高温下和高温后混凝土力学性能的研究进展

刘　威

(宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波　315211)



高温下和高温后混凝土力学性能的研究进展

刘威

(宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波315211)

从混凝土高温下和高温后两方面出发，分析了混凝土结构高温下的静、动态力学性能，并探讨了高温后混凝土结构在单轴压缩、三轴压缩、劈裂拉伸三种形式下的力学性能规律，总结了国内外关于高温下和高温后混凝土力学性能的研究进展，并对我国混凝土结构抗火设计发展方向进行了展望。

混凝土，高温，力学性能，单轴压缩，三轴压缩，劈裂拉伸

0　引言

混凝土是世界上应用最广泛的建筑材料之一，而火灾是自然界中发生频率最高、损失最严重的灾害之一[1]。我国每年遭受火灾影响的建筑物数量巨大，火灾会导致混凝土结构的受力性能和耐久性能发生劣化。一方面火灾虽然会引起混凝土建筑物垮塌，但概率较小；另一方面对于受火后未发生垮塌的建筑物，绝大多数都要进行损伤评定和修复。混凝土结构在高温的同时还可能会受到荷载的耦合作用，这对于混凝土材料的安全性能产生极大考验；火灾后，混凝土的力学特性也会发生明显变化。因此研究高温下和高温后混凝土的力学性能对建筑物安全保障以及生产安全保障有着极其重要的意义。

1　高温下混凝土力学性能

1.1静态力学性能

国外学者W.Nechnech等人[2]早在2002年就定义了温度损伤变量，提出了一种素混凝土高温下弹塑性损伤模型，为高温下混凝土的力学性能研究提供了理论基础。随后丁发兴,余志武等[3]通过对高温下不同强度等级的混凝土单轴压缩下的力学性能试验进行总结得出：高温下混凝土的单轴抗压强度及弹性模量均随温度的升高而降低，且弹性模量降低幅度更大，而峰值应变逐渐增大，且在同等温度下混凝土强度等级越高其单轴压缩下的峰值应变越大。罗迎社[4]对C35混凝土试件在不同温度下进行了单轴压缩试验表明：混凝土单轴抗压强度在250 ℃作用下基本与常温下一致，即100%，在450 ℃作用下强度下降至75%，650 ℃作用下强度下降至45%，850 ℃作用下强度下降至15%，承载能力基本丧失。贾彬[5]采用微波炉加热方法建立了一套有效的混凝土高温单轴压缩试验技术，获得混凝土在温度为16 ℃～650 ℃时的应力应变曲线，试验结果分析表明混凝土经高温损伤后，混凝土强度下降，峰值应变增大，弹性模量减小，并且构建了一个统一方程来描述混凝土在高温时的受压损伤全过程。

1.2动态力学性能

由于建筑物在承受火灾后可能还同时承受着各种静荷载或者动荷载，为了较准确的测量高温下混凝土的动态力学性能，目前广泛使用的是大尺寸的分离式Hopkin-son压杆(SHPB)装置[6]。

2　高温后混凝土力学性能

2.1单轴压缩

余志武等[12]对高温后C40和C50普通混凝土的力学性能进行了试验研究，证实了对于立方体抗压强度,普通混凝土的力学性能突变的临界温度为400 ℃。随火灾温度的升高,高温后混凝土的抗压强度、弹性模量逐渐降低,而峰值应变逐渐增加;安然[13]将国内外一些学者对高温后混凝土力学性能的试验结果进行分析和对比，得出抗压强度在300 ℃前变化不大,300 ℃后急剧衰减,900 ℃强度基本丧失；喷水冷却比自然冷却后混凝土强度有所降低。王孔藩[14]利用不同骨料、不同强度等级混凝土以及不同的冷却方式对混凝土在高温后的力学性能进行了研究,并将实验结果与常温下的结果对比分析得到：300 ℃以前混凝土在高温下出现拮抗效应而使其抗压强度有所上升，300 ℃以后抗压强度逐渐下降，当温度达到800 ℃时抗压强度仅为室温时的25%。冷却方式对抗压强度的影响与前者一致，但补充了混凝土在高温自然冷却后的抗压强度低于高温下的抗压强度。

2.2三轴压缩

混凝土的抗压强度影响因素颇多，如水灰比、水泥强度、骨料类别、养护条件及龄期等，甚至试验设备及试验方法也会对混凝土的抗压强度造成一定的影响[15]。目前混凝土在经历高温后进行三轴压缩实验还较少，多为高温后的双轴压缩。

早期清华大学的王传志、过镇海[16]证明了在常温下侧压相等的普通混凝土三轴受压时,强度因侧压的增加而有很大提高，应力不等的混凝土三轴受压时,强度主要取决于最小主应力。

