高溫下C65混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

覃麗坤，劉偉兵，宋宏偉

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116650)

實(shí)際工程中，高強(qiáng)混凝土使用的越來越普遍，尤其是高層建筑。中國每年因?yàn)榻ㄖ馂?zāi)造成的死亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重,開展高強(qiáng)混凝土抗火性能的研究顯得尤為重要?；炷猎诟邷叵碌牧W(xué)性能與在高溫后的力學(xué)性能不同，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的受力性能分析，應(yīng)采用混凝土在高溫下的力學(xué)性能指標(biāo)。由于混凝土的高溫力學(xué)性能試驗(yàn)缺乏專門的試驗(yàn)設(shè)備，并且難度很大，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不多且比較離散。從已有的研究資料[1-9]來看，由于高溫下混凝土力學(xué)性能的研究成果不多，中國對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)和火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能分析，均近似采用高溫后混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)，這種情況不能準(zhǔn)確評(píng)估火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，也不能正確制定災(zāi)后對(duì)結(jié)構(gòu)的修復(fù)方案。本文試驗(yàn)對(duì)C65混凝土進(jìn)行了常溫20 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、800 ℃溫度下的抗火性能試驗(yàn),對(duì)各溫度下的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了單軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)，測得了高溫下混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，分析了高溫后混凝土外觀特征。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)地分析了在高溫作用下高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的變化趨勢，為評(píng)估火災(zāi)對(duì)高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的影響提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 高溫下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件尺寸及試驗(yàn)材料

用于高溫試驗(yàn)的試件尺寸為100×100×100 mm。水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，砂石含泥量均低于1%，細(xì)骨料為中砂，粗骨料為碎石，最大粒徑為20 mm?；炷僚浜媳纫姳?。

表1 混凝土配合比(每立方米用量)

試件用鋼模成型，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)。成型后覆蓋表面，防止水分蒸發(fā)，在室溫為(20±5) ℃條件下靜置1-2晝夜，然后編號(hào)拆模。做試件時(shí)用的是水性脫模劑。脫模后混凝土試件在(20±3) ℃的環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，靜置60天后開始試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在大連民族大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)中心的高低溫加載設(shè)備上完成。高低溫加載設(shè)備系統(tǒng)由WAW-1000型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、高溫加熱爐組成，是為材料性能試驗(yàn)提供試驗(yàn)環(huán)境的一種裝置如圖1。

(a)液壓萬能試驗(yàn)機(jī) (b) 高溫試驗(yàn)加載爐

1.3 試驗(yàn)方法

高溫試驗(yàn)中，電爐內(nèi)部環(huán)境溫度按照15 ℃·min-1的升溫速度升溫, 加熱溫度分別為常溫20 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、和800 ℃共6種工況,當(dāng)試塊加熱到某指定溫度后恒溫2 h,以保證試塊內(nèi)部受熱均勻。首先對(duì)試件進(jìn)行軸心物理對(duì)中，然后以0.5～0.8 N·mm-2s-1施加壓力直至破壞。

對(duì)養(yǎng)護(hù)好的試塊進(jìn)行試驗(yàn)前的初步檢查，將有明顯制作缺陷的試塊剔除，將不同溫度的試塊進(jìn)行分組，每種溫度下取3個(gè)試塊進(jìn)行編號(hào)，并進(jìn)行平整度處理，避免試驗(yàn)過程中因試件不平整產(chǎn)生的誤差，選擇上下最平整的兩個(gè)面作為受壓面。首先檢查試驗(yàn)機(jī)狀況，然后開啟試驗(yàn)機(jī)，輕輕觸動(dòng)試驗(yàn)機(jī)橫梁，保證試驗(yàn)機(jī)始終能夠正常工作。在試驗(yàn)機(jī)上安裝用于抗壓試驗(yàn)的專用夾具，然后安裝高溫加熱爐，注意留夠試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上升操作的空間。將試塊安裝至試驗(yàn)機(jī)的指定位置，微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)橫梁，在離試件1 mm～2 mm時(shí)停止；為防止高強(qiáng)混凝土受壓破壞瞬間發(fā)生爆炸，在試驗(yàn)機(jī)周圍安裝防護(hù)網(wǎng)；使試塊在爐子正中央，關(guān)閉高溫加載爐，用高溫隔熱棉密封加載爐。打開計(jì)算機(jī)，進(jìn)行軟件參數(shù)和試塊尺寸參數(shù)設(shè)定，目標(biāo)溫度為300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、和800 ℃。在各目標(biāo)溫度下恒溫2 h，然后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)油泵，開始加載，收集力—位移曲線，試件壓壞后，停止試驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)。

2 高溫下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

不同溫度下高強(qiáng)混凝土受壓破壞形態(tài)如圖2。

(a)常溫 (b)300 ℃ (c)400 ℃

(d)500 ℃ (e)600 ℃ (f)800 ℃

由圖2可見，試件加溫至300 ℃恒溫2 h后，外表顏色與常溫時(shí)相比變化不大，施加壓力加載后，內(nèi)部顏色變化不大，但內(nèi)部組織比常溫時(shí)出現(xiàn)干燥現(xiàn)象；試件加溫至400 ℃恒溫2 h后，外表顏色呈灰褐色并開始出現(xiàn)細(xì)紋，施加壓力加載后，內(nèi)部顏色呈淺粉色，內(nèi)部組織干燥現(xiàn)象明顯，破壞時(shí)

