受火溫度和冷卻方式對混凝土抗壓強度影響*

翟 越，艾曉芹，鄧子辰，何 薇

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054； 2. 西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西 西安 710061；3. 華路工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

受火溫度和冷卻方式對混凝土抗壓強度影響*

翟 越1,2?，艾曉芹1，鄧子辰2，何 薇3

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054； 2. 西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西 西安 710061；3. 華路工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

摘 要：火災后混凝土結構的力學性能大幅降低，特別是在消防射水撲救后其性能惡化更為顯著.對添加了礦粉和粉煤灰的強度等級為C35的商品混凝土試件加熱(300 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃)后，分別進行自然冷卻和水冷卻處理，觀測分析其理化特性的變化規律.在常溫自然環境下將試件靜置2周以上，然后對試件分別進行單軸抗壓試驗和彈性模量試驗.研究表明冷卻方式和加熱溫度對混凝土材料的抗壓強度、彈性模量、壓縮破壞模式等力學性能影響顯著.在總結試驗規律的基礎上，構建考慮溫度及冷卻方式影響的非線性彈性本構方程，采用微分演化算法辨識出本構方程中的特征參數，所得計算曲線與試驗曲線的一致性很好，驗證了本構方程的適用性.

關鍵詞：混凝土；高溫后；冷卻方式；溫度-冷卻損傷；本構方程

火災發生時，在持續高溫作用下，混凝土材料中的一些難燃材料將熱分解成無粘結力的石灰和二氧化碳等，使得混凝土構件力學性能迅速劣化.當采用消防射水撲救時，在冷水作用下高溫受火混凝土材料的力學性能劣化更為顯著，致使混凝土結構承載力迅速喪失，嚴重威脅了人員疏散，以及消防救援人員的安全，而且關系著火災后建筑安全評價及加固工作[1-2].因此，研究高溫下混凝土材料在水冷卻后的殘余力學性能十分必要，有眾多學者進行了研究[3-8].目前這方面的研究主要是針對混凝土高溫時的強度衰減，但忽視了冷卻方式和溫度耦合作用對混凝土材料造成的損傷，特別是這方面的本構模型研究相對滯后，而高溫混凝土材料的本構模型研究是其熱力耦合作用下力學性能研究的核心問題[9-11].

本文針對標號為C35的摻入粉煤灰和礦粉的商品混凝土制作的圓柱形試件，在高溫加熱并經自然冷卻和水冷卻后，分別進行單軸抗壓試驗和彈性模量試驗，研究混凝土材料在高溫和水冷卻同時作用后的殘余強度、破壞模式、彈性模量等力學特性.在總結試驗規律的基礎上，構建了考慮溫度損傷和水冷卻作用的本構方程，并應用微分演化算法確定出方程中的待定參數，對比計算曲線和試驗曲線，驗證了本構方程的可靠性和適用性.

1 混凝土高溫水冷卻試驗

1.1 試件制備與加熱設備

試件采用當地商品混凝土攪拌站所提供的強度標號為C35的混凝土.其中，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料為5～20 mm的卵石，細骨料為中砂，其含泥量約為10%，填加物為粉煤灰和礦粉(質量分數6.2%)，為了起到減水、緩凝和保坍等作用還加入了工業萘、聚羧酸等外加劑，具體配合比詳見表1.經檢驗礦粉主要化學組分為CaO，SiO2，Al2O3和Fe2O3等，其密度為2.9 g/cm3，比表面積為421 m2/kg，流動度比為100 %，含水量0 %，三氧化硫2.2 %，燒失量0.6 %；粉煤灰的主要氧化物組成為SiO2，Al2O3，FeO，Fe2O3和CaO，TiO2等，經檢驗其細度10.8 %，需水量比98 %，燒失量2.9 %，含水量0 %，三氧化硫2.2 %，符合國家二級粉煤灰要求.摻入粉煤灰和礦粉可以減少水泥用量、改善混凝土的工作性能、降低水化熱、增進后期強度、改善混凝土的內部結構，提高抗滲和抗腐蝕能力[12].

將配置好的混凝土裝入直徑為100 mm，高度為200 mm的圓柱形模具，振搗成型后在標準養護室保持溫度20 ℃、濕度95%，養護28 d.試驗前對試件進行篩選，剔除差別較大、缺陷較多的個別試件，然后對剩下試件逐一編號.

表1 混凝土試件備料表

試驗采用的加溫設備為SX2-10-13型箱式電阻爐，該爐以硅碳棒為加熱元件，保溫材料采用高性能纖維材料.溫度控制采用AI-518智能程序溫度控制器，控溫精度為1 ℃.爐內最高溫度可達1 300 ℃.

