骨料类型对混凝土棱柱体高温后力学性能影响研究＊

周立欣,贾文亮,张必亮,李世鸣

(中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州221008)

目前,国内外对高温后构件的静力性能研究较为深入,动载性能方面的研究较少,缺少不同的荷载形式对混凝土构件高温性能影响的研究[1-7],同时骨料类型对作用低周反复荷载构件的影响研究几乎处于空白阶段[8-13]。基于此,通过对高温“自然冷却”和“喷水冷却”后混凝土棱柱体在重复荷载作用下的受力性能进行试验研究,分析骨料类型、受热温度、冷却方式对混凝土变形规律的影响,为高温冷却后混凝土结构的抗震性能研究奠定基础。

1 试验概况

1.1 试件制作

混凝土的强度等级按C25设计,粗骨料分别为钙质(石灰岩碎石)和硅质(玄武岩碎石),粒径为5～20 mm,水泥强度等级为32.5的复合硅酸盐水泥。经28 d标准养护后,测得其轴心抗压强度分别为：钙质骨料棱柱体fcp=25.6 MPa,硅质骨料棱柱体fcp=26.4 MPa。

试验共制作100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱体试块18组,每组3个,其中16组用于高温后反复荷载试验,另外2组用作室温对比试验,具体分组见表1。

1.2 试验设备及仪器

1.2.1 试验设备

本次加热试验采用中国矿业大学建筑结构与材料试验室研发的GWD-05型节能高温加热炉。加载试验在中国矿业大学建工学院结构试验室的PWS-500型电液伺服试验机中进行,混凝土棱柱体受压应力-应变全曲线采用YBD-1千分表测量,数据采用“YE2539高速静态应变仪”自动采集。

表1 混凝土棱柱分组一览表

1.2.2 试验过程

本试验温度为200℃、400℃、600℃和800℃。达到预定温度后将混凝土棱柱体从高温炉中取出,进行自然冷却和喷水冷却。以抗压强度最大值为标准,按照0→0.5Pmax→0→0.6Pmax→0→0.7Pmax→0→0.8Pmax→0→0.9Pmax→0→破坏的制度重复加载。加载速度为0.05 mm/min,在试件的两个侧面各装一个千分表,用来测量试件的竖向位移,试验标距为100 mm,见图1。当试件接近破坏而开始迅速变形时,调整试验机油门,直至试件破坏。

图1 混凝土棱柱试验装置

2 试验结果分析

2.1 高温及冷却试验

混凝土棱柱体由室温分别加热到200℃、400℃、600℃、800℃,经过自然冷却和喷水冷却后,混凝土棱柱体表面发生一系列变化：

当加热温度小于200℃时,混凝土试件的表面无明显变化,在400℃～600℃时,试件表面呈粉红色且随温度升高而逐渐变淡,当达到800℃时,试件表面呈灰白色。

随着混凝土棱柱体受热温度的升高,表面热裂纹随之增加,裂缝分布情况也逐渐复杂。当温度达到600℃左右时,混凝土试件出现爆裂现象,当达到800℃时,混凝土试件的爆裂率达到1/3,且爆裂试件主要表现在钙质骨料上。

2.2 混凝土棱柱体破坏形态

高温后混凝土棱柱体试件在重复荷载作用下大部分发生斜截面剪切破坏,破坏面在粗骨料与水泥砂浆接触面或水泥砂浆内部,而粗骨料本身极少破坏;但当温度超过700℃时,粗骨料本身也发生破坏。

