高溫后混凝土力學性能的研究進展

馬 輝

（寧夏銀帝物業服務有限公司， 寧夏 銀川 750021）

高溫后混凝土力學性能的研究進展

馬 輝

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目前，火災已成為發生頻率最高、危害最大的一種災害。本文簡述了高溫后混凝土性能的研究現狀，分析、總結了高溫后混凝土的物理及力學性能隨溫度的變化規律，并結合工程實際對需要進一步研究的問題進行了展望。

混凝土；高溫；物理性能；力學性能

0 引言

進入21世紀，國民經濟的飛速發展和現代化住房剛性需求的不斷增大，進一步加重了城市用地的嚴峻形勢，建筑逐漸向高層、超高層發展且功能趨于多樣化、復雜化，各種新技術、新材料、新設備也被廣泛應用。與此同時，建筑火災也變得易發、多發而頻發。一旦發生火災，必然導致建筑材料性能的劣化及結構承載力的下降，以致造成不可估量的生命和財產損失！而混凝土自問世以來，以其取材方便、制作工藝簡單、成本低廉且具有良好的力學性能等優點被人們廣泛的應用于各類工程建設當中，也是目前用途最廣、用量最大的一種建筑材料。因此，開展對火災后混凝土力學性能的研究具有重要的實用意義及工程價值。

由于火災產生的高溫會嚴重影響建筑結構的穩定性及安全性，人們也越來越重視對混凝土高溫作用后力學性能的研究：在高溫作用后混凝土準靜態下的物理及力學性能方面，展開了較全面的研究，且成果頗多[1-5]；在高溫作用后混凝土動荷載下的物理及力學性能方面，鮮有文獻報道。本文整理、分析和總結了國內外研究學者對混凝土高溫作用后的物理及力學性能，探討了混凝土的主要力學性能隨受火溫度的劣化規律及受火后混凝土的外觀特征和質量損失率隨溫度的變化規律。可為火災后建筑結構的評估、加固、修復提供理論依據。

1 受火后混凝土物理性能

1.1 外觀特征

通過對國內外一些學者所做的混凝土高溫試驗進行對比和分析，得出：隨受火溫度的升高，混凝土表面的顏色由深逐漸變淺，裂紋從無到有且逐漸增多增大，表面出現龜裂。

華僑大學的胡翠平等[6]研究了混凝土高溫后自然冷卻和噴水冷卻下的外觀特征，發現：自然冷卻的試件，溫度在100、200℃時混凝土試件表面顏色與常溫下相近；300℃時表面顏色變為暗灰色且出現少量短細裂紋；400、500℃時試件表面略帶紅色，混凝土結構開始變得疏松；溫度達到600℃，試件表面顏色泛白且有少量掉皮；700℃試件表面呈灰白色，棱角有缺損； 800℃混凝土表面變為淡黃色且開裂嚴重，觸碰即碎。

噴水冷卻的試件，溫度在100℃時試件表面顏色與自然冷卻下的相差無幾；在200、300℃時試件表面出現黃色斑點；到400℃后試件表面顏色變為淡紅色；500℃后表面又呈磚紅色；當溫度達到600、700℃時，試件表面顏色比自然冷卻的白些；800℃后，混凝土表面呈淡黃色。與自然冷卻的試件相比，同一溫度等級下澆水冷卻的試件裂縫更多、更大。

1.2 質量損失率

對于混凝土高溫后的質量損失率，國內外研究結論較為統一。研究者[7-10]發現：高溫后不論是采用自然冷卻還是澆水冷卻，混凝土的質量損失率隨溫度的升高不斷增大。這主要是由于高溫作用下混凝土內部自由水的逸出、水泥水化產物的脫水分解及混凝土的爆裂。

陳宗平[10]指出：溫度低于300℃時，試件燒失率最大不超過1.5%；300℃～400℃試件燒失率迅速增大至6%左右；400～600℃燒失率基本保持不變；而在600℃～800℃試件燒失率呈線性增加，800℃試件的燒失率達到8.24%。

2 受火后混凝土主要力學性能劣化規律

2.1抗壓強度

目前，對于混凝土高溫后抗壓強度的研究較為成熟，但混凝土具有地域特性，不同地區的混凝土由于材料成分的差異，導致其高溫后抗壓強度的實驗結果的離散性很大，甚至互為矛盾。但經過分析、總結不難發現如下規律[11]：溫度不超過400℃時，無論是普通混凝土還是高性能混凝土抗壓強度損失都小于5%，在400～600℃溫度段，普通混凝土抗壓強度下降幅度為33%，高性能混凝土降幅為35%～54%，在600～900℃各類混凝土抗壓強度均迅速下降，900℃后，普通混凝土剩余抗壓強度為室溫下的20%，高性能混凝土剩余抗壓強度為室溫下的17%左右。

