高温下混凝土抗拉抗压力学性能解析

蒋春霞

摘 要：通過实验分析了混凝土的抗压和抗拉力学性能在高温作用下的变化规律，得出高温作用下混凝土的抗压强度、抗拉强度的变化机理，为进一步研究高强度和高耐久性能的混凝土提供理论基础，为改善混凝土结构的高温力学性能提供参考依据。

关键词：高温；混凝土；力学性能；强度

基金项目：广东理工学院工程造价专业教学团队（JXTD2018002）；广东理工学院建筑材料精品课程（JPKC2016002）

混凝土是一种由水泥、砂、石子等多种材料组成的非匀质复合材料。各组成材料在相同环境下的热工性能及力学性能相差悬殊，尤其是在高温下，都会发生复杂的物理和化学变化而彼此影响，使得混凝土的物理和力学性能较常温时有很大的差异。本研究对混凝土在高温作用下的物理化学变化进行分析的基础上，探讨了混凝土经高温作用后抗压强度、抗拉强度力学性能的变化规律。现在，随着城市人口居住的密集化和高层建筑的迅速发展，不可预见的火灾事故防不胜防，作为建筑物的主要结构材料，混凝土在火灾中耐高温性能的好坏直接影响人民的生命财产安全，因此，研究混凝土的抗火性能和耐高温性能十分必要和迫切。

1 高温下混凝土的力学性能变化

实验表明，在高温作用下，混凝土的各组成材料会发生一系列的物理化学变化，人的肉眼能看到的物理变化是表面疏松、开裂、边角崩落等，肉眼看不见的除了化学变化之外，还有微观的物理变化，包括组成材料内部水分子之间的各种形态变化（如液态水蒸发、固态水水化等），这些微观上的变化改变了混凝土的力学性能，是导致其结构受损的根本原因。（1）在高温作用下，由于混凝土内部各组成材料的导热系数不一致，会让结构产生裂纹，并且随着温度的升高，这种裂纹不断扩大，最终导致结构产生贯通破坏。（2）在高温作用下，混凝土材料内部水分子的蒸发与冷凝。结构孔隙中会有一定量的自由水，其蒸发与冷凝是使混凝土内部发生爆裂的重要原因。一方面，在高温作用下，孔隙中的水分蒸发需要吸收大量的热量，才能让本来是液态的水变成气态的水蒸气，物态的变化限制了混凝土内部温度上升的速度；另一方面，孔隙内不断增加的水蒸气，让孔隙内的压强不断增大，这样也会导致混凝土结构内部发生爆裂。（3）高温作用下胶结材料的化学变化（如水化和脱水）。实验表明，混凝土在温度比较低时会发生水化反应，生产新的性质较稳定的水化物，当温度不断升高超过125 ℃时，混凝土将发生脱水反应，一种新的结晶体会不断形成，一般，当实验室温度为600 ℃左右时，混凝土内部的结晶水就已全部反应了。在这种反复水化和脱水的化学变化环境中，热量也跟着不断释放和吸收，这种过程不断重复，会导致混凝土结构疲劳而破损，使混凝土孔隙率变大、结构变得疏松，进而引起混凝土其他性能的改变，这些都是混凝土高温损伤的主要形式[1]。

1.1 混凝土高温抗压强度变化趋势

在高温作用下，混凝土的强度等级、骨料类型等因素都会影响混凝土的抗压强度。通过实验数据得出的结论如图1所示，图中实线代表高强混凝土在不同温度时的强度变化规律。从图1中可以得出，随着温度的升高，混凝土的抗压强度降低[2]。虚线为普通混凝土随温度变化而产生的强度变化情况，从图1中可以看出，随着温度的降低，普通混凝土的强度也降低了。但是其强度损失规律明显不同。高强混凝土先平缓，中间急剧下降后又平缓，而普通混凝土先有少许上升，然后快速下降，再平缓，在400 ℃左右时，普通混凝土和高强混凝土的强度减小，曲线逐渐重合。对高强混凝土力学性能进一步研究，并与普通混凝土进行了比较，发现在0～500 ℃高强混凝土的抗压强度曲线比普通混凝土的更陡[3]。虽然不同的实验得出的结果有一定的差异，但总的趋势没有变化。对比国外一些同类的实验也可以得出类似的结论。

1.2 混凝土高温抗拉强度变化趋势

实验表明，混凝土的抗拉强度在高温下与混凝土的配合比、骨料种类等多种因素有关。根据实验数据作出了如图2所示的混凝土抗拉强度在高温作用后的折减规律图，与抗压强度图对比，混凝土抗拉强度随温度变化的规律是总体上呈直线性下降。图2显示：混凝土的抗拉强度低，其在高温作用下的强度变化频率小，这说明配合比的不同，混凝土适应温度变化的能力也不同。当然，如果温度比较高（比如温度高于500 ℃），钙质骨料混凝土抗拉强度变化下降值是硅质骨料混凝土的2倍左右。

2 结语

在高温下，混凝土的其他力学性能比如拉伸性能也会发生改变。只研究了混凝土在高温下的抗拉和抗压力学性能的变化规律，在这两种变化的模型研究中也有很多地方有待改进：（1）由于实验结果离散性比较大，而且只考虑了对混凝土高温力学性能的研究主要是基于抗压强度、抗拉强度这两种因素的影响，缺乏对组成材料的细观物理化学变化的分析，没有从根本上揭示混凝土的高温损伤机理。在以后的实验中应该把所有的因素都考虑进去。（2）实验数据没有考虑混凝土组成材料中热、水、力等状态变量的耦合效应，也没有把空隙中的水由液态变为气态过程中发生的相变引起的变化考虑进去，在以后的研究中还应该对这种耦合效应和相变过程的影响进行分析。总之，在高温作用下，混凝土的抗压抗拉强度的变化是由很多种因素和复杂的物理化学变化引起的，一定要把所有可能的原因都加以分析，这样得出的结论才会对现实生产有实际的指导作用。

[参考文献]

[1] 鹿少磊.三大系列水泥混凝土的高温性能比较研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[2] 李东华.高温钢筋混凝土压弯构件的试验研究[D].北京：清华大学，1994.

[3] 张杰英.钢筋混凝土压弯构件的试验研究[D].北京：清华大学，1997.

Analysis of tensile and compressive mechanical properties of concrete at high temperature

Jiang Chunxia

（Guangdong Polytechnic College， Zhaoqing 526100， China）

Abstract：The variation law of compressive and tensile mechanical properties of concrete at high temperature is analyzed experimentally， and the variation mechanism of compressive strength and tensile strength of concrete at high temperature is obtained， which provides a theoretical basis for further study of concrete with high strength and durability， and provides a reference for improving the high temperature mechanical properties of concrete structures.

Key words：high temperature； concrete； mechanical properties； strength