高強混凝土高溫后的力學性能研究

邵晉彪,王林浩,高海靜

(1.山西工程職業技術學院,山西 太原 037003；2太原理工大學,山西 太原 037003;3.北京市豐臺區王佐鎮人民政府,北京 100074)

國內外已有很多[1～3]對高強混凝土的研究,對高溫后高強混凝土力學性能的研究主要有文獻[4～6]。試驗采用的加溫溫度范圍一般從100℃至900℃不等,恒溫時間從1小時至6小時不等,升溫曲線使用較多的是ISO834標準升溫曲線。對于上海靜安區、沈陽皇朝酒店等使用高強混凝土材料的工程結構遭受火災較高且恒溫時間較長,現有普通混凝土的研究結果用于這些高強混凝土構筑物會顯得很不合理,從而高強混凝土高溫(尤其是不同受熱溫度與不同恒溫時間的組合)力學性能的研究必將成為國內外學者關注的焦點。

本文對C60高強混凝土經不同高溫歷程(不同受熱溫度與不同恒溫時間的組合)后外觀、抗壓強度、峰值應變等的變化規律進行了研究,為高強混凝土經歷不同高溫歷程后的力學性能研究打下了基礎,更為使用高強混凝土材料的工程結構遭受長時間火災損害后的檢測加固提供了良好的依據。

1 試驗方法

以C60高強混凝土為試驗材料制作標準試塊,用于確定混凝土的靜力抗壓強度,試塊的強度平均值fcT=49.6MPa。

采用300mm×500mm×200mm箱式電阻爐進行高溫受熱試驗。試驗溫度為200℃、300℃、500℃、600℃與800℃,升溫至指定溫度后再分別恒溫0.5小時、1小時、2小時與3小時,采取室溫冷卻方式。對經歷不同高溫歷程后的試塊進行減摩靜載試驗,在試塊表面用三層黃油夾三層塑料薄膜為減摩墊層[7]。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

經不同的受熱溫度與恒溫時間的組合工況的C60高強混凝土試塊冷卻后,可以發現升溫至200℃的試塊外表色澤與高溫前基本無差別。當高溫歷程為300℃恒溫時間為1小時C60高強混凝土試塊整體或者部分外表色澤與常溫試塊的顏色對比非常明顯-呈現鐵銹紅色,直至恒溫3小時鐵銹紅色消失[4、7],混凝土表面有少量可視細微裂縫。C60高強混凝土經500℃、600℃高溫作用后,Fe(OH)3分解為氧化鐵,紅色消失變為淺灰色,可以看到裂縫增加但沒有貫穿整個表面,并伴有少量試塊掉皮、缺角現象；個別試塊在受熱過程中發生爆裂現象,其斷面比較粗糙,孔洞和裂紋也較多。C60高強混凝土試塊經800℃高溫作用后,試塊外表呈灰白色,與常溫試塊的外表色澤對比明顯,試塊表面出現粗大裂縫,有的甚至貫穿整個試塊,且裂紋之間互相貫通,整體結構比較疏松。

C60高強混凝土經不同的受熱溫度與恒溫時間的組合工況后已有可視細微裂縫,如圖1所示,在此基礎上不斷加壓直至峰值荷載,C60高強混凝土試塊發生脆性破壞,在此過程中還伴隨有很強的劈裂聲。其主要原因是：C60高強混凝土水泥膠凝體的強度與普通混凝土相比大不同,其強度值很接近于粗骨料的強度值,使得C60高強混凝土的裂縫發展已無法受到粗骨料的束縛(粗骨料對裂縫的發展有約束與緩沖作用)；隨著C60高強混凝土所受壓力的增加,試塊內部將會積蓄巨大的能量,當達到峰值荷載時將會迅速釋放,以至于試塊的裂縫發展無法估量,最終可以明顯地看到C60高強混凝土試塊被劈裂成多個小柱體,這個結論與文獻[3、8]的試驗結果一致。

圖1 受熱試驗結果

2.2 力學性能

2.2.1 抗壓強度

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 不同高溫歷程后高強混凝土基本力學指標試驗值

圖2 殘余抗壓強度比與受熱溫度和恒溫時間關系

由圖2可知,隨著試塊受熱溫度和恒溫時間的增加,C60高強混凝土試塊的殘余抗壓強度總體呈逐漸減小的趨勢,與高溫歷程呈反比。當受熱溫度不同時,800℃時已降低至12MPa左右,強度僅剩余大約25%,主要原因是C-S-H膠凝分解,高強混凝土結構徹底破壞[9]。當恒溫時間不時,C60高強混凝土的殘余抗壓強度會隨著恒溫時間的增長而減少。相比恒溫時間,受熱溫度的變化對高強混凝土殘余抗壓強度的變化影響更大。

2.2.2 峰值應變

混凝土試塊在單軸壓試驗達到破壞前的最大應變為混凝土的峰值應變。圖3給出了C60高強混凝土峰值應變隨受熱溫度及恒溫時間的變化情況。

由圖3可知,C60高強混凝土的峰值應變的大小與受熱溫度的高低、恒溫時間的長短有關,與高溫歷程呈正比。當C60高強混凝土所受受熱的溫度相同而恒溫時間不同時,C60高強混凝土的峰值應變會隨著恒溫時間的增長而增大,但增長趨勢不明顯。當C60高強混凝土所受的恒溫時間相同而受熱溫度不同時,C60高強混凝土的峰值應變在500℃以前的變化幅度不明顯；當受熱溫度高于500℃時,C60高強混凝土峰值應變的變化趨勢明顯；800℃時C60高強混凝土各恒溫時間下的峰值應變與其在100℃時的幅值相比增長了約2倍。相比恒溫時間,受熱溫度的變化對高強混凝土峰值應變的變化影響更大。

圖3 不同受熱溫度及恒溫時間下峰值應變影響規律

其中,受熱溫度低于500℃時,恒溫時間對峰值應變影響并不明顯；當受熱溫度大于500℃時,C60高強混凝土峰值應變隨恒溫時間的增長而增大,且增幅較大。

現行混凝土結構設計規程中混凝土的峰值應變如式2：

(2)

參考式(2)的形式,對各試驗數據進行回歸分析,建議按下式計算C60高強混凝土經歷不同高溫歷程后的峰值應變：

式中：ε0T為高溫后C60高強混凝土峰值應變,fcT為高溫后C60高強混凝土剩余抗壓強度。

3 結論

(1)C60高強混凝土經不同溫度與恒溫時間后的外表色澤逐漸變淺。 300℃恒溫1小時至恒溫3小時之間混凝土試塊呈鐵銹紅色,800℃試塊表面呈灰白色,且試塊表面裂縫逐漸開裂變粗,直至貫穿整個試塊,整體結構疏松。

C60高強混凝土受高溫歷程作用后已有可視細微裂縫,當不斷受壓達到峰值荷載后發生脆性破壞,并伴隨劇烈的劈裂聲,出現嚴重的爆裂破碎現象,其單軸壓疲勞破壞形態為柱(小柱體)狀壓潰。

(2)C60高強混凝土的力學性能隨高溫歷程的增加而降低。相對恒溫時間的不同,受熱溫度的變化對C60高強混凝土力學性能的影響更大。C60高強混凝土的的殘余強度與高溫歷程呈反比,其峰值應變與高溫歷程呈正比。