呈柱狀，骨料破碎現(xiàn)象明顯；試件加溫至500 ℃恒溫2 h后，外表顏色呈灰白色并開始出現(xiàn)裂紋和掉皮現(xiàn)象，施加壓力加載后，內(nèi)部顏色呈淺粉色，內(nèi)部組織干燥現(xiàn)象明顯，加載破壞時(shí)呈柱狀，骨料松散現(xiàn)象明顯；試件加溫至600 ℃恒溫2 h后，外表顏色和內(nèi)部結(jié)構(gòu)與500 ℃時(shí)類似，內(nèi)部組織干燥現(xiàn)象更明顯，破壞時(shí)骨料疏松現(xiàn)象更明顯；試件加溫至800 ℃恒溫2 h后，外表顏色呈暗紅色，出現(xiàn)嚴(yán)重掉皮現(xiàn)象，加載破壞時(shí)，可看到內(nèi)部呈粉紅色，破壞時(shí)骨料疏松現(xiàn)象更加明顯，試塊被壓酥，由于混凝土內(nèi)部水蒸氣的遷移受到影響，發(fā)生爆裂現(xiàn)象,不同溫度下高溫混凝土外觀特征見表2。

表2 不同溫度下高強(qiáng)混凝土外觀特征

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)不同高溫下的高強(qiáng)混凝土試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)，首先使試件軸心物理對(duì)中，然后以0.5～0.8 MPa·s-1的速度施加壓力直至破壞，確定試件的極限承載能力。C65高強(qiáng)混凝土在不同溫度下單軸抗壓強(qiáng)度平均值及其折減系數(shù)見表3。

表3 C65高強(qiáng)混凝土在不同溫度下單軸抗壓強(qiáng)度平均值及其折減系數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

高強(qiáng)混凝土在不同溫度下基于常溫混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低的百分比見表4。

表4 不同溫度下基于常溫混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

從表4可以看出C65高強(qiáng)混凝土在300 ℃高溫下，強(qiáng)度降低了6%，在400 ℃高溫下，強(qiáng)度值較300 ℃時(shí)有所提高，出現(xiàn)反彈，其原因是此時(shí)剩余水泥熟料的水化使混凝土強(qiáng)度增大的作用大于使混凝土強(qiáng)度降低的作用。溫度達(dá)到500 ℃以上，強(qiáng)度開始明顯下降，在800 ℃高溫下，強(qiáng)度降低了50%，說明在高溫下高強(qiáng)混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度總體呈逐漸降低的趨勢。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，建立高溫下高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)值與溫度之間的關(guān)系式，如式(1)：

(1)

高溫下高強(qiáng)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與按式(1)計(jì)算的理論值的對(duì)比圖如圖3，可見按式(1)計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)值符合較好。

圖3 高溫下高強(qiáng)混凝土單軸強(qiáng)度試驗(yàn)值與理論值比較

3 結(jié) 論

(1)高強(qiáng)混凝土在不同高溫下，混凝土表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都發(fā)生了不同的變化。隨著溫度的升高，混凝土表面的顏色逐漸變化，由常溫和300 ℃時(shí)的青灰色，到400 ℃開始出現(xiàn)灰褐色，在高溫500 ℃、600 ℃時(shí)呈現(xiàn)灰白色，在800 ℃時(shí)呈暗紅色；隨著溫度的升高，內(nèi)部顏色也逐漸發(fā)生變化，從400 ℃開始出現(xiàn)淺粉色，800 ℃時(shí)呈粉紅色，結(jié)構(gòu)內(nèi)部干燥程度也越來越明顯，600 ℃-800 ℃左右時(shí)部分高強(qiáng)混凝土試件發(fā)生爆裂，試件被壓酥。

(2)高強(qiáng)混凝土在不同高溫下，隨溫度的升高，其力學(xué)性能劣化程度加大。在300 ℃高溫下，強(qiáng)度降低了6%，在400 ℃高溫下，強(qiáng)度值較300 ℃時(shí)有所提高，出現(xiàn)反彈，在500 ℃以上，強(qiáng)度開始明顯下降，在800 ℃高溫下，強(qiáng)度降低了50%，說明高強(qiáng)混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度總體呈逐漸降低的趨勢。

(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了高溫下C65高強(qiáng)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)值與溫度之間的關(guān)系式，經(jīng)比較與實(shí)驗(yàn)值符合較好，可為工程實(shí)際提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1] 王孔藩,許清風(fēng),劉挺林.高溫下及高溫冷卻后鋼筋力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù)，2005,34(8)：1-3.

[2] 肖建莊,任紅梅,王平. 高性能混凝土高溫后殘余抗折強(qiáng)度研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自 然 科 學(xué) 版)，2006,34(5)：580-585.

[3] 趙東拂,劉梅.高強(qiáng)混凝土高溫后剩余強(qiáng)度及無損檢測試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2015，36(2):365-372.

[4] 徐明,陳忠范,肖德后.高溫后碳纖維布約束混凝土軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)[J].工程力學(xué)，2013，30(11):214-230.

[5] 閻繼紅.高溫作用下混凝土材料性能試驗(yàn)研究及框架結(jié)構(gòu)性能分析[D].天津: 天津大學(xué)，2000.

[6] 高宇劍.高強(qiáng)混凝土火災(zāi)后力學(xué)性能退化及高溫爆裂機(jī)理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[7] 馬保國,穆 松,張風(fēng)臣,等.高溫下高強(qiáng)高性能混凝土性能劣化的表征方法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4(5):40-44.

[8] 萬夫雄，趙鵬輝，連會(huì)杰，等.高溫后再生混凝土強(qiáng)度與微觀機(jī)理[J].混凝土，2017，327(1)：52-55.

[9] 劉寧，劉海峰，劉利明，等.高溫對(duì)沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響[J].混凝土，2017，332(7)：28-35.