高溫后混凝土靜動態力學性能試驗研究

王宇濤，劉殿書，李勝林，馮亞飛

（1.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中核西北建設集團有限公司，西安 710054）

在諸多建筑中混凝土結構使用最廣，其所能承受的耐火時間遠超鋼、木結構，火災發生后混凝土結構倒塌事故并不多；但每次火災均會存在殘留的受火構件及整個建筑物的損傷鑒定問題。目前，國內外對經歷高溫后混凝土結構的使用壽命、可維修性評估大多建立在準靜態性能研究基礎上［1－3］。而混凝土材料在實際使用中會承受靜、動荷載作用，且動荷載作用下混凝土材料變形更嚴重。因此，結合靜、動載條件綜合評判高溫后混凝土的力學性能對合理評估火災后建筑材料、構件及結構的損傷程度［4］，針對不同構件、不同損傷程度提出經濟適用且能滿足結構使用要求的加固方法，具有較大經濟、社會效益。

1 混凝土試件高溫加熱技術及試驗

1.1 混凝土試件高溫加熱技術

試驗采用龍口電爐廠的陶瓷纖維電阻爐見圖1，額定溫度1300℃。試驗溫度控制器溫度設定稍高于指定溫度，見圖2。設定溫度待爐膛內預熱后放入混凝土試件，持續加熱2.5 h，用紅外線測溫槍測量高溫后的試件溫度，測溫范圍－50℃～950℃。高溫后試件自然冷卻。

圖1 實驗用電阻爐Fig.1 Experimental resistance furnace

圖2 溫度控制儀Fig.2 Temperature control device

圖3 混凝土試件Fig.3 Concrete specimens

1.2 試驗方案

1.2.1 混凝土試件制備

為使研究結果更全面系統，用 C30、C50兩種混凝土試件。試件尺寸100 mm×100 mm×300 mm。在中國礦業大學（北京）土木實驗室標準養護室（溫度 20±3℃，濕度 95%以上）標準養護28天后經切割、取芯、打磨制成直徑75 mm，高55 mm標準圓柱體［5］，見圖3。為滿足試件受力的“均勻性”假定，試件兩端精密打磨，不平整度控制在0.02 mm以內。

1.2.2 靜態試驗方案

為精確說明常溫～300℃高溫間混凝土材料靜態加載的變化規律，利用100℃、200℃、400℃3個溫度控制點及500℃、700℃、900℃計8個不同溫度統一經室溫冷卻至20℃（本文所有試驗條件均在冷卻至室溫20℃下進行）。同種強度等級的混凝土試件在相同高溫冷卻后各進行3次試驗（C30、C50混凝土試件各24塊）以增加試驗結果的可重復性，試驗結果取平均值，且重復性較好。

利用壓力試驗機分別測量高溫前后混凝土試件，獲得不同溫度冷卻后混凝土試件的單軸抗壓強度及彈性模量的變化曲線。用RSMSY5測定高溫前后混凝土試件的縱波波速，計算其高溫后損傷［6］，即

式中：v為常溫狀態下混凝土試件的縱波波速；v′為某高溫后混凝土試件縱波波速。

1.2.3 SHPB系統動態力學性能試驗方案

為系統討論高溫后不同強度等級混凝土在相同試驗條件下的溫度效應，利用中國礦業大學（北京）Φ75 mm SHPB鋼桿系統（子彈長L＝400 mm）對C30、C50兩種強度等級的混凝土試件在5組不同溫度后（常溫、300℃、500℃、700℃、900℃）經室溫自然冷卻至20℃進行沖擊壓縮試驗。每種條件4個試件。試驗結果取平均值，結果重復性較好。

2 高溫后混凝土靜態試驗及分析

2.1 高溫前后混凝土靜壓試驗及分析

對高溫前后混凝土試件 C30以 0.3～0.5 MPa／s、C50以0.5～0.8 MPa／s速度進行加載試驗［7］。試件接近破壞開始急劇變形時停止調整試驗機油門直至破壞，記錄破壞荷載F（N）。獲得不同溫度作用的兩種混凝土抗壓強度變化曲線，見圖4。由圖4看出，兩種混凝土高溫后強度變化趨勢一致：常溫～400℃，靜態強度急速降低；400℃后兩參數隨溫度變化趨勢趨于平緩；到達700℃時又急劇下降，直到900℃材料幾乎喪失強度。

圖4 混凝土抗壓強度－溫度曲線Fig.4 Compressive strengthtemperature curve

2.2 高溫后混凝土靜力學參數變化及損傷測定

混凝土試件縱波波速用中國科學院武漢巖土力學研究所的RSM－SY5型聲波儀及配套縱波換能器測量，獲得C30及C50混凝土試件高溫后波形。以C30常溫結果為例，見圖5。

圖5 C30常溫下縱波波速（Vp＝3 438 m／s）Fig.5 Longitudinal wave velocity of C30 at room temperature（Vp＝3 438 m／s）

每種溫度試驗4試件、每試件測量3次求平均值，所求4試件的平均值即為該混凝土試件波速測試值，見表1。

表1 高溫后混凝土參數變化Tab.1 Parameters of concrete after high temperature

由數據所得混凝土試件高溫后參數隨溫度變化曲線見圖6、圖7。按式（1）計算獲得高溫后混凝土損傷量D隨溫度變化曲線見圖8。由圖6、圖7看出，無論C30或C50混凝土，其整體變化基本一致，縱波波速值與彈性模量均隨溫度變化不同程度減小，常溫～400℃兩參數急速降低；400℃后兩參數隨溫度變化趨勢趨于平緩，700℃時又急劇下降，直到900℃材料幾乎喪失強度。由圖8看出，常溫～400℃損傷程度直線上升，400℃后溫度對材料的損失影響趨于平緩，700℃時又急劇上升，直到900℃，材料近乎完全損壞，與圖4結果基本相互印證。

