混凝土高温处理后的力学性能试验研究

麻江峰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

现阶段，我国水利建筑行业发展迅速，混凝土的用量越来越大，其所必需原材料的消耗量也越来越多。由于一些因素造成火灾频繁发生，混凝土建筑物遭受高温的几率也随之增大，混凝土高温性能研究尚处于初步探索阶段。本文拟对C40混凝土试件进行常温及高温（300～700℃）灼烧，在自然环境中冷却至室温时，测定其高温前后的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、弹性模量，并描述和分析研究其力学性能的变化。本文选用的机制砂是将天然岩石经机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒；水泥使用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；粗集料使用粒径为5～20mm连续级配的碎石；外加剂使用高效减水剂。

1 试验原材料检测

本试验参考中华人民共和国水利行业标准《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）来进行混凝土原材料的选择并进行配合比设计。

（1）水泥作为混凝土中最主要的水硬性胶凝材料，与水拌和形成的水泥浆具有凝结硬化作用。水泥浆体在混凝土初凝前起润滑作用，而使得混凝土拌和物具有一定的流动性、粘聚性和保水性，以满足施工要求。在混凝土硬化后起胶结作用，将粗细骨料胶结成一个整体而使混凝土具有一定的强度。本次水泥使用山西华润生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，主要性能见表1所示。

表1 水泥物理性能指标

（2）混凝土中的集料在混凝土中起骨架作用，故又称为骨料。相比水泥净浆凝结硬化而成的水泥石，骨料的掺入使得混凝土具有更高的体积稳定性和更好的耐久性能，还可以在一定程度上起到减少水泥水化热及干缩的作用。因为砂石骨料比水泥便宜很多，所以大大降低了混凝土的成本，具有很好的经济效益。混凝土骨料分为粗骨料和细骨料。粗集料通常为碎石和卵石。粗集料使用山西昔阳生产的粒径为5～20mm连续级配的碎石，主要性能见表2所示。

细骨料包括天然砂和机制砂。细骨料使用山西长治生产的机制砂，主要性能指标见表3。

（3）在配制混凝土时，根据需要加入适宜的矿物掺和料，不仅可以改善新拌混凝土的和易性，而且可以提高硬化后混凝土的物理力学性能和耐久性能等。同时用矿物掺和料替代部分水泥，还可降低混凝土的成本。掺合料为粉煤灰，II级粉煤灰，其28 d活性指数为76%。

（4）混凝土外加剂是一种在拌制混凝土时掺入的，掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外），用以改善混凝土性能的化学物质。外加剂的掺量虽少，但能显著改善混凝土某些方面的性能，技术经济效果明显，在现代混凝土工程中的应用越来越普遍，已成为当前配制混凝土所必需的组分。外加剂使用山西万荣桑穆斯高效减水剂，减水率为1.15%。

（5）水是配制混凝土必需的原材料之一。水质的好坏不仅影响混凝土的凝结和硬化，还会影响混凝土的强度和耐久性，并可能造成混凝土中钢筋的锈蚀。混凝土拌和用水应符合《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）的规定。本试验中混凝土拌和及养护所用的水为太原自来水，各项指标均符合规范规定。

表2 粗骨料物理性能指标

表3 细骨料物理性能指标

2 试验设备

水泥所用设备：水泥净浆搅拌机、电脑全自动恒应力水泥压力试验机、微机控制电子式抗压抗折试验机、全自动比表面积测定仪、雷氏水泥沸煮箱、标准恒温恒湿养护箱等。

骨料所用设备：电子天平、电子平台秤、静力学天平、振摆仪、李氏瓶、新标准砂石筛、针状仪、片状仪、石子压碎指标测定仪、电热鼓风干燥箱等。

其它所用设备：单卧轴强制式混凝土搅拌机、电液式压力试验机、混凝土弹性模量测定仪、混凝土振动台、箱式电阻炉等。

3 混凝土配合比设计及试件制备

3.1 混凝土配合比设计

混凝土配合比是指混凝土中各组成材料用量之间的比例关系。配合比设计就是通过一系列的计算及试配等步骤，最终确定混凝土中各组分之间比例关系的过程。在原材料、工艺条件、外界条件一定的情况下，配合比设计实质上就是确定水泥、水、砂、石子等基本组成材料用量之间的三个比例关系，即水胶比、砂率和单位用水量。在经过多次试配的基础上，最终确定C40机制砂混凝土的配合比，见表4。

3.2 混凝土试件的制备

根据配合比制作的混凝土试件尺寸及要求：第一批立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验标准试件150mm×l50mm×150mm的立方体，各自18块；第二批轴心抗压强度和弹性模量试验采用试件Φl50mm×300mm的圆柱体，各自18块。将成型好的试件用盖上塑料膜覆盖，以防止水分蒸发，并放在20±5℃室内环境中静置24～48 h拆模，拆模过程中应轻拿轻放，注意保持试件的完整性，以免因移动而损坏其棱角。拆模完成后，对试件进行编号标记，并将样品放入水中进行标准28 d的养护。

