浅析水灰比对高温下混凝土力学性能的影响

李国宁

(中铁上海工程局集团有限公司，上海 静安区 200000)

时代的快速发展对建筑工程项目质量与水平提出了更高的要求，混凝土作为最广泛使用的建筑材料，其力学性能指标的合理性、科学性直接关系到建筑物的质量，所以有必要对不同温度下水灰比对混凝土力学性能的影响进行探究，从而制定出更加科学的混凝土结构抗火设计方案。

1 试验设计

1.1 试验方法

试验用到的设备为配有材料高温抗压试验炉的200t试验压力机，其中，材料高温抗压试验炉在试验时的温度由智能温控仪表进行控制，并依据普通混凝土力学性能测试规范方法与标准进行相关试验。相关研究表明，0～400℃是混凝土抗压强度以及其他力学性能指标出现反复的主要区间，通过应力-应变曲线能够分析出各温度阶段混凝土的变形特性。因此，试验主要是对直径相同的21个混凝土标准试件进行力学性能测试，测试时的温度包括常温与高温两种环境，然后对比不同温度下、不同水灰比的试件，绘制出相应的力学性能变化曲线，明确温度以及水灰比对混凝土标准试件抗压强度、弹性模量、峰值应变的影响规律，进而总结出水灰比对高温下混凝土力学性能的影响。

1.2 试验内容

1.2.1 试验原料与相关参数

试验使用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，直径为5～10mm的骨料碎石，按照普通混凝土配合比设计规范方法进行设计，以此保证制备的混凝土标准试件具有较为良好的保水性与力学性能。

试验时水灰比的设计参数包括0.40、0.47、0.58，设计的温度包括常温、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃。试验用水泥性能测试数据如表1所示[1]。

表1 混凝土配合比与力学指标

1.2.2 水灰比设计原理

由于不同水灰比制备出的混凝土特点存在一定差异，为保证试验效果，激发为混凝土配合比设计的主要方法，进而确定出合适的水灰比。根据试验目标对水泥浆体积量进行控制，从而达到控制水灰比的目的，以此得到制备混凝土最佳的配合比。通过一系列试验确定温度在常温、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃情况下，0.40、0.47、0.58水灰比对混凝土抗压强度、弹性模量、峰值应变的影响规律，进而确定出最佳的水灰比与温度。

1.2.3 试件的养护

试验过程中选用二次加料的方法，通过第一步加料计算出配制混凝土各原料的用量，通过第二步加料确定混凝土配合比中骨料、水的用量，当骨料、1/2水以及其他材料混匀一段时间之后，将剩余的水加入其中，混匀一分钟之后停顿，以此充分发挥出水养护法的功能与作用。在混凝土试件成型一天之后，进行拆模，然后按照要求在一定条件之下养护一段时间之后，进行标准混凝土试件的力学性能测试。

1.2.4 力学性能测试

参照普通混凝土力学性能测试规范标准与方法，对21个直径相同的标准圆柱体混凝土试件进行预压，使用0.4倍极限承载力进行预加载，以此消除各个标准试件顶部的不平、孔隙以及其他因素，以此降低不确定因素对力学测试结果的影响。完成预加载之后进行卸载，然后保持0.5MPa的初始压力，同时运用自动控温的材料高温抗压试验炉对试件进行加热，主要是以5～10℃/min的速度进行升温，当升至预定温度时，恒温三小时，并在此温度进行力学性能测试，运用位移传感器来明确标准混凝土试件的变形程度，然后对试验结果进行分析与讨论。

2 试验结果

2.1 试验现象

在升温过程中，试件会不断冒出水蒸气，打开试验炉待试件冷却至室温，对混凝土试件颜色以及破坏形态进行观察[2]。常温下，试件大多在骨料以及砂浆界面发生破裂；低中温区段，试件的破裂缝隙上会有竖向裂缝，破裂面与加载方向呈60°～70°倾斜角。100～300℃下，混凝土表面微微泛白；400℃下，出现淡淡的暗红色；600～800℃，表面出现十分明显的暗红色，并且破裂面的倾斜角逐渐增大，并伴有少量的混凝土剥落；更高温度之后，混凝土剥落部分呈现粉状。对加热升温速度进行适当调整，随着温度的升高，各个试件均会伴有爆裂现象。

