng)溫度達(dá)到600、700℃時，試件表面顏色比自然冷卻的白些；800℃后，混凝土表面呈淡黃色。與自然冷卻的試件相比，同一溫度等級下澆水冷卻的試件裂縫更多、更大。

1.2 質(zhì)量損失率

對于混凝土高溫后的質(zhì)量損失率，國內(nèi)外研究結(jié)論較為統(tǒng)一。研究者[7-10]發(fā)現(xiàn)：高溫后不論是采用自然冷卻還是澆水冷卻，混凝土的質(zhì)量損失率隨溫度的升高不斷增大。這主要是由于高溫作用下混凝土內(nèi)部自由水的逸出、水泥水化產(chǎn)物的脫水分解及混凝土的爆裂。

陳宗平[10]指出：溫度低于300℃時，試件燒失率最大不超過1.5%；300℃～400℃試件燒失率迅速增大至6%左右；400～600℃燒失率基本保持不變；而在600℃～800℃試件燒失率呈線性增加，800℃試件的燒失率達(dá)到8.24%。

2 受火后混凝土主要力學(xué)性能劣化規(guī)律

2.1抗壓強度

目前，對于混凝土高溫后抗壓強度的研究較為成熟，但混凝土具有地域特性，不同地區(qū)的混凝土由于材料成分的差異，導(dǎo)致其高溫后抗壓強度的實驗結(jié)果的離散性很大，甚至互為矛盾。但經(jīng)過分析、總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律[11]：溫度不超過400℃時，無論是普通混凝土還是高性能混凝土抗壓強度損失都小于5%，在400～600℃溫度段，普通混凝土抗壓強度下降幅度為33%，高性能混凝土降幅為35%～54%，在600～900℃各類混凝土抗壓強度均迅速下降，900℃后，普通混凝土剩余抗壓強度為室溫下的20%，高性能混凝土剩余抗壓強度為室溫下的17%左右。

徐彧 等[12]對86個混凝土試塊在常溫～1000℃范圍內(nèi)溫度作用后，進(jìn)行了強度與變形試驗，得出以下結(jié)論： 在 300℃內(nèi)混凝土抗壓強度變化不大，在 400℃后呈下降趨勢；而隨溫度的升高混凝土軸心抗壓強度持續(xù)下降,且下降幅度要比抗壓強度大。

羅迎社，陳超等[13]對 15個 C35混凝土試件在常溫～850℃范圍內(nèi)溫度作用下后進(jìn)行了抗壓強度試驗，著重分析強度與作用溫度的相互關(guān)系，表明：混凝土抗壓強度在 250℃時與常溫下差不多，450℃時抗壓強度降低 25%，650℃時抗壓強度下降55%，在850℃的高溫作用下抗壓強度下降高達(dá)85%，承載力基本喪失。

凌立[14]對常溫和 200～600℃高溫作用后高性能混凝土進(jìn)行單軸抗壓強度力學(xué)性能試驗。試驗結(jié)果表明：隨著溫度升高,在高溫200～300℃時高性能混凝土抗壓強度有所升高，而在400～ 600℃之間是逐漸降低的。400℃左右是抗壓強度明顯變化的臨界溫度。

2.2 抗拉強度

通過總結(jié)國內(nèi)外大量研究成果，孫偉等[11]在現(xiàn)代混凝土理論與技術(shù)一書中指出：普通混凝土經(jīng)過400℃后劈裂抗拉強度下降18%；摻有硅粉的混凝土略有增大，增幅為6%左右；鋼纖維和硅粉混摻的混凝土劈裂抗拉強度增大25%；單摻聚丙烯纖維的混凝土劈裂抗拉強度下降16%，降幅接近普通混凝土。

胡翠平，徐玉野等[6]對62組混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行了劈裂抗拉強度試驗，研究了受火溫度、冷卻方式、養(yǎng)護(hù)齡期及靜置時間對高溫后混凝土劈裂抗拉強度的影響規(guī)律,得出：在各種影響因素綜合作用下，隨著溫度的升高混凝土的劈裂抗拉強度均呈降低趨勢。與自然冷卻的試件相比，噴水冷卻的試件劈裂抗拉強度總體偏低?；炷恋呐芽估瓘姸扰c養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)，齡期越短強度越低。高溫后混凝土的劈裂抗拉強度隨靜置時間總體上呈先下降后上升的變化趨勢。靜置時間為28d時劈裂抗拉強度最低。

謝狄敏，錢在茲等[15]對15個混凝土立方體劈裂試件在常溫～ 900℃范圍內(nèi)不同溫度作用后的抗拉強度進(jìn)行了試驗和理論分析工作后，指出：高溫作用后，混凝土劈裂抗拉強度降低幅度遠(yuǎn)大于抗壓強度的降低幅度，且降低幅度隨溫度升高增大,常溫下的拉壓強度關(guān)系不再適合；在 300℃混凝土抗拉強度下降最快，隨溫度升高降低趨勢減緩；與高溫中的抗拉強度相比，冷卻后的僅為高溫時的 50%左右。

2.3 彈性模量

混凝土的彈性模量是對混凝土抵抗外力變形能力的一個評價指標(biāo)，在實際結(jié)構(gòu)工程中，常用于計算結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布和裂縫寬度等。而國內(nèi)外研究學(xué)者對混凝土高溫后的彈性模量也進(jìn)行了研究。

王文兵，范宏亮等[16]對混凝土在高溫和常溫時力學(xué)性能進(jìn)行試驗，對比發(fā)現(xiàn)：高溫后混凝土的彈性模量隨溫度升高呈下降趨勢。混凝土的彈性模量主要取決于曾達(dá)到的最高溫度，與升降溫循環(huán)次數(shù)相關(guān)性很小，主要原因是隨溫度升高，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，組織松弛，加之空隙失水失去吸附力，從而造成變形增大，彈性模量降低。其降低幅度遠(yuǎn)大于抗壓強度的減低幅度。

賈艷東，田傲雪等[17]通過實驗?zāi)M火災(zāi)現(xiàn)場，對強度等級分別為C20、C30的立方體混凝土試件在不同溫度條件下（23、100、300、500、700℃），采用不同加熱時間（1、2、3h）后，測量其彈性模量變化。發(fā)現(xiàn)：100℃內(nèi)，C20混凝土彈性模量幾乎無變化，C30混凝土彈性模量呈下降趨勢；300～500℃段內(nèi)，隨溫度升高，兩類試件的彈性模量均大幅降低，500～700℃彈性模量急劇降低。

3 結(jié)論及展望

從國內(nèi)外試驗及研究可知，目前對高溫后混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)下的，對動荷載下的及高溫與荷載耦合作用下力學(xué)性能的研究還有所欠缺。但在實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜。因此，開展高溫作用后混凝土在動荷載下及高溫與荷載耦合作用下物理及力學(xué)性能的研究，具有實用意義及工程價值。

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1007-6344（2017）09-0302-02

馬輝（1981-8-06），女，回族，寧夏銀川人，任職于寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司