表4 混凝土配合比

4 混凝土高温处理方案

高温试验前，为了保证试验结果的可靠性，应将刚搬出养护池中的混凝土试件放置在干燥通风环境中自然烘干，然后再进行高温试验。试验使用箱式电阻炉，俗称马弗炉，SRJX-15型，额定功率15kW，额定电压380V，最高温度可达1200℃，炉膛尺寸400mm×400mm×600mm。仪器配有手动控制箱，可自己预设所需温度。试验时，首先将混凝土试件放入炉内，然后设置所需温度，并以10℃/min的升温速率使炉内温度升高至所需温度，关紧炉门，当电阻炉控制箱上显示的读数达到所设温度时，认为达到试验检测要求，然后关闭电源打开炉门，待炉内温度下降后取出试件放置在室内环境中使其自然冷却，试件冷却后再进行力学性能试验。

5 混凝土高温后力学性能试验结果及分析

依据中华人民共和国水利行业标准《水工混凝土试验规程》（ SL352-2006）中 4.2、4.3、4.8 进行试验，由于试件各18块，每个编号选取3块，试验后取其平均强度值。

5.1 立方体抗压试验

混凝土常温及高温后的立方体抗压强度试验数据见表5。

表5 常温及高温后的立方体抗压强度

普通常温混凝土试件脆性较大，在临近破坏荷载时，试件会“砰”的一声巨响突然破坏。当混凝土试件在压力机上受压时，沿加载方向产生纵向压缩变形的同时也产生了横向变形，使得试件中部被压坏的混凝土碎屑向外迸出，而与上下压板接触的表面由于承压板的摩擦作用而形成环箍效应。由表5可知：混凝土高温后的立方体抗压强度随着温度的升高而下降。这是因为高温作用后混凝土试件的脆性会有不同程度的降低，温度越高，脆性降低越多。这些混凝土试件在加载过程中裂缝逐渐增多直至破坏，且疏松的混凝土碎屑不断脱落，临近破坏时也没有一声巨响。

5.2 劈裂抗拉试验

混凝土常温及高温后的劈裂抗拉强度试验数据见表6。

表6 常温及高温后的劈裂抗拉强度

普通常温混凝土试件会在破坏时的瞬间形成一条贯通裂缝，试件突然被劈裂，且劈裂断面参差不齐。而经过高温作用后的混凝土试件，在加荷过程中，裂缝的形成及扩展过程均比较缓慢，且劈裂后的断面较整齐，这说明高温作用降低了混凝土试件的脆性。由表6可知：混凝土高温后的劈裂抗拉强度随着温度的升高呈下降趋势。

5.3 轴心抗压试验

混凝土常温及高温后的轴心抗压强度试验数据见表7。

表7 常温及高温后的劈裂抗拉强度

由于混凝土轴心抗压强度的试件的高宽比基本为2，因此试件的高度中部受环箍效应的影响较立方体试件小，所以破坏的也相对严重。由表7可知：混凝土高温后的轴心抗压强度随温度的升高而急剧下降。说明经过高温作用后的混凝土试件，其端部表面不再像未经高温处理的试件表面那么平整，使得在加荷过程中受上下压板的摩擦减小，试件破坏后没能表现出明显的环箍效应。

5.4 弹性模量试验

普通常温混凝土试件在测试过程中，试件的对中相对比较容易，且最后破坏后试件的形态和做轴心抗压试验的试件的破坏形态一致。经过300℃、400℃作用后的混凝土试件，其表面虽有裂纹，但裂纹扩展不很明显，在弹性模量过程中经过多次细心调整，能够对中。而经过500℃及以上温度高温作用后的混凝土试件，由于混凝土各组分的膨胀性能在这些温度范围内差别较大，使得高温作用后的混凝土试件表面不再平整，导致在对中过程中无论如何调整，也无法保证两个千分表变形读数之差与读数差值的平均值之比小于20%。因此试验中仅取得了混凝土试件在20℃、300℃和400℃高温作用后的比较满意的弹性模量试验结果，且弹性模量分别为2.27×104mPa、1.43×104mPa、0.09×104mPa。

6 结论

C40混凝土试件在常温和高温后两种情况下的力学性能基本都是随着温度升高而减低，温度对混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度以及弹性模量的影响很大。高温作用后，混凝土试件表面均有裂缝出现，作用温度越高，试件表面颜色越浅，裂缝尺寸就越宽越长。同时经受高温作用后，混凝土试件的劈裂抗拉强度和轴心抗压强度的下降速度大于立方体抗压强度，且试件质量明显减小。因试验设备条件所限，模拟火灾高温试验时，采用电阻炉对混凝土试件进行高温作用，且电阻炉是以恒定的升温速率工作的，这与实际混凝土结构遭受火灾高温时的情况有较大差别。本文通过对比研究混凝土高温前后的力学性能变化，来分析混凝土高温后力学性能下降的原因，得出一些试验结论，可对混凝土实际水利工程在遭受火灾后的评估鉴定及修复加固提供可靠的理论依据。