高溫下混凝土抗拉抗壓力學性能解析

蔣春霞

摘 要：通過實驗分析了混凝土的抗壓和抗拉力學性能在高溫作用下的變化規律，得出高溫作用下混凝土的抗壓強度、抗拉強度的變化機理，為進一步研究高強度和高耐久性能的混凝土提供理論基礎，為改善混凝土結構的高溫力學性能提供參考依據。

關鍵詞：高溫；混凝土；力學性能；強度

基金項目：廣東理工學院工程造價專業教學團隊（JXTD2018002）；廣東理工學院建筑材料精品課程（JPKC2016002）

混凝土是一種由水泥、砂、石子等多種材料組成的非勻質復合材料。各組成材料在相同環境下的熱工性能及力學性能相差懸殊，尤其是在高溫下，都會發生復雜的物理和化學變化而彼此影響，使得混凝土的物理和力學性能較常溫時有很大的差異。本研究對混凝土在高溫作用下的物理化學變化進行分析的基礎上，探討了混凝土經高溫作用后抗壓強度、抗拉強度力學性能的變化規律。現在，隨著城市人口居住的密集化和高層建筑的迅速發展，不可預見的火災事故防不勝防，作為建筑物的主要結構材料，混凝土在火災中耐高溫性能的好壞直接影響人民的生命財產安全，因此，研究混凝土的抗火性能和耐高溫性能十分必要和迫切。

1 高溫下混凝土的力學性能變化

實驗表明，在高溫作用下，混凝土的各組成材料會發生一系列的物理化學變化，人的肉眼能看到的物理變化是表面疏松、開裂、邊角崩落等，肉眼看不見的除了化學變化之外，還有微觀的物理變化，包括組成材料內部水分子之間的各種形態變化（如液態水蒸發、固態水水化等），這些微觀上的變化改變了混凝土的力學性能，是導致其結構受損的根本原因。（1）在高溫作用下，由于混凝土內部各組成材料的導熱系數不一致，會讓結構產生裂紋，并且隨著溫度的升高，這種裂紋不斷擴大，最終導致結構產生貫通破壞。（2）在高溫作用下，混凝土材料內部水分子的蒸發與冷凝。結構孔隙中會有一定量的自由水，其蒸發與冷凝是使混凝土內部發生爆裂的重要原因。一方面，在高溫作用下，孔隙中的水分蒸發需要吸收大量的熱量，才能讓本來是液態的水變成氣態的水蒸氣，物態的變化限制了混凝土內部溫度上升的速度；另一方面，孔隙內不斷增加的水蒸氣，讓孔隙內的壓強不斷增大，這樣也會導致混凝土結構內部發生爆裂。（3）高溫作用下膠結材料的化學變化（如水化和脫水）。實驗表明，混凝土在溫度比較低時會發生水化反應，生產新的性質較穩定的水化物，當溫度不斷升高超過125 ℃時，混凝土將發生脫水反應，一種新的結晶體會不斷形成，一般，當實驗室溫度為600 ℃左右時，混凝土內部的結晶水就已全部反應了。在這種反復水化和脫水的化學變化環境中，熱量也跟著不斷釋放和吸收，這種過程不斷重復，會導致混凝土結構疲勞而破損，使混凝土孔隙率變大、結構變得疏松，進而引起混凝土其他性能的改變，這些都是混凝土高溫損傷的主要形式[1]。

1.1 混凝土高溫抗壓強度變化趨勢

在高溫作用下，混凝土的強度等級、骨料類型等因素都會影響混凝土的抗壓強度。通過實驗數據得出的結論如圖1所示，圖中實線代表高強混凝土在不同溫度時的強度變化規律。從圖1中可以得出，隨著溫度的升高，混凝土的抗壓強度降低[2]。虛線為普通混凝土隨溫度變化而產生的強度變化情況，從圖1中可以看出，隨著溫度的降低，普通混凝土的強度也降低了。但是其強度損失規律明顯不同。高強混凝土先平緩，中間急劇下降后又平緩，而普通混凝土先有少許上升，然后快速下降，再平緩，在400 ℃左右時，普通混凝土和高強混凝土的強度減小，曲線逐漸重合。對高強混凝土力學性能進一步研究，并與普通混凝土進行了比較，發現在0～500 ℃高強混凝土的抗壓強度曲線比普通混凝土的更陡[3]。雖然不同的實驗得出的結果有一定的差異，但總的趨勢沒有變化。對比國外一些同類的實驗也可以得出類似的結論。

1.2 混凝土高溫抗拉強度變化趨勢

實驗表明，混凝土的抗拉強度在高溫下與混凝土的配合比、骨料種類等多種因素有關。根據實驗數據作出了如圖2所示的混凝土抗拉強度在高溫作用后的折減規律圖，與抗壓強度圖對比，混凝土抗拉強度隨溫度變化的規律是總體上呈直線性下降。圖2顯示：混凝土的抗拉強度低，其在高溫作用下的強度變化頻率小，這說明配合比的不同，混凝土適應溫度變化的能力也不同。當然，如果溫度比較高（比如溫度高于500 ℃），鈣質骨料混凝土抗拉強度變化下降值是硅質骨料混凝土的2倍左右。

2 結語

在高溫下，混凝土的其他力學性能比如拉伸性能也會發生改變。只研究了混凝土在高溫下的抗拉和抗壓力學性能的變化規律，在這兩種變化的模型研究中也有很多地方有待改進：（1）由于實驗結果離散性比較大，而且只考慮了對混凝土高溫力學性能的研究主要是基于抗壓強度、抗拉強度這兩種因素的影響，缺乏對組成材料的細觀物理化學變化的分析，沒有從根本上揭示混凝土的高溫損傷機理。在以后的實驗中應該把所有的因素都考慮進去。（2）實驗數據沒有考慮混凝土組成材料中熱、水、力等狀態變量的耦合效應，也沒有把空隙中的水由液態變為氣態過程中發生的相變引起的變化考慮進去，在以后的研究中還應該對這種耦合效應和相變過程的影響進行分析。總之，在高溫作用下，混凝土的抗壓抗拉強度的變化是由很多種因素和復雜的物理化學變化引起的，一定要把所有可能的原因都加以分析，這樣得出的結論才會對現實生產有實際的指導作用。

[參考文獻]

[1] 鹿少磊.三大系列水泥混凝土的高溫性能比較研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[2] 李東華.高溫鋼筋混凝土壓彎構件的試驗研究[D].北京：清華大學，1994.

[3] 張杰英.鋼筋混凝土壓彎構件的試驗研究[D].北京：清華大學，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