高溫對建筑混凝土材料抗震抗壓的作用及原理

蘇迎社，楊媛媛

（1.長安大學 工程設計研究院，西安710064；2.長安大學 建筑學院，西安710061）

在普通情況下，混凝土的抗壓強度和抗震性能良好，并且價格便宜，所以除了在土木工程中，在機械行業、造船業等各個行業已被廣泛運用。近些年，國內外學者對高溫下的混凝土材料性能變 化 做 了 大 量 研 究［1－2］。吳 波 等［3］對 混 凝 土 結 構進行了軸向約束，研究了火災后剩余的軸向壓強，在此基礎上，他們還對混凝土結構進行了復加載實驗，對高溫后混凝土的剛度、強度和滯回性能等進行了研究，在實驗中，混凝土的結構都出現了彎曲型的破壞。張家廣等［4］對混凝土結構在擁有初始載荷的條件下進行了升溫、降溫、冷卻等一系列作用之后的力學性能進行了實驗。已經有研究表明［4，6－7］，高 溫 會 對 混 凝 土 材 料 的 性 能 產 生 較 大 的不利影響。在許多火災案例中，人們發現混凝土材料的框架結構在火被撲滅后的數天，在相對比較潮濕的環境下放置幾天不會坍塌，反而在人們之后進入房屋找尋東西時倒塌，造成極大的人員傷亡。然而，在多數的有一定高度的建筑物中，混凝土材料的墻同時兼具了抗震墻和防火墻兩個功能。因此，對高溫之后混凝土材料的抗震、抗壓作用及原理進行分析和研究，不但在理論上有很高的價值，在工程也有很重要的意義。

本文將通過兩個試驗分別研究高溫對混凝土材料抗震、抗壓性能的影響，并由這兩個試驗的結果對高溫作用后混凝土材料的抗震抗壓原理進行分析和研究。

1 高溫下混凝土結構的抗壓強度

1.1 原材料

混凝土硅質骨料采用的是琉璃河生產的425號硅酸鹽水泥；粗骨料采用卵石，粒徑的大致范圍為5～20 mm；細骨料采用中級細骨料砂。它們的配比是水泥∶水∶卵石∶中砂＝1∶0.42∶2.86∶1.52。

制作80個120mm×120mm×320mm 的硅質骨料混凝土棱柱體試件，5 個150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件和5 個100 mm×100mm×100mm 的立方體試件。常溫下，立方體的抗壓強度為55 MPa，棱柱體的抗壓強度為45 MPa。

將試驗的溫度分別設置為150、350、550、750℃。為了使得各個試件的內部溫度跟外部溫度相同，將每個試件的受高溫的時間設置為5h。待到高溫之后，將各試件一部分放置在自然環境中，剩下的一部分則放置在標準的養護室內靜置，將靜置時間分別設置為0、2、4、6h。分別對試件進行自然冷卻。

1.2 加熱裝置

本次試驗采用RX3－65－12 高溫箱式電阻爐對混凝土材料的試件進行加熱，額定電壓為380 V，額定功率為65kW，額定溫度為1200 ℃，爐膛尺寸（長×寬×高）為1200 mm×600 mm×400 mm。

采用EWY－103型園圖電子電位差計記錄電勢和溫度。為了調節溫度，本文在爐膛內增加電接點裝置，并且放置熱電偶測試爐內的溫度。

1.3 試驗過程

將制作好的試件放進養護室內養護15h，之后在常溫下放置風干，時間為5 天后進行加熱。首先，將試件放入高溫電阻爐內加熱到試驗方法中設置好的溫度，保持溫度5h，然后分別用自然冷卻和噴水冷卻兩種方法給試件降溫，這樣剛好模擬了現實生活中發生火災，火災被撲滅的兩個過程。其次，將用噴水方式冷卻的試件分別放在自然條件和潮濕條件（標準養護室）中靜置到預先設計好的時間。最后，將試件放在液壓式壓力機上進行抗壓強度的測試。

1.4 試驗結果

在本次試驗中，混凝土試件的破壞形態基本為縱向破壞，150 ℃時混凝土試件的破壞程度與普通情況下的破壞程度基本相同，并且在載荷不斷增大的情況下，試件沒有出現裂縫，但是當超過試件的最大應力之后，試件中的斜裂縫在很短的時間內出現，承載力也隨之降低，伴隨著輕微的響聲，出現脆性破壞。混凝土試件在350～550 ℃時，仍然是縱向劈裂破壞，細微的裂縫在載荷不斷增大的時候出現，并且一直持續加大，在超過材料的最大應力之后，開始出現貫通的斜裂縫，承載力降低，試件遭到毀壞。試件在750℃時，最開始加載就能聽到響聲，載荷不斷增大時，裂縫逐漸增多，當超過材料的最大應力之后，迅速地在試件的內部形成貫通的斜裂縫，承載力減小，此時試件中有明顯的斜裂縫面。

