考慮溫度條件下高性能混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

黃兆麒　鄭學(xué)重

摘要：文章通過單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，研究了高性能混凝土和普通混凝土的力學(xué)性質(zhì)差異，并進(jìn)一步探討了溫度對(duì)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。主要得到以下結(jié)論：（1）單軸壓縮試驗(yàn)表明，室溫下高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量與普通混凝土相比均有顯著提升，其密實(shí)度和體積穩(wěn)定性更強(qiáng)；（2）巴西劈裂試驗(yàn)表明，混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度；（3）溫度升高時(shí)，高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度先降低再升高，最后再逐漸降低，當(dāng)溫度升到800 ℃時(shí)，C30、C40和C50的抗壓強(qiáng)度大致相同；（4）高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和升溫速率呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；力學(xué)特性；高溫影響；單軸壓縮試驗(yàn)

0引言

隨著我國(guó)工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，絕大部分建筑結(jié)構(gòu)都離不開混凝土。由于混凝土的價(jià)格低，成型之后的強(qiáng)度高，因而被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)物中，諸如高層建筑、橋梁和隧道的建設(shè)等。其中，高性能混凝土由于具備密實(shí)性高、強(qiáng)度大和耐久性高等特點(diǎn)，被廣泛關(guān)注［1］。但是，在發(fā)生火災(zāi)等極端條件下，高性能混凝土由于耐火性差、脆性大，容易出現(xiàn)變形和開裂等問題，時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑物坍塌，嚴(yán)重危害人民生命安全［2］。

近年來，已有大量學(xué)者對(duì)高性能混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。肖力光等［3］研究了不同礦物摻合料對(duì)高性能混凝土的力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，不同礦物摻合料在最佳配合比下，能夠使混凝土的強(qiáng)度提升22%。王成啟等［4］研究了高性能混凝土中鋼纖維尺寸對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，鋼纖維的長(zhǎng)徑比越大，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗沖擊等力學(xué)性能越好，但增加的幅度逐漸減小。崔釗瑋等［5］通過白云石取代水泥對(duì)混凝土進(jìn)行了改良，結(jié)果表明，白云石粉摻量越大，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低。當(dāng)白云石粉取代水泥用量少于10%時(shí)，混凝土的彈性模量有所提升。

由于高溫下針對(duì)高性能混凝土的力學(xué)行為和破壞模式尚未完善，因此，本文基于前人對(duì)高性能混凝土的研究成果，通過單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)研究高性能混凝土和普通混凝土的力學(xué)差異，并在此基礎(chǔ)上研究溫度對(duì)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 混凝土試件的制備

為了滿足試驗(yàn)要求，本文分別配置了3種強(qiáng)度的高強(qiáng)度混凝土和普通混凝土（C30/C40/C50）。為保證試驗(yàn)成功，嚴(yán)格參考《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ55-2011）和《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CES207：2006）等相關(guān)規(guī)范要求確定制備混凝土的配合比。普通混凝土的配合比以及高性能混凝土的配合比如表1和表2所示。在制作混凝土試件時(shí)，先利用模具制作出30 cm×30 cm×30 cm（長(zhǎng)×寬×高）的立方體試件，再根據(jù)規(guī)范進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)好的混凝土試件使用自動(dòng)取芯機(jī)鉆取試驗(yàn)所需的圓柱形式樣，打磨光滑后進(jìn)行試驗(yàn)。其中，單軸壓縮試驗(yàn)試件尺寸為75 mm、高150 mm。巴西劈裂試驗(yàn)試件尺寸為75 mm、高40 mm。

2 常溫條件下混凝土單軸壓縮試驗(yàn)

為測(cè)試高性能混凝土和普通混凝土常溫下的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及變形模量等參數(shù)，共設(shè)計(jì)C30、C40、C503種強(qiáng)度，每組選擇3個(gè)平行試樣，共計(jì)18個(gè)試樣。試驗(yàn)過程中使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，試驗(yàn)機(jī)加載速率為0.5 MPa/s，直到試樣發(fā)生破壞后停止加載。由于篇幅所限，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示（以C30普通混凝土1號(hào)試樣為例）。其中，εv=ε1+2ε2，εv表示混凝土式樣的體積應(yīng)變，ε1為縱向應(yīng)變，ε2為橫向應(yīng)變。由圖1可知，在混凝土式樣受壓初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線，但隨著應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于平緩，直至破壞。此時(shí)試樣發(fā)生的是近似線彈性變形。荷載進(jìn)一步增加之后，試樣逐漸受壓破壞，產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致體變?chǔ)舦一直增加。

