廣西地區高溫后混凝土軸壓性能試驗研究★

謝 旺 軍

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

在工程防災減災領域中，火災后混凝土的力學性能研究對于工程加固維修具有重要的意義，因此國內外專家學者研究混凝土的力學性能已經取得了豐富的成果[1-3]，為土木工程建設提供了強有力的理論支撐；陳宗平等[4-6]研究了高溫后再生混凝土的力學性能，根據試驗結果提出了災后評估再生混凝土軸心抗壓強度計算公式。由于不同的區域混凝土組成材料的性能不同，導致高溫后其性能有所變化，為了研究廣西南寧地區高溫后混凝土的軸壓性能，本次研究共設計與制作45個混凝土試件，順利完成試驗得出結論，為災后評估、加固、維修提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗混凝土采用海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥、邕江的天然河砂、南寧產的5 mm～25 mm的級配碎石、南寧市自來水等材料配制、拌和而成。

1.2 試件設計與制作

試件設計考慮了不同溫度、強度對高溫后混凝土軸壓性能的影響，共設計15組45個混凝土試件。其試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，統一在同一條件下進行澆筑、養護、試驗，試件澆筑完成后在標準條件下養護28 d后，根據試驗方案對試件進行升溫試驗(溫度T分別為200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃)。

1.3 升溫裝置

為了更加真實的反映工程實際，對試件進行四面受火燃燒，采用RX3-45-9箱式工業電阻爐完成本次升溫，電阻爐極限溫度為950 ℃，是自動控制升溫設備，工業電阻爐如圖1所示。

試件按照不同溫度依次放置于電阻爐內進行升溫，至目標溫度再恒溫60 min后，進行自然冷卻。溫度上升曲線變化如圖2所示。

1.4 加載方案

試件升溫、自然冷卻至常溫后，采用千噸液壓試驗機進行加載試驗，試驗速率為0.5 mm/min，試驗設備自動獲取荷載曲線。

2 試驗結果及分析

2.1 升溫后形態

升溫前后，試件的內部結構與外觀發生了不同程度的變化，主要表現為顏色、表觀裂縫、脫落、內部裂縫等變化。當T≤200 ℃時，試件的表觀變化不大，由常溫的青色逐漸變淡；當200 ℃≤T≤600 ℃時，試件顏色由淺黃色變為黑黃色，表面裂縫較多、較明顯；當T≥600 ℃時，試件表面成灰白色，完全沒有混凝土之前的顏色，表面形成大量的裂縫且貫穿至內部、疏松或脫皮現象較為嚴重。

2.2 質量燒失率

在升溫試驗的過程中，混凝土試件內部的水分不斷消失、內部結構發生變化、密實度降低，以致造成混凝土試件的力學性能發生較大的改變，這種改變是由于高溫造成內部水分消失而引起的，因此本次試驗中引用混凝土試件在升溫前后的質量差的百分比來表達其性能的變化程度，即試件質量燒失率(I/%)，計算公式如式(1)所示，燒失量曲線如圖3所示。

(1)

其中，M為試件升溫前的質量；Mf為試件升溫后的質量。

通過圖3分析可得，隨著溫度的不斷升高，試件的燒失率也逐漸增大。當溫度小于200 ℃時，試件燒失率小于0.4%，隨著混凝土強度的增加，燒失率逐漸減小；當200 ℃≤T≤400 ℃時，試件的燒失率變化最大，此階段試件內部大量的水分在高溫的作用下逐漸消失；當T≥400 ℃時，試件的燒失率趨于平緩，試件內部少量的水分逐漸消失。

從本曲線圖分析，曲線呈現混凝土強度等級越高而試件燒失率越小的變化趨勢。混凝土的強度等級與水灰比有著重要關系，水灰比的大小直接影響了混凝土的密實情況，等級越高水灰比越小、內部越密實、孔隙比越小，因此高溫后其試件的燒失率較小。

2.3 破壞形態

對升溫后的試件進行抗壓強度試驗發現，溫度越高試件開裂的越早且表面的裂縫越多，最后試件被破壞的越嚴重；通過對破壞界面的細致觀察發現，溫度越高混凝土的組成材料不再是青色而是逐漸轉灰白色，混凝土的破壞不是骨料的開裂，而是骨料與砂漿界面黏結的失效導致了試件破壞，甚至有些溫度為800 ℃的試件破壞后看起來像土那樣松散。試件破壞形態如圖4所示。

2.4 試件承載力分析

高溫后，混凝土試件的抗壓強度的評定參照GB/T 50107—2010混凝土強度檢驗評定標準的相關規定進行數據處理[7]。混凝土試件在不同溫度下的抗壓強度值如表1所示。

表1 不同溫度下抗壓強度試驗值

為了研究問題的方便，繪制了溫度對試件抗壓強度影響曲線如圖5所示，其中，fcu.20表示常溫下混凝土試件抗壓強度。

由圖5可知：以常溫下(20 ℃)試件的平均抗壓強度為標準，隨著歷經溫度的升高，20 ℃～600 ℃之間，混凝土抗壓強度的降幅最小；T≥600 ℃時，混凝土抗壓強度的下降速率較大。

混凝土的內部結構隨著外界溫度的變化發生了改變；一般情況下混凝土結構是較為密實且有水填充在空隙中，隨著外界溫度的升高，結合水開始蒸發；當溫度為400 ℃～600 ℃時結合水大量消失而發生脫水反應，混凝土內部可燃物在高溫情況下燃燒，促使密實度降低，導致混凝土強度下降；T≥800 ℃時，混凝土內部水分完全消失，可燃物進一步高溫燒失，骨料膨脹且相互之間疏松、失去黏結力，混凝土抗壓強度加劇下降。

3 高溫后混凝土抗壓強度

通過對試驗數據的分析，結合課題組前期的研究成果[6]，對于高溫后混凝土的強度退化分為兩段，在T≤600 ℃時退化程度較慢，曲線較平緩；當溫度超過T≥600 ℃時強度降低的速率更快，曲線較前一階段更陡。因此不同溫度對混凝土試件抗壓強度的影響可以采用分段計算的方法，采用試驗數據進行分段擬合出計算公式，計算公式如式(2)所示：

(2)

其中，fcu(T)為歷經溫度T時試件抗壓強度；fcu.20為常溫試件抗壓強度；T為歷經不同溫度。此公式適用于20 ℃≤T≤800 ℃且升至目標溫度后恒溫時長60 min的情況下C30～C50的混凝土試件，采用自然冷卻的南寧地區混凝土抗壓強度估算，計算值如表2所示。

通過計算抗壓強度試驗值與方程式計算值的比值μ，其平均值μ=0.998，方差D=0.003 15，變異系數Cv=0.014 51，通過式(2)的計算值與試驗值吻合良好，因此式(2)可作為火災后南寧地區混凝土的剩余強度評估、加固維修、設計等參考依據。

表2 抗壓強度計算值

4 結語

1)隨著溫度的升高，試件表觀顏色由青色逐漸變灰白，表面有微裂縫、掉塊現象；

2)溫度為200 ℃～400 ℃時，試件燒失率最大，曲線最陡；混凝土強度越高燒失率越小；

3)試件破壞的主要原因是骨料界面的黏結失效，骨料沒有出現破裂等現象；

4)試件抗壓強度的臨界溫度為600 ℃，當T≤600 ℃時，抗壓強度降低較為緩慢，T>600 ℃時，其強度降低幅度較大；

5)通過對試驗數據的分析與處理，進一步擬合了升溫至目標溫度后混凝土試件抗壓強度計算公式，經與試驗值對比分析，吻合較好，為今后的工程應用提供參考。