冷卻水池長為600 mm，寬為300 mm，高為400 mm，每次放入試件前水面高度均為300 mm，以保證每次冷卻用水量一致；冷卻水溫度為20 ℃.

1.2 加熱及冷卻試驗

如果加熱溫度高于900 ℃，混凝土材料殘余強度很小[13-14]，力學研究價值不高，而低于300 ℃，則溫度影響較小，因此選取加熱試驗的4個目標溫度分別為300 ℃，400℃，600 ℃和800 ℃.每次將4個試件放入加熱爐，開爐后先調節功率使電壓為75 V預熱10 min，而后升至100 V電壓加熱至目標溫度，再恒溫120 min，以保證試件內部溫度均勻.用耐1 000 ℃高溫的陶瓷纖維隔熱手套將2個試件及時取出，立即置于常溫水池中冷卻，測量水溫變化，當水溫基本恒定后取出.另2個試件留在加熱爐內靜置到常溫再取出.為保證每種溫度和冷卻方式下至少有3個試件進行試驗，依此加熱和冷處理方式，共處理50個試件，并經過再次篩選.最后，將所有試件在自然通風的試驗室中靜置2周以上備用.

1.3 高溫水冷卻試驗分析

剛從加溫爐中取出的試件放入冷水中時，有明顯的“滋滋”聲，并且加熱溫度越高，入水聲音越大，持續時間越長.300 ℃處理過的試件入水前后試件表面沒有變化，冷卻池中的水保持清澈，水溫在放入試件8 min左右達到恒定，平均升高15 ℃；400 ℃處理過的試件入水后表面沒有明顯變化，冷卻池中的水保持清澈，水溫在放入試件9 min左右時達到恒定，平均升高19 ℃；600 ℃處理過的試件入水后有少量剝落現象，冷卻池中的水略顯混濁，水溫在放入試件10 min左右時達到恒定，平均升高27 ℃；800 ℃處理過的試件入水后剝落嚴重，短時間內水變混濁，水溫在放入試件15 min左右時達到恒定，平均升高35 ℃.不同溫度加熱后經水冷卻的混凝土試件如圖1所示.

圖1 高溫經水冷卻后的混凝土試件

從圖1中可以看出，當受熱溫度在300 ℃和400 ℃時，試件表面無明顯裂紋；600 ℃混凝土試件表面出現明顯裂紋；800 ℃處理后試件表面且多處掉皮，邊緣脫落.與同溫度自然冷卻試件相比，水冷卻試件的裂紋和脫落現象更明顯，詳見表2.

表2 高溫經水冷后混凝土試件的外觀

通過對比加熱及冷卻前后試件質量可知，自然冷卻試件在高溫處理后，質量均減少，且隨著加熱溫度升高，質量損失越嚴重.300 ℃試件損失質量的3.3 %；400 ℃試件損失質量的3.6 %；600 ℃試件損失質量的4%；800 ℃試件損失質量的11%.而經水冷卻處理后并自然通風晾干后，300 ℃試件的質量卻略有升高，400 ℃，600 ℃和800 ℃試件質量減小幅度明顯小于自然冷卻試件，分別為1.1%，2.4%和7%.這是因為，當溫度在20～200 ℃之間時，試件中所含的自由水蒸發，失重較快；在200～500 ℃之間時，水泥砂漿中化學結合水脫出，失重緩慢增加；溫度超過500 ℃時，水泥水化生成的氫氧化鈣成分分解脫水；超過600 ℃后，骨料中白云石、方解石的碳酸鎂、碳酸鈣等開始分解，骨料不再穩定，混凝土失重可達l0%以上.更高溫度下混凝土表層破損、崩裂，失重更大.當采用水冷卻時，除水分重新填充混凝土空隙外，水與高溫處理后的試件發生化合反應，產生的物質如Ca(OH)2等，彌補了部分高溫加熱時的質量損失.但是由于混凝土自身的密閉性，這種水化反應只能產生于試件外表面向內10～15 mm的范圍，如圖2所示．發生高溫水化反應的混凝土為灰白色，而未發生高溫水化反應為青灰色.

圖2 高溫水化反應影響深度

2 高溫后不同冷卻方式下混凝土抗壓力學試驗研究

2.1 抗壓力學試驗

采用YA-2000kN型全自動液壓壓力試驗機，對加熱后自然冷卻和水冷卻的試件(每組3個)分別進行單軸抗壓試驗和彈性模量試驗.抗壓試驗試件破壞如圖3所示.

