高温循环作用下水泥砂浆的力学性能研究

刘　威，熊良宵，潘海峰

(宁波大学建筑工程与环境学院，宁波　315211)



高温循环作用下水泥砂浆的力学性能研究

刘威，熊良宵，潘海峰

(宁波大学建筑工程与环境学院，宁波315211)

为了研究高温循环作用下水泥基材料的力学特性，对经高温循环作用后的水泥砂浆试件进行了单轴压缩变形试验。研究结果表明：当循环次数为5次以内时，水泥砂浆的抗压强度随着高温循环次数的增加呈波动变化，无明显增大或减小趋势，但随温度和水灰比的增大而减小；在400 ℃以内，温度对水泥砂浆的峰值应变影响较小，但峰值应变随着高温循环次数的增加而增大；水泥砂浆的弹性模量随着高温循环次数的增加呈先增大后减小的变化规律。

水泥砂浆； 高温循环； 力学特性

1　引　言

大量的火灾实例表明大火会对混凝土结构产生不同程度的损伤，甚至会由于混凝土结构的力学性能劣化、爆裂引起的混凝土截面厚度减少而造成结构工程的垮塌。因此，研究混凝土在火灾高温作用下的力学性能对于提高混凝土结构工程的火灾安全性具有重要的理论价值和实际意义。

目前国内外关于混凝土在高温作用下力学性能的研究已取得了一定的进展。早在九十年代李卫等[1]通过试验分析了高温下混凝土性能的变化规律和机理，后续也有学者对混凝土经高温或高温循环后进行了力学性能试验研究。阎继红等[2]通过大量的工程案例分析了温度与静置时间对高温后混凝土抗压强度的影响；吕天启等[3]分析了混凝土经高温、冷却并静置若干时间后，其主要力学性能指标随着静置时间的变化规律；余志武等[4]提出了高温后不同类型混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变等的经验计算公式和高温后混凝土轴压应力-应变关系曲线的表达式；李宁波[5]通过四种水灰比混凝土的高温后强度试验分析了混凝土的残余强度衰减规律和其高温衰退机理；吴波等[6]对目前高温后混凝土抗压强度的有关文献数据进行了统计分析；陆洲导等[7]对火灾(高温)后混凝土材料力学性能的研究进展进行了总结；王 峥[8]研究了不同尺寸混凝土试件经不同温度后的力学性能，并根据数据拟合出了高温作用后混凝土抗压强度与受火温度之间的关系式；陈有亮等[9]对经历不同温度、不同高温循环次数后的混凝土试件进行力学性能试验研究；Ma等[10]通过一系列试验分析了混凝土在高温下的物理力学性能。

虽然有关高温后混凝土的力学特性的研究成果已颇多，但这些研究成果主要是通过对混凝土试件进行单次高温后的力学试验所获得，而实际混凝土结构工程有可能不止经历一次高温，这就需要研究混凝土经历多次高温作用后的力学特性，而目前有关高温循环作用后混凝土的力学特性的研究成果还十分稀少。

为了能更深入了解水泥砂浆在经历高温循环后的力学性能，将不同水灰比的水泥砂浆试件进行不同温度及不同循环次数的高温，然后对经高温后的试件进行单轴压缩变形试验，研究水泥砂浆试件的抗压强度、峰值应变和弹性模量随高温温度和高温循环次数的变化规律。

2　试　验

2.1试验仪器

单轴压缩变形试验采用WAW600型万能压缩试验机。该仪器的最大位移速率为60 mm/min，最大加载能力为600 kN。

2.2试样制备

试验所采用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，细骨料采用宁波当地产的淡砂，颗粒级配合格，属于中砂。

水泥砂浆试件的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，水灰比包含0.45、0.55和0.65三种，胶砂比为1∶2，并共计制备108个试件。