2.3 高温后不同骨料混凝土棱柱体的应力、应变变化规律

在低周重复荷载作用下不同粗骨料、不同温度、不同冷却方式后混凝土棱柱体的峰值应力σ0和相应的峰值应变ε0见表2和表3。

表2 钙质骨料混凝土棱柱在反复荷载作用下的峰值应力σ0和峰值应变ε0

表3 硅质骨料混凝土棱柱在反复荷载作用下的峰值应力σ0和峰值应变ε0

由试验结果可知,混凝土棱柱的峰值应力随着受热温度的升高呈下降趋势,且受热温度越高下降幅度越大,如高温自然冷却后,400℃、600℃时钙质骨料混凝土棱柱体的峰值应力与室温时相比分别下降23.5%、49.7%;当温度低于200℃时,自然冷却和喷水冷却后两种骨料混凝土棱柱的峰值应力变化均不大,如200℃高温自然冷去和喷水冷却后,钙质骨料混凝土棱柱体的峰值应力与室温时相比仅下降2%和2.7%,而硅质骨料混凝土棱柱体下降21.4%和2.8%;在400℃～800℃时,喷水冷却的混凝土峰值应力下降较快,且硅质骨料混凝土峰值应力下降速度大于钙质骨料混凝土下降速度,如800℃时,喷水冷却后硅质、钙质骨料混凝土棱柱体的峰值应力分别为自然冷却的1.04和1.2倍,喷水冷却后硅质骨料混凝土棱柱体峰值应力下降速度是钙质骨料混凝土的1.08倍。

两种骨料混凝土棱柱峰值应变随着受热温度的升高呈明显上升趋势,且受热温度越高升高的幅度越大。温度低于200℃时,自然冷却和喷水冷却后混凝土的峰值应变变化不大;在400℃～800℃时,喷水冷却混凝土应变大于自然冷却的混凝土应变,且硅质骨料混凝土峰值应变增长速度大于钙质骨料混凝土,如800℃时,喷水冷却后硅质、钙质骨料混凝土棱柱体的峰值应变分别为自然冷却的1.13和1.09倍,喷水冷却后硅质骨料混凝土棱柱体峰值应变增长速度是钙质骨料混凝土的1.58倍。

2.4 高温后不同骨料混凝土棱柱体的变形规律及破坏特性

由实验可得,钙质和硅质骨料混凝土棱柱体在低周重复荷载作用下均发生剪切破坏,且应力-应变曲线变化趋势及发生的过程基本一致,如图2所示：

⑴弹性阶段

当荷载为最大荷载的20%～30%时,应力-应变曲线接近直线,加载路径为直线,卸载后的残余应变很小,处于弹性变形阶段。

⑵裂缝稳定发展阶段

当荷载大于最大荷载的30%～40%时,应力-应变曲线变为上凸曲线,卸载路径接近直线。在一次卸载过程中,当卸载应力接近零时,卸载路径变为曲线,且产生了残余塑性变形。

⑶裂缝的失稳扩展阶段

当荷载为最大荷载的80%～120%时,试件中部或底部先出现裂缝,裂缝细而短,且平行于受力方向,随荷载加大,纵向裂缝逐渐形成临界剪切面。高温后随着混凝土变酥松,临界剪切点应力变小、应变值增大。

⑷破坏阶段

过了峰值点后,临界剪切面破损带在正应力和剪应力的共同作用下逐渐变宽。试件剪切破坏后完整性较好,破坏面与荷载作用线夹角为20～35°。当受热温度超过700℃时,试件破坏面不止一个,并且个别试件发生了粗骨料的破坏。

由图2可知,相同温度下钙质骨料混凝土棱柱体的应力-应变曲线较饱满,这表明相同条件下,钙质骨料混凝土棱柱体的耐火性优于硅质骨料混凝土。

图2 不同温度下混凝土在重复荷载下无量纲化应力-应变曲线

3 结论

通过对不同骨料混凝土棱柱在低周重复荷载作用下的变形规律进行的试验研究,得出以下结论：

⑴混凝土棱柱体峰值应力随受热温度的升高而明显下降趋势,且受热温度越高混凝土峰值应力下降速度越大。相同条件下,硅质骨料混凝土棱柱体峰值应力下降速度约为钙质骨料混凝土的1.08倍。

⑵混凝土棱柱体峰值应变随着受热温度的升高呈明显上升趋势,且受热温度越高应变增长幅度越大。相同条件下,硅质骨料混凝土棱柱体峰值应变增长速度是钙质骨料混凝土的1.58倍。

⑶相同条件下,高温喷水冷却后混凝土棱柱体的峰值应力下降速度和峰值应变增长速度均大于高温自然冷却后混凝土的相应值。

⑷钙质和硅质骨料混凝土棱柱体在低周重复荷载作用下均发生了剪切破坏,钙质骨料混凝土的耐火性优于硅质骨料混凝土。

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