圖3 水冷卻方式下各溫度試件抗壓試驗

試驗中，加熱溫度越高的試件，出現裂縫時間越早，開裂所需的壓力越小，而且裂縫在很短的時間內迅速擴大，說明材料脆性增加，破壞由壓縮劈裂破壞向壓縮酥裂破壞轉變.其中，300 ℃和400 ℃的試件裂紋大多為豎直擴展，脫落塊體形態為條狀；600 ℃的試件可以觀察到明顯的兩邊小中間大的斜向裂紋；800 ℃的試件破壞時中部橫向鼓脹明顯，試件中部破壞，剝落嚴重.觀察破裂面，600 ℃以內主要是水泥膠體劈裂破壞，而800 ℃的試件斷面有明顯的骨料斷裂現象.與自然冷卻方式比較，水冷卻的受壓混凝土試件的酥裂破壞現象更為顯著.研究結論中關于水冷卻內部損傷梯度對混凝土力學性能影響本文尚未考慮，有待繼續研究.

2.2 抗壓應力-應變曲線

取每組3個試件所得試驗數據的平均值繪制應力-應變曲線圖如圖4所示.由圖可見，隨著溫度的升高，兩種冷卻方式下混凝土試件的殘余抗壓強度下降，而其峰值應力對應的應變有所增加.

應變

通過比較可看出，加熱溫度為300 ℃時，與自然冷卻試件相比，水冷卻試件的抗壓力有較大升高；而400 ℃，600 ℃和800 ℃下，水冷卻的混凝土抗壓強度比自然冷卻的抗壓強度所降低，見圖5，具體數據對比詳見表3.

T/℃

表3 各溫度下混凝土抗壓試驗結果

分析其原因，當300 ℃加熱時，混凝土中CH的含量減少，CaCO3含量增加，水冷卻將生成一些水化硅酸鈣，同時部分自由水重新填充了混凝土空隙，并且適當的高溫和水促進了混凝土內部未水化的水泥熟料進一步水化反應，從而使混凝土的抗壓強度略有回升.當300～400 ℃加熱時，急速冷卻過程中內外溫度差造成的損傷超過了水對強度的提高作用，開始形成半晶體、裂縫、空洞等，因此水冷卻試件強度在加熱約350 ℃后開始低于自然冷卻時的強度；當溫度在600 ℃以上時，結晶水完全喪失，Ca(OH)2已不存在，方解石(CaCO3)開始有少量分解成CaO和CO2，水泥中未水化的顆粒和骨料中的石英成分晶體化，伴隨著巨大的膨脹，將產生一系列的溫度損傷.

當高溫試件遇水驟然冷卻時，內外溫度的極不均勻導致混凝土內部結構損傷及裂縫充分發展，甚至在骨料內部形成裂縫，同時水泥膠體和骨料高溫分解生成的CaO與水再次生成Ca(OH)2，使得內部顆粒體積膨脹，造成更多的裂縫，混凝土強度急劇下降，這些可以看作是冷卻損傷.

2.3 彈性模量

在測量混凝土彈性模量時，為了盡可能地消除端頭效應和墊板剛度的影響，測量段為距試件上下兩端各50 mm的中間部分.在測量段兩側各架設1個千分表，試驗機以0.24 kN/s的速度加載，每隔5 kN對千分表讀數.試驗所得水冷卻和自然冷卻試件的彈性模量測試結果見表4.

表4 自然冷卻和水冷卻試件彈性模量數值

由表4中的數據，可以看出，隨著加熱溫度的升高，彈性模量值減小，而且水冷卻試件的彈性模量小于自然冷卻試件的彈性模量，說明混凝土的彈性模量與加熱溫度和冷卻方式是緊密相關的.

3 構建考慮溫度損傷和冷卻方式影響的本構方程

3.1 構建溫度-冷卻損傷演化方程

高溫和冷卻造成的混凝土材料力學性能的衰減，實際上是在初始損傷的基礎上，由于加熱溫度和冷卻作用使得材料細觀成分和結構變化所造成的二次損傷，即溫度-冷卻損傷.這種損傷影響程度與混凝土材料的種類、微觀結構等因素有關[15].從眾多研究成果中，可知混凝土高溫后的溫度損傷有一閾值Tt0在200～300 ℃之間[14]，當超過該值后損傷程度加劇.本文加熱溫度300 ℃的試件壓縮強度下降30%左右，因此考慮高溫后的閾值Tt0在200 ℃左右.對于混凝土高溫水冷卻后殘余強度也有一個閾值，由本次試驗可知，加熱溫度300 ℃的試件水冷卻后強度較自然冷卻有所升高，而在400 ℃時水冷卻損傷開始加劇，由圖5可知，約在350 ℃時，兩種冷卻方式的殘余強度相同，因此該混凝土高溫水冷卻損傷的閾值Tc0設定在350 ℃左右.基于這些影響因素，根據試驗所得強度隨加熱溫度升高而降低的幅度，構建三段式溫度-冷卻損傷方程如式(1)所示.