圖6 混凝土縱波波速－溫度曲線Fig.6 Longitudinal wave velocitytemperature curve

圖7 混凝土彈性模量－溫度曲線Fig.7 Elastic modulustemperature curve

圖8 混凝土損傷－溫度曲線Fig.8 Damagetemperature curve

3 高溫后混凝土動力學性能試驗及分析

3.1 高溫后混凝土實測波形曲線及破壞分析

試驗用子彈長度400 mm，以C50混凝土在不同溫度、速度基本相同的波形圖為例，見圖9。試驗結果表明，入射波形狀較穩定，近似矩形，與一維彈性應力波理論較一致［8－9］。反射波、透射波形狀亦較穩定，波形衰減顯著，表現出混凝土材料的脆性，波形形狀與混凝土試件破壞程度密切相關，見圖10。由圖9、圖10看出，速度變化不大、溫度越高試件的破壞程度越嚴重，說明溫度對試件造成的損傷較嚴重。

圖9 C50不同溫度、同速度實測波形Fig.9 The waveform diagram of C50 under different temperature and same speed

圖10 圖9波形對應試件破壞形態Fig.10 The concrete damage diagram to figure 9

3.2 高溫后混凝土動力學性能分析

將SHPB試驗系統所得應變通過“三波”公式處理后［10］獲得高溫后應力應變曲線，見圖11、圖12。由兩圖看出，① 溫度升高混凝土強度降低，峰值應變增加，應力－應變曲線越平緩。在初始上升段后隨應變的增加應力上升增加速率明顯減慢，且出現塑性強化現象，溫度越高此現象越明顯；700℃時后半段塑性流動段已變長。說明混凝土受高溫影響后出現塑性流動現象且溫度越高越明顯。表明混凝土受高溫影響后在壓縮荷載作用下其韌性越好。② C30、C50混凝土試件在4組溫度下的應力應變曲線較相似。應力應變曲線隨溫度的變化規律與高溫冷卻后所測縱波波速、損傷、彈性模量變化規律相對應。

3.3 混凝土動態峰值應力、應變的溫度效應

試驗所得兩種強度混凝土平均應變率、峰值應力隨溫度的變化曲線見圖13、圖14。由兩圖看出，①C30、C50混凝土峰值應力與平均應變率均具有溫度敏感性，峰值應力隨溫度的不斷升高出現不同程度降低，平均應變率則整體呈不斷上升趨勢。300℃以內峰值應力平穩下降，在300℃～500℃區間峰值應力急速下降，500℃后趨于平穩。而300℃以內C30平均應變率有一小下降趨勢，在300℃～500℃區間平均應變率有一急速上升過程，500℃后C50仍急速上升。② 高強度等級混凝土動態峰值應力總體高于低強度等級混凝土破壞強度值，即隨強度等級的增加混凝土動態強度增加。

圖11 C30混凝土高溫后的應力應變曲線Fig.11 C30 stress strain curve after different high temperature

圖12 C50混凝土高溫后應力應變曲線Fig.12 C50 stress strain curve after different high temperature

圖13 平均應變率隨溫度變化曲線Fig.13 The average strain ratetemperature curve

圖14 峰值應力隨溫度變化曲線Fig.14 The peak stresstemperature curve

圖15 高溫后C30及C50混凝土靜、動態破壞強度隨溫度變化曲線Fig.15The static and dynamic failure strength curve of C30 and C50 concrete after high temperature

3.4 高溫后混凝土靜、動態破壞強度比較

C30、C50經不同溫度作用及室溫冷卻后靜、動態破壞強度隨溫度變化曲線見圖15。由圖15看出，①混凝土動、靜態強度均具有溫度敏感性，隨溫度升高有所降低，但總體降低程度有差別，即靜態抗壓強度降低平緩而動態強度溫度敏感性更高。② 無論C30或C50，高溫后其動態抗壓強度均高于靜態抗壓強度。溫度達700℃時無論靜態或動態作用下混凝土均被破壞，失去強度。

4 結 論

通過對兩種混凝土C30、C50經不同溫度作用、室溫冷卻至20℃后分別進行靜、動態力學性能試驗研究，結論如下：

（1）隨溫度升高冷卻后的混凝土靜態強度逐漸下降。由抗壓強度及溫度變化曲線可知，混凝土材料強度隨溫度變化有兩明顯轉折點，即400℃及700℃處。

（2）或C30或C50混凝土的縱波波速值與彈性模量均隨溫度變化不同程度減小，常溫～400℃兩參數急速降低；400℃后則趨于平緩；到700℃時又急劇下降，直到900℃材料近乎失去強度。

（3）經不同高溫冷卻后混凝土動態破壞強度不斷降低，峰值應變不斷增加，應力－應變曲線越平緩，出現塑性流動現象且溫度越高越明顯。

（4）經不同高溫冷卻后混凝土動、靜態強度均具有溫度敏感性，隨溫度升高敏感性有所降低，降低程度有差別。高溫后混凝土動態抗壓強度均高于靜態，直至混凝土經歷高溫失去強度時二者趨同。

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