不同強(qiáng)度的混凝土單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的平均值如表3所示。由表3可知，同等強(qiáng)度下高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量?jī)?yōu)于普通混凝土，C30強(qiáng)度的高性能混凝土比普通混凝土抗壓強(qiáng)度提升18.4%、變形模量提升8.7%，而C50強(qiáng)度的高性能混凝土比普通混凝土的抗壓強(qiáng)度提升了16.04%，變形模量提升了7.9%。

3 常溫條件下混凝土巴西劈裂試驗(yàn)

與單軸壓縮試驗(yàn)相同，巴西劈裂試驗(yàn)中試樣共計(jì)18個(gè)，尺寸為75 mm、高40 mm。將試樣放在自制巴西劈裂夾具上之后，通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速率調(diào)整為0.3 MPa/s。抗拉強(qiáng)度參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，不同混凝土式樣的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度均比普通混凝土的好，C30強(qiáng)度下的高性能混凝土抗拉強(qiáng)度較普通混凝土提升6.7，而C50強(qiáng)度下的高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度較普通混凝土提升12.7%。并且由表4還可分析出，混凝土強(qiáng)度越高，高性能混凝土抗拉強(qiáng)度提升的比例越顯著。

4 高溫條件下混凝土單軸壓縮試驗(yàn)

為研究高性能混凝土在不同溫度下的力學(xué)性能，本次試驗(yàn)中常溫設(shè)置為室溫25 ℃，高溫則從100 ℃開始，每次增加100 ℃，直到增加至800 ℃，共計(jì)9個(gè)溫度梯度。高性能混凝土試件強(qiáng)度同樣選取C30、C40和C503種強(qiáng)度等級(jí)，加熱速率選擇5 ℃/min和10 ℃/min，保持恒溫時(shí)間為1 h，每組3個(gè)試樣，共計(jì)27個(gè)試樣。加熱時(shí)將式樣放入電爐中進(jìn)行加熱，然后詳細(xì)觀察記錄加熱過程中的現(xiàn)象。

加熱過程主要分為3個(gè)階段：（1）在加熱到230 ℃前后，可以觀察到混凝土表面出現(xiàn)了少量水蒸汽；（2）隨著溫度的進(jìn)一步升高，當(dāng)溫度達(dá)到310 ℃前后時(shí)，混凝土表面的水蒸汽量最大；（3）當(dāng)溫度≥500 ℃時(shí)，水蒸汽基本消失。在加熱過程中，高性能混凝土出現(xiàn)失水減重的現(xiàn)象，不同溫度下的混凝土失重規(guī)律如圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，加熱的溫度越高質(zhì)量損失率越大，在100 ℃～600 ℃，質(zhì)量損失率近似呈線性分布，當(dāng)溫度＞600 ℃之后，質(zhì)量損失率陡增，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，質(zhì)量損失率達(dá)到24%。

高性能混凝土在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行保溫處理。加熱完成后的試件立馬使用3 cm厚的泡沫嚴(yán)實(shí)包裹起來，然后再將其置于萬能試驗(yàn)機(jī)上。為了減少試驗(yàn)誤差，將同一溫度下的3個(gè)試樣的抗壓強(qiáng)度取平均值，作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不同溫度下高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度如表5所示。

為進(jìn)一步分析不同溫度下高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度，將表5中的數(shù)據(jù)通過圖3和圖4來表示，做深入分析。當(dāng)升溫速率為5 ℃/min時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同強(qiáng)度的高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律大致相同，隨溫度的升高呈現(xiàn)出先減小再增加，最后再減小的趨勢(shì)。在300 ℃時(shí)，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，此時(shí)C30的高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為46.81 MPa，而C50的抗壓強(qiáng)度為64.31 MPa（與常溫狀態(tài)相比，抗拉強(qiáng)度提升5%左右）。

當(dāng)升溫速率為10 ℃/min時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，升溫速率對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響有限，不會(huì)改變抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律。通過對(duì)比圖3和圖4可知，升溫速度越快，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。此外，不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土在溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度幾乎一致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于單軸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，詳細(xì)地研究了普通混凝土和高性能混凝土在常溫下的力學(xué)差異，并進(jìn)一步研究了溫度載荷對(duì)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明常溫下高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均優(yōu)于普通的混凝土，說明高性能混凝土的穩(wěn)定性更強(qiáng)也更為密實(shí)。

（2）巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，并且混凝土的強(qiáng)度越高，高性能混凝土抗拉強(qiáng)度的提升比例越顯著。

（3）溫度對(duì)高性能混凝土的影響顯著，隨著溫度的增加，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度先降低再升高，最后再降低。不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在溫度達(dá)到800 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度基本相同。

（4）其他條件相同時(shí)，升溫速率越快，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：黃兆麒（1994—），碩士，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。