张众[17]对200 ℃～600 ℃高温作用后的C30普通混凝土试件进行了等比例三轴压缩试验，发现混凝土在高温下经历三轴压缩的抗压强度随温度升高均降低，三个方向的峰值应变增加，并引入八面体应力空间下的强度、温度、应力比之间的关系式，从而为混凝土在复杂应力状态下的力学性能做出了贡献。

姚家伟[18]利用大型混凝土静、动三轴试验系统，以100 ℃为温度梯度，对200 ℃～600 ℃高温作用后的混凝土进行了三轴压缩试验，测得了不同应力比下的混凝土强度。试验发现混凝土在高温后的三轴压缩抗压强度均随温度升高而降低，但在同一高温下，三轴压缩抗压强度比单轴压缩时的抗压强度大，并建立了三轴压缩下混凝土在高温后的破坏准则。

2.3劈裂拉伸

目前国内外有关高温后混凝土的力学性能研究中，有关混凝土的抗压强度方面研究较多，而抗拉强度方面的研究十分稀少。相关研究表明：在单轴受压下，材料破坏主要由拉应力引起[19]。混凝土在单轴受压时最终本质上是由其受拉损伤所控制。因此研究混凝土在经历高温后的劈裂拉伸性能具有重要意义。

谢狄敏[20]通过对混凝土试件进行常温-900 ℃高温后的抗拉强度结果进行分析证明了混凝土在经历高温后的抗拉强度远低于同等条件下的抗压强度，且随着温度的升高抗拉强度的降低幅度增大。

项凯[21]对C35混凝土试件进行高温后的切片劈裂抗拉强度试验表明，各因素中火灾的最高温度对混凝土的抗拉强度影响最大，混凝土高温后抗拉强度及弹性模量均降低，且抗拉强度的下降幅度与弹性模量的下降幅度十分接近。

为了更加深入的研究混凝土劈裂拉伸的影响因素，翟越等[22]对C35的商品混凝土试件进行了300 ℃，500 ℃，800 ℃的高温后，再进行力学试验得到一组混凝土的抗拉强度数据；后利用不同的冷却方式将试件进行降温后进行力学试验得到另一组混凝土抗拉强度数据作为对照。试验发现混凝土试件的劈裂拉伸强度随温度升高而降低，且降低幅度逐渐增大。当温度超过300 ℃时，自然冷却下的混凝土试件的抗拉强度高于水冷却下的抗拉强度，而两种冷却方式后的混凝土抗拉强度均低于相应高温时的抗拉强度。这也证实了建筑物在遭遇火灾后消防水枪灭火会对混凝土结构的抗拉力学性能产生影响。

3　结语

从国内外有关高温下和高温后混凝土力学的研究现状来看：

1)对于高温下混凝土静态力学性能的研究仅限于单轴压缩试验，而三轴压缩以及劈裂拉伸这两方面的研究甚少；动态力学性能的研究主要集中在针对冲击荷载下的研究，由于建筑物在遭受火灾经历高温的同时可能会存在各种不同类型的荷载影响，因此在研究高温下混凝土动态力学性能时有必要开拓荷载的类型，从而建立该领域更全面系统的理论体系。

2)高温后的单轴压缩研究成果颇丰，普遍规律也基本一致；而目前关于混凝土经历高温后的三轴压缩研究还较少，多为常温下的三轴压缩或者高温后的双轴压缩；在普通钢筋混凝土结构设计中由于钢筋主要负责抗拉，混凝土主要负责承压而忽略其拉应力的研究,但实际上拉应力却是混凝土开裂的关键[23]。因此,研究混凝土在经历高温后的三轴压缩以及劈裂拉伸对其能否保证良好的工作性能都起着关键作用。希望后续学者能够在前人的基础上继续丰富高温下和高温后混凝土力学的研究成果，从而更好的为实际工程服务。

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Research progress on mechanical performance of concrete at high-temperature and post-high-temperature

Liu Wei

(CollegeofBuildingEngineering&Environment，NingboUniversity,Ningbo315211,China)

Starting from aspects of concrete at high-temperature and post-high-temperature, the paper analyzes static and dynamic mechanical performance of concrete structure at high temperature, explores mechanical performance law of concrete structure post high temperature under three forms of uniaxial compression, triaxial compression and thunder tension, summarizes mechanical performance research progress of concrete at high temperature and post high temperature at home and abroad, and makes a prospect for anti-fire design development of domestic concrete structure.

concrete, high temperature, mechanical performance, uniaxial compression, triaxial compression, thunder tension

1009-6825(2016)21-0061-03

2016-05-18

刘威(1994- )，男，在读本科生

TU528

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