2 高溫下混凝土結構的抗震性能

2.1 原材料

試驗用混凝土和鋼筋制成短柱試件，截面尺寸為220mm×220mm，共8根。箍筋的體積配箍率為0.835%，箍筋的彎鉤平直段的長度為85 mm。試件Z1為對比試件，不受火，其他試件均是受火后的試件。試件的參數如表1所示。其中：t為受火時間；fcu為混凝土材料制成的立方體的抗壓強度；N 為試件受到的軸向壓力；λ 為剪跨比；混凝土材料試件的軸心抗壓強度fc＝0.88×0.76fcu；Vm為受剪承載力；軸壓比用n表示，n＝N／（fcA），其中A 為混凝土材料試件的柱截面面積；Ea為累計的滯回耗能。

表1 試件的基本參數Table 1 Basic parameters of the test piece

在試件的柱頂增加2層鋼筋的網片，它們之間的間距為45mm。要預先留好孔道，以方便試驗中吊裝使用以及之后在模擬靜力試驗時在其中插螺栓桿。

2.2 材料性能

混凝土的強度采用C35，每立方米混凝土采用的材料及其用量分別為中砂680kg、卵石1130 kg，水210kg。試件的配合比為R42.5∶水∶磨細礦渣∶石子（5～30mm）∶砂子∶FDN 減水劑＝314∶210∶314∶680∶1130∶5.5。其中，水和水泥磨細礦渣的質量比及水膠比均為0.33。

2.3 試驗方案

2.3.1 高溫試驗

高溫試驗在結構抗火實驗室進行，將7個試件分三批分別放進耐火試驗爐，第一批是受火時間為100min的試件Z3、Z7、Z8，第二批是受火時間為50min的試件Z2、Z5、Z6，第三批是受火試件為150min的試件Z4。升溫時采用煤氣，爐內的升溫方式模擬標準ISO－834的升溫曲線。在到達預定好的溫度后，將火熄滅，并自然冷卻至室溫。圖1為火燒試驗示意圖。

2.3.2 高溫后的加載試驗

試驗中的加載裝置采用油壓千斤頂，向柱頂施加縱向載荷。加載采用位移控制，在這個階段中，每次加載反復循環3 次時，控制位移角為1／90、1／70、1／45、1／30、1／20；每次加載反復循環1次時，控制位移角分別為1／550、1／450、1／350、1／250、1／150、1／100rad。

圖1 火燒試驗示意圖Fig.1 Fire test

采用下面的標準判斷試驗是否終結：①在某一個位移角下的第一次循環加載中，混凝土試件進入下降階段后載荷下降為峰值的88%以下，可以由此判斷，試件已經被嚴重破壞。②在同一個位移角的不同加載的載荷循環中，如果在其中的某一個載荷循環下，混凝土試件的峰值載荷下降為第一次循環峰值載荷的88%以下，就認為試件在反復的加載之后性能已經不太穩定，這個時候應該在完成該位移角的加載后停止試驗。

2.3.3 測點布置

將熱電偶均勻布置在距離試件底部截面200 mm 處，如圖2所示，所有試件的熱電偶均采用K型鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（WRN－630 型），長度為3 m，直徑為3.2mm。

圖2 熱電偶布置位置Fig.2 Thermocouple arrangement position

在模擬靜力加載的試驗過程中，采用位移計來確定柱頂之外的位移和柱底位移。采用MTS系統來自動獲取柱頂處加載力方向的水平位移。

對于沒有受火的混凝土試件Z1和其他的受火混凝土試件Z2～Z8，應變片貼在縱筋和箍筋的位置，如圖3所示。應變片采用金屬箔式應變片，箍筋和縱筋分別采用2.5mm×3mm 和4.5 mm×5mm 大小的應變片。在高溫試驗結束之后，再在混凝土試件的兩側縱筋的中部開槽（非常小，不會對試件造成明顯的損傷），在槽內貼上應變片，最后用水泥修復。

圖3 應變片的粘貼位置Fig.3 Strain gauge attaching position

2.4 試驗結果

2.4.1 試驗現象和裂縫

各試件的受火溫度和試件內應變片測到的實際溫度T隨時間t的變化曲線見圖4，圖中給出了標準ISO 升溫曲線進行對比。為了將不同的混凝土材料試件在同一個爐內測得的實際溫度進行對比，將它們都置于同一個圖中。從圖4可以看出：①不同的混凝土試件在同一個爐腔內測得的實際溫度變化基本沒有什么大的差別，由此可以看出每個爐腔內的溫度較為均勻；②在將火熄滅后的降溫過程中，混凝土材料試件中心區域的溫度持續升高，但是混凝土材料試件接近表面的溫度逐漸降低，這是由于在降溫的時候，熱量不斷由溫度較高的外部傳遞到溫度比較低的內部中心區域。