Dtc=1，0≤T≤Tt0；

(1(a))

(1(b))

(1(c))

式中：n和β分別為溫度損傷效應系數和冷卻方式影響系數，它們與材料的成分、內部孔隙率、骨料種類、水灰比等因素有關.當自然冷卻或加熱溫度低于閾值時β為1，否則水冷卻時β值取0.6～1.0之間；Tmax為混凝土材料耐溫極限，即在該溫度下材料的殘余強度為零，該值與混凝土種類等因素有關，依據其他研究成果，本文取為1 000 ℃.

3.2 構建考慮溫度-冷卻損傷的非線彈性本構方程

由試驗所得高溫后混凝土的應力-應變曲線呈現出明顯的非線性，如果用線彈性本構模型來描述顯然不太適合.國內外學者提出多種的非線性本構方程，其中，Saenz建立的本構模型，在鋼筋混凝土數值分析中應用廣泛[16].在該非線彈性本構方程基礎上考慮溫度-冷卻損傷演化作用，得到的本構方程如式(2)所示：

(2)

式中：εtf為加熱溫度T作用后混凝土峰值應力所對應的應變，可由試驗測得；ET0為加溫度T作用后的初始彈性模量，可取表2所列的試驗值，單位kN/mm2；α和γ為本構方程中的特征參數.

3.3 參數反演及方程驗證

(3)

式中：σ(x)為利用試驗測得的應變εi代入目標函數所得的計算應力值，MPa；σi為試驗測得的應力值,MPa；num為待求參數個數；N為試驗數據個數.本文采用的優化算法為微分演化算法(DE).該方法通過每一代個體進行變異、交叉和選擇實現種群的更新進化.經過優化反演分析所得參數見表5.

表5 本構模型特征參數反演分析結果

由表中數據可以發現不同加熱溫度的本構模型特征參數差異較大，這是由于溫度和水冷卻的耦合作用，以及材料的礦物成分及微結構等因素對于材料力學特性的影響造成的.所得冷卻方式影響系數β都隨溫度升高而減小，說明溫度-冷卻損傷效應隨之增加.

將所確定出來的待定參數代入方程，得到理論再生曲線與試驗曲線，如圖6所示.可以發現計算結果與試驗結果有很好的一致性，這與表5中均方差值非常小一樣，都驗證了所構建的本構方程及確定的待定參數對高溫和水冷卻處理的混凝土材料殘余抗壓強度研究的適用性和可靠性.

應變

應變

應變

應變

4 結 論

1)300 ℃作用后水冷卻混凝土抗壓強度相對自然冷卻變化較小，甚至有所提高，而400 ℃,600 ℃和800 ℃的強度急劇下降，而且脆性破壞更為明顯，殘余抗壓力隨著溫度升高而衰減程度大于自然冷卻時的殘余抗壓力.

2)隨著試驗溫度的升高，彈性模量減小，而且相同溫度下水冷卻試件彈性模量小于自然冷卻的彈性模量.

3)在試驗研究基礎上，構建了考慮不同冷卻方式下的溫度-冷卻損傷本構方程，利用反演分析法確定出特征參數，通過與試驗曲線對比分析，得到了可靠性驗證.

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Chines)

Influences of Cooling Mode and High Temperature on Concrete Compressive Strength

ZHAI Yue1,2?, AI Xiao-qin1, DENG Zi-chen2, HE Wei3

(1. School of Geology Engineering and Geomatics, Changan Univ, Xi’an，Shaanxi 710054, China; 2.School of Mechanics and Civil & Architecture, Northwestern Polytechnical Univ, Xi’an,Shaanxi 710061 China; 3. Hualu Engineering Technology Co.,LTD, Xi’an,Shaanxi 710065, China)

Abstract:The physical and chemical properties of concrete specimens (C35) were carefully observed under high temperature (300 ℃, 400 ℃, 600 ℃, 800 ℃)and then put into cool water. After that, the concrete specimens were used for uniaxial compression test. Finally, the failure modes, strength, elastic modulus and other mechanical properties of concrete specimens were obtained. Based on the test results, the temperature and water cooling damage constitutive model of concrete materials were constructed. The four unknown parameters of the constitutive model were recognized with the differential evolution algorithm. The theoretical arithmetic stress-strain curve and experiment curve are greatly consistent. So the study result illustrates the damage constitutive model is well applicable for concrete under high temperature.

Key words:concrete; high temperature; cooling; temperature damage; constitutive model

文章編號：1674-2974(2014)11-0074-07

中圖分類號：TU375

A

*收稿日期：2014-06-16

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41272286； 41172257)；陜西省自然科學基金資助項目(2009JQ5003)

作者簡介：翟 越(1975-)，男，陜西西安人，長安大學副教授，碩士生導師，博士

，E-mail:zy@chd.edu.cn