2.2 试验工艺图

对不同温度区段，不同水灰比的混凝土力学性能变化情况绘制成相应的应力-应变曲线，100～200℃范围内，随着温度的升高，试件弹性模量、抗压强度会出现较为明显的衰减现象，直到300℃之后才又出现提高的趋势，到达400℃时，混凝土试件弹性模量、抗压强度的恢复结束，600～800℃之间，又会出现较为明显的降低趋势，随着温度的进一步升高，基本保持扁平的变化趋势。不同温度区段下C40、C50混凝土轴向应力-应变关系曲线，如图1所示。

图1 C40、C50混凝土轴向应力-应变关系曲线

3 试验结果分析

3.1 抗压强度与弹性模量损伤系数

根据轴向应力-应变关系曲线，先分析温度、水灰比对抗压强度损伤系数的影响规律：常温到200℃区段，抗压强度会随着温度升高、水灰比的增加而逐渐降低，200℃之后逐渐提高，在300～400℃之间又逐渐恢复，部分试件出现系数值大于1的情况，600～800℃之间，抗压强度损伤系数又大幅度降低，并且200～300℃之间水灰比对对抗压强度损伤系数的影响较为复杂；分析温度、水灰比对弹性模量损伤系数的影响规律：200℃时，弹性模量会随着温度的升高逐渐降至最小值，在300～400℃之间又逐渐恢复，600～800℃之间，弹性模量损伤系数又不断降低，100～200℃，弹性模量损伤系数随着水灰比的增加而逐渐降低，200～400℃呈现明显恢复的趋势，测量到的数据较为分散。

3.2 峰值应变规律

分别分析常温以及中低温区段、高温区段不同水灰比对标准混凝土试件峰值应变的影响规律，除去少量离散数据，在温度逐渐增加的情况下，各个试件的峰值应变会随着温度的升高而不断增大。值得注意的是，400℃以下，峰值应变-关系变化趋势相对平缓，当温度大于400℃之后，上升现象较为明显，并且在200～300℃之间会出现小幅度的波动，当温度到达800℃时，标准混凝土试件就会出现爆裂现象。但是在低温区段中，水灰比对混凝土峰值应变的影响并不显著，当温度超过200℃之后，就会明显增大，在400～600℃之间，峰值应变又会随着温度的升高而逐渐减小，在300℃时的变化趋势最不明显。

图2 水灰比对峰值应变-温度关系的影响

4 低中温区(100～400℃)的混凝土力学性能

结合试验结果与相关研究进行低中温区(100～400℃)的混凝土力学性能分析，大多数混凝土试件均呈现出相同的变化规律，100～300℃之间出现低温段静力强度衰减现象，300℃～400℃之间又有所恢复[3]。根据相关规范技术标准，试验中C40、C50两组试件的抗压强度损伤系数分别在300℃、200℃处出现最小值；所有试件的弹性模量损伤系数均在200℃处出现最小值；所有试件的损伤系数值在高温下均会出现下降趋势。产生这种现象的主要原因是：高温下的不同水灰比的混凝土都会发生一系列的化学变化与物力变化，使得成分、微观结构随着温度的变化而呈现不同功能的变化形态，特别是水灰比越大，水泥含量多的混凝土试件在100℃时的水化作用更强，在200℃时水化作用产生的水分又会完全蒸发掉，并且未水化与水化的颗粒之间会存在不同的膨胀系数。结合高温下不同水灰比宏观力学性能的观察，中低温区段混凝土的力学性能指标确实出现衰减、恢复的现象，这与扫描电镜的微观结构观察结果相同。经过对比，300℃、400℃之间的混凝土结构比200℃时更加致密，特别是400℃下的混凝土结构呈现出裂缝更少的微观结构。

5 结 论

综上所述，100～400℃范围内制备的混凝土，其抗压强度、弹性模量随着水灰比增加出现先衰后减的现象，当温度超过600℃后会大幅度下降。通过扫描电镜观察，300℃、400℃之间的混凝土结构比200℃时的更加致密，与试验工艺图变化趋势大体一致，证明300～400℃是制备不同水灰比混凝土的最佳温度范围，对提升混凝土结构抗火水平具有重要意义。