2.3试验步骤

试件进行高温和力学试验的步骤为：

(1)高温循环：从水灰比为0.45、0.55和0.65的试件中各拿出12个，放在高温炉中，再按20 ℃/min的加热速率将温度加到指定温度，然后保持该温度不变并维持2 h，后关闭高温炉开关停止加热，让试件在高温炉中自然冷却，隔天再将试件取出；

(2)单轴压缩试验：试件从高温炉中取出后，在室内环境下静置7 d后，再对试件进行单轴压缩变形试验，在进行单轴压缩变形试验时，采用位移控制的加载方式，加载速率为0.4242 mm/s。

进行每种情况的试验时至少采用3个试样。后文讨论的抗压强度、峰值应变和弹性模量等均是平均值。

3　结果与讨论

3.1抗压强度变化规律

抗压强度变化规律见图1。

水灰比为0.45的水泥砂浆试件经200、300和400 ℃高温作用后，当高温循环次数相同时，经历200 ℃作用后的抗压强度基本呈最高，经历300 ℃作用后的抗压强度基本上次之，经历400 ℃作用后的抗压强度基本呈最小。水灰比为0.55和0.65的试件经200、300和400 ℃作用后抗压强度与高温温度间的变化规律基本与此相同。

引入对应水灰比的试件在未经高温下的抗压强度(即第0次循环)作对比，发现水灰比为0.45的试件经200度高温循环作用时，从第0次到第3次呈先减小后增加的趋势，第4次有所减小，第5次又与第3次比较接近；经300度高温循环作用时，虽然从第3次到第5次的变化规律与经200 ℃高温循环作用时的规律一致，但从第0次到第5次的总体变化规律还是呈先增加后减小的趋势；经400 ℃高温循环作用时，第0次到第2次时为减小，而从第2次到第5次时呈一直增加的规律。但总体呈波动变化，无明显增加或减小趋势，与未经高温作用时抗压强度基本一致。

图1　试件的抗压强度随循环次数的变化规律(a)水灰比为0.45;(b)水灰比为0.55;(c)水灰比为0.65Fig.1　Variation of compressive strength of specimen with temperature cycle

水灰比为0.55和0.65的试件经历200、300和400 ℃高温循环作用后抗压强度随循环次数的变化规律与水灰比为0.45的试件的规律一致，经200 ℃高温作用后随循环次数的增加呈先减小后增加又再减小后增加的变化规律，经300 ℃高温作用后随循环次数的增加基本呈先增加后减小的趋势，经400 ℃高温作用后随循环次数的增加也基本呈先略有减小而后增加的波动变化。

3.2峰值应变变化规律

峰值应变的变化规律见图2。

图2　试件的峰值应变随循环次数的变化规律(a)水灰比为0.45;(b)水灰比为0.55;(c)水灰比为0.65Fig.2　Variation of strain at the peak stress of specimen with temperature cycle

水灰比为0.45的试件经第一次高温作用后，经400 ℃高温作用后的试件的峰值应变最大，经300 ℃高温作用后的峰值应变次之，经200 ℃高温作用后的峰值应变最小。水灰比为0.55和0.65的试件经第一次高温作用后，经这三种温度高温造成试件的峰值应变的差异程度相比水灰比为0.45的试件而言相对偏小。主要是因为当试件经历高温作用后，由于内部自由水的蒸发和结合水的分解，会使得试件内部的微裂纹和孔洞有所增加，试件经单轴压缩变形试验时，变形会有所增加，温度越高，内部自由水的蒸发和结合水的分解越快，产生的微裂纹和孔洞也就越多，从而峰值应变增加得更多。

水灰比为0.45的试件经200和300 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小又再增加的趋势；经400 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后增加的趋势。水灰比为0.55的试件经200和400 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后增加的趋势；经300 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小又再增加的趋势。水灰比为0.65的试件经200和300 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小又再增加的趋势；经400 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后增加又再减小的趋势。但这三种水灰比的试件，经200、300和400 ℃循环作用时，随着循环次数的增加，峰值应变随着循环次数的增加基本呈增加的趋势。这主要是由于随着循环次数的增加，试件内部的微裂纹和孔洞会持续增加。