徐彧 等[12]對86個混凝土試塊在常溫～1000℃范圍內溫度作用后，進行了強度與變形試驗，得出以下結論： 在 300℃內混凝土抗壓強度變化不大，在 400℃后呈下降趨勢；而隨溫度的升高混凝土軸心抗壓強度持續下降,且下降幅度要比抗壓強度大。

羅迎社，陳超等[13]對 15個 C35混凝土試件在常溫～850℃范圍內溫度作用下后進行了抗壓強度試驗，著重分析強度與作用溫度的相互關系，表明：混凝土抗壓強度在 250℃時與常溫下差不多，450℃時抗壓強度降低 25%，650℃時抗壓強度下降55%，在850℃的高溫作用下抗壓強度下降高達85%，承載力基本喪失。

凌立[14]對常溫和 200～600℃高溫作用后高性能混凝土進行單軸抗壓強度力學性能試驗。試驗結果表明：隨著溫度升高,在高溫200～300℃時高性能混凝土抗壓強度有所升高，而在400～ 600℃之間是逐漸降低的。400℃左右是抗壓強度明顯變化的臨界溫度。

2.2 抗拉強度

通過總結國內外大量研究成果，孫偉等[11]在現代混凝土理論與技術一書中指出：普通混凝土經過400℃后劈裂抗拉強度下降18%；摻有硅粉的混凝土略有增大，增幅為6%左右；鋼纖維和硅粉混摻的混凝土劈裂抗拉強度增大25%；單摻聚丙烯纖維的混凝土劈裂抗拉強度下降16%，降幅接近普通混凝土。

胡翠平，徐玉野等[6]對62組混凝土標準立方體試件進行了劈裂抗拉強度試驗，研究了受火溫度、冷卻方式、養護齡期及靜置時間對高溫后混凝土劈裂抗拉強度的影響規律,得出：在各種影響因素綜合作用下，隨著溫度的升高混凝土的劈裂抗拉強度均呈降低趨勢。與自然冷卻的試件相比，噴水冷卻的試件劈裂抗拉強度總體偏低。混凝土的劈裂抗拉強度與養護齡期呈正相關，齡期越短強度越低。高溫后混凝土的劈裂抗拉強度隨靜置時間總體上呈先下降后上升的變化趨勢。靜置時間為28d時劈裂抗拉強度最低。

謝狄敏，錢在茲等[15]對15個混凝土立方體劈裂試件在常溫～ 900℃范圍內不同溫度作用后的抗拉強度進行了試驗和理論分析工作后，指出：高溫作用后，混凝土劈裂抗拉強度降低幅度遠大于抗壓強度的降低幅度，且降低幅度隨溫度升高增大,常溫下的拉壓強度關系不再適合；在 300℃混凝土抗拉強度下降最快，隨溫度升高降低趨勢減緩；與高溫中的抗拉強度相比，冷卻后的僅為高溫時的 50%左右。

2.3 彈性模量

混凝土的彈性模量是對混凝土抵抗外力變形能力的一個評價指標，在實際結構工程中，常用于計算結構的變形、應力分布和裂縫寬度等。而國內外研究學者對混凝土高溫后的彈性模量也進行了研究。

王文兵，范宏亮等[16]對混凝土在高溫和常溫時力學性能進行試驗，對比發現：高溫后混凝土的彈性模量隨溫度升高呈下降趨勢。混凝土的彈性模量主要取決于曾達到的最高溫度，與升降溫循環次數相關性很小，主要原因是隨溫度升高，混凝土內部出現裂縫，組織松弛，加之空隙失水失去吸附力，從而造成變形增大，彈性模量降低。其降低幅度遠大于抗壓強度的減低幅度。

賈艷東，田傲雪等[17]通過實驗模擬火災現場，對強度等級分別為C20、C30的立方體混凝土試件在不同溫度條件下（23、100、300、500、700℃），采用不同加熱時間（1、2、3h）后，測量其彈性模量變化。發現：100℃內，C20混凝土彈性模量幾乎無變化，C30混凝土彈性模量呈下降趨勢；300～500℃段內，隨溫度升高，兩類試件的彈性模量均大幅降低，500～700℃彈性模量急劇降低。

3 結論及展望

從國內外試驗及研究可知，目前對高溫后混凝土力學性能的研究主要集中在準靜態下的，對動荷載下的及高溫與荷載耦合作用下力學性能的研究還有所欠缺。但在實際工程中，混凝土結構所處環境復雜。因此，開展高溫作用后混凝土在動荷載下及高溫與荷載耦合作用下物理及力學性能的研究，具有實用意義及工程價值。

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馬輝（1981-8-06），女，回族，寧夏銀川人，任職于寧夏銀帝物業服務有限公司