高强混凝土高温后的力学性能研究

邵晋彪,王林浩,高海静

(1.山西工程职业技术学院,山西 太原 037003；2太原理工大学,山西 太原 037003;3.北京市丰台区王佐镇人民政府,北京 100074)

国内外已有很多[1～3]对高强混凝土的研究,对高温后高强混凝土力学性能的研究主要有文献[4～6]。试验采用的加温温度范围一般从100℃至900℃不等,恒温时间从1小时至6小时不等,升温曲线使用较多的是ISO834标准升温曲线。对于上海静安区、沈阳皇朝酒店等使用高强混凝土材料的工程结构遭受火灾较高且恒温时间较长,现有普通混凝土的研究结果用于这些高强混凝土构筑物会显得很不合理,从而高强混凝土高温(尤其是不同受热温度与不同恒温时间的组合)力学性能的研究必将成为国内外学者关注的焦点。

本文对C60高强混凝土经不同高温历程(不同受热温度与不同恒温时间的组合)后外观、抗压强度、峰值应变等的变化规律进行了研究,为高强混凝土经历不同高温历程后的力学性能研究打下了基础,更为使用高强混凝土材料的工程结构遭受长时间火灾损害后的检测加固提供了良好的依据。

1 试验方法

以C60高强混凝土为试验材料制作标准试块,用于确定混凝土的静力抗压强度,试块的强度平均值fcT=49.6MPa。

采用300mm×500mm×200mm箱式电阻炉进行高温受热试验。试验温度为200℃、300℃、500℃、600℃与800℃,升温至指定温度后再分别恒温0.5小时、1小时、2小时与3小时,采取室温冷却方式。对经历不同高温历程后的试块进行减摩静载试验,在试块表面用三层黄油夹三层塑料薄膜为减摩垫层[7]。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

经不同的受热温度与恒温时间的组合工况的C60高强混凝土试块冷却后,可以发现升温至200℃的试块外表色泽与高温前基本无差别。当高温历程为300℃恒温时间为1小时C60高强混凝土试块整体或者部分外表色泽与常温试块的颜色对比非常明显-呈现铁锈红色,直至恒温3小时铁锈红色消失[4、7],混凝土表面有少量可视细微裂缝。C60高强混凝土经500℃、600℃高温作用后,Fe(OH)3分解为氧化铁,红色消失变为浅灰色,可以看到裂缝增加但没有贯穿整个表面,并伴有少量试块掉皮、缺角现象；个别试块在受热过程中发生爆裂现象,其断面比较粗糙,孔洞和裂纹也较多。C60高强混凝土试块经800℃高温作用后,试块外表呈灰白色,与常温试块的外表色泽对比明显,试块表面出现粗大裂缝,有的甚至贯穿整个试块,且裂纹之间互相贯通,整体结构比较疏松。

C60高强混凝土经不同的受热温度与恒温时间的组合工况后已有可视细微裂缝,如图1所示,在此基础上不断加压直至峰值荷载,C60高强混凝土试块发生脆性破坏,在此过程中还伴随有很强的劈裂声。其主要原因是：C60高强混凝土水泥胶凝体的强度与普通混凝土相比大不同,其强度值很接近于粗骨料的强度值,使得C60高强混凝土的裂缝发展已无法受到粗骨料的束缚(粗骨料对裂缝的发展有约束与缓冲作用)；随着C60高强混凝土所受压力的增加,试块内部将会积蓄巨大的能量,当达到峰值荷载时将会迅速释放,以至于试块的裂缝发展无法估量,最终可以明显地看到C60高强混凝土试块被劈裂成多个小柱体,这个结论与文献[3、8]的试验结果一致。

图1 受热试验结果

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度

α=1.087-8.66×10(-4)T,100℃

(1.1)

β=1.09-5.62×10(-2)t ,0.5h

(1.2)

表1 不同高温历程后高强混凝土基本力学指标试验值

图2 残余抗压强度比与受热温度和恒温时间关系

由图2可知,随着试块受热温度和恒温时间的增加,C60高强混凝土试块的残余抗压强度总体呈逐渐减小的趋势,与高温历程呈反比。当受热温度不同时,800℃时已降低至12MPa左右,强度仅剩余大约25%,主要原因是C-S-H胶凝分解,高强混凝土结构彻底破坏[9]。当恒温时间不时,C60高强混凝土的残余抗压强度会随着恒温时间的增长而减少。相比恒温时间,受热温度的变化对高强混凝土残余抗压强度的变化影响更大。

2.2.2 峰值应变

混凝土试块在单轴压试验达到破坏前的最大应变为混凝土的峰值应变。图3给出了C60高强混凝土峰值应变随受热温度及恒温时间的变化情况。

由图3可知,C60高强混凝土的峰值应变的大小与受热温度的高低、恒温时间的长短有关,与高温历程呈正比。当C60高强混凝土所受受热的温度相同而恒温时间不同时,C60高强混凝土的峰值应变会随着恒温时间的增长而增大,但增长趋势不明显。当C60高强混凝土所受的恒温时间相同而受热温度不同时,C60高强混凝土的峰值应变在500℃以前的变化幅度不明显；当受热温度高于500℃时,C60高强混凝土峰值应变的变化趋势明显；800℃时C60高强混凝土各恒温时间下的峰值应变与其在100℃时的幅值相比增长了约2倍。相比恒温时间,受热温度的变化对高强混凝土峰值应变的变化影响更大。

图3 不同受热温度及恒温时间下峰值应变影响规律

其中,受热温度低于500℃时,恒温时间对峰值应变影响并不明显；当受热温度大于500℃时,C60高强混凝土峰值应变随恒温时间的增长而增大,且增幅较大。

现行混凝土结构设计规程中混凝土的峰值应变如式2：

(2)

参考式(2)的形式,对各试验数据进行回归分析,建议按下式计算C60高强混凝土经历不同高温历程后的峰值应变：

式中：ε0T为高温后C60高强混凝土峰值应变,fcT为高温后C60高强混凝土剩余抗压强度。

3 结论

(1)C60高强混凝土经不同温度与恒温时间后的外表色泽逐渐变浅。 300℃恒温1小时至恒温3小时之间混凝土试块呈铁锈红色,800℃试块表面呈灰白色,且试块表面裂缝逐渐开裂变粗,直至贯穿整个试块,整体结构疏松。

C60高强混凝土受高温历程作用后已有可视细微裂缝,当不断受压达到峰值荷载后发生脆性破坏,并伴随剧烈的劈裂声,出现严重的爆裂破碎现象,其单轴压疲劳破坏形态为柱(小柱体)状压溃。

(2)C60高强混凝土的力学性能随高温历程的增加而降低。相对恒温时间的不同,受热温度的变化对C60高强混凝土力学性能的影响更大。C60高强混凝土的的残余强度与高温历程呈反比,其峰值应变与高温历程呈正比。