3.3弹性模量变化规律

弹性模量变化规律见图3。

图3　试件的弹性模量随循环次数的变化规律(a)水灰比为0.45;(b)水灰比为0.55;(c)水灰比为0.65Fig.3　Variation of elastic modulus of specimen with temperature cycle

水灰比为0.45的试件经200和300 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后增加又再减小的趋势；经400 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小又再增加后减小的趋势。

水灰比为0.55的试件经200 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小的趋势；经300 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后增加又再减小的趋势；经400 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小至没有明显变化的趋势。

水灰比为0.65的试件经200 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先增加后减小又再增加后减小的趋势；经300 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后增加又再减小的趋势；经400 ℃高温循环作用时，随着循环次数的增加呈先减小后缓慢增加的趋势。

总体而言，这三种水灰比的水泥砂浆试件经200、300和400 ℃循环作用时，随着循环次数的增加，其弹性模量随循环次数的增加呈先增大后减小的变化规律。

4　结　论

(1)当循环次数为5次以内时，水泥砂浆的抗压强度随着高温循环次数的增加呈波动变化，无明显增大或减小趋势，但随温度和水灰比的增大而减小；

(2)400 ℃以内，温度对水泥砂浆的峰值应变影响较小，但峰值应变随着高温循环次数的增加而增大；

(3)水泥砂浆的弹性模量随着高温循环次数的增加呈先增大后减小的变化规律。

[1] 李卫, 过镇海. 高温下砼的强度和变形性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 1993, 14(01): 8-16.

[2] 阎继红, 林志伸, 胡云昌. 高温作用后混凝土抗压强度的试验研究[J]. 土木工程学报, 2002, 35(05):17-19.

[3] 吕天启, 赵国藩, 林志伸. 高温后静置混凝土力学性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2004, 25(01): 63-70.

[4] 余志武, 丁发兴, 罗建平. 高温后不同类型混凝土力学性能试验研究[J]. 安全与环境学报, 2005, 5(05):1-6.

[5] 李宁波, 时旭东 ,肖明辉. 高温后混凝土受压强度衰减性能试验研究[J]. 建筑科学, 2007, 23(09): 58-61.

[6] 吴波, 梁悦欢. 高温后混凝土和钢筋强度的统计分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2008, 36(12): 13-20.

[7] 陆洲导, 苏磊. 我国混凝土结构火灾(高温)后损伤机理与评估方法的研究进展和发展趋势[J]. 建筑结构学报, 2010, S2: 202-209.

[8] 王峥. 混凝土高温后力学性能的试验研究[D].大连:大连理工大学, 2010.

[9] 陈有亮, 索晓航, 蒋立浩, 等. 高温循环作用后混凝土力学性能研究[J].力学季刊, 2012, 33(04): 577-583.

[10] Ma Q M, Guo R X, Zhao Z M, et al. Mechanical properties of concrete at high temperature[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2015, 93, 371-383.

Mechanical Properties of Cement Mortar under High Temperature Cycles

LIUWei,XIONGLiang-xiao,PANHai-feng

(Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

In order to study the mechanical properties of cement mortar after high temperature cycles, uniaxial compression tests on cement mortar specimens after high temperature cycles were carried out. The results show that the compressive strength of cement mortar decreases with the increasing of cycling times, temperature and water/cement ratio. The impact of temperature on the strain at the peak stress is light when the temperature is smaller than 400 ℃. The strain at the peak stress of cement mortar increases with the increasing of cycling times and water/cement ratio. The elastic modulus of cement mortar will increase first and then decrease with the increasing of cycling times and water/cement ratio, but will decrease first and then increase with the increasing of temperature.

cement mortar;high-temperature cycle;mechanical property

宁波大学SRIP科研项目

刘威(1994-)，男.主要从事土木工程结构方面的研究.

熊良宵，博士，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2314-04