圖4 溫度隨時間變化圖Fig.4 Temperature versus time

混凝土試件開裂的過程是：在靜力加載的開始階段，試件還處于彈性階段，此階段中并沒有裂縫出現，不斷增加靜力載荷，受火的試件先在背火面一側出現剪切力裂縫，隨后各個面不斷出現剪切裂縫；繼續增加靜力載荷，可以觀察到比較多的剪切裂縫，并且裂縫變長。圖5為各個試件的裂縫圖。在試驗過程中，當位移角超過1／50rad時，試件接近破壞，并呈現出明顯的X 裂縫。

2.4.2 剛度、延展性和承載力

試驗中得到的骨架曲線如圖6所示。從試件的骨架曲線中可以看出：①受火時間不同，試件的軸壓比相同的情況下試件的峰值載荷所引起的變形基本上沒有區別；②逐漸增大軸壓比，混凝土材料試件峰值載荷所引起的變形逐漸變小；③在軸壓比和受火時間不斷增加的情況下，混凝土試件在極限值時的最大變形量減小，并且骨架曲線下滑得更快。

圖5 試件的裂縫圖Fig.5 Specimen cracks

骨架曲線的特征值（承載力Vm、與峰值載荷相應的位移Δm、屈服位移Δy、屈服載荷Vy，極限位移Δu、極限載荷Vu和位移延性系數μ）見表2。其中，位移系數μ＝Δu／Δy，取峰值載荷的88%作為試件的極限載荷。

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Specimen skeleton curve

由表2可知：①高溫作用后，隨著剪跨比的增大，混凝土試件的受剪承載力不斷減小。混凝土試件在受火100min之后，相比于剪跨比為1.55的試件Z7來講，剪跨比為1.95和1.75的Z3和Z8受剪承載力分別減少了5.19%、11.53%。②隨著軸壓比的不斷增大，受火之后的混凝土試件的延性比不斷降低。分析其中的原因可知，軸壓力的增加使得試件的截面的受壓區域不斷增大，而截面的轉動能力減弱。高溫作用前、后的混凝土試件的位移延性系數都很小，大概的范圍為1.35～1.88。③混凝土試件在受火之后的受剪承載力最開始是隨著軸壓比增大的，但是當軸壓比增加到某一個固定的極限值之后，受剪承載力反而會降低。其中，軸壓比固定的極限值指的是混凝土試件達到最大受剪承載力的時候軸壓比的值。由此可以看到，在高溫作用之后，試件的極限軸壓比與沒有受過高溫的試件相比有所減小。原因是高溫作用之后，混凝土試件的損壞的區域要少于受到剪壓的區域，而高溫后混凝土試件剪壓區的強度出現了明顯的下降，在軸壓比相同的情況下，高溫之后混凝土材料在剪壓區受到的實際壓應力要比沒有受火的時候大。

表2 試件骨架曲線特征值Table 2 Characteristic value of specimen skeleton curve

3 高溫對混凝土材料的抗震抗壓作用分析

3.1 抗壓強度與溫度之間的關系

混凝土材料的抗壓強度是混凝土的性能指標中最常用到的一項，經常被用來評定混凝土等級質量。在高溫之后，混凝土的抗壓強度仍然占據了基礎地位。試驗中，溫度是影響混凝土抗壓強度的主要因素，將混凝土試件冷卻一段時間后，其抗壓強度遠遠低于高溫時的抗壓強度。

利用國內最常見的社會科學統計軟件包SPSS對圖7中的混凝土抗壓強度和靜止時間以及受火溫度之間的關系進行分析，得到下面的計算公式：

式中：t為時間；T 為溫度；fc為混凝土試件的軸心抗壓強度值。

圖7 抗壓強度和溫度與放置時間的關系Fig.7 Relationship of compressive strength between the storage time and temperature

3.2 高溫與混凝土材料抗震性能的關系

材料的抗震性能與材料遭到破壞之后的破壞形態，滯回曲線，骨架曲線，承載力、延性和剛度，耗能能力等有關。混凝土材料的抗震性能在很大程度上與混凝土的受剪承載力有關系。在本文中采用式（1）［5］來計算高溫作用之后混凝土材料試件的受剪承載力Vm：

式中：h0為試件截面的有效高度；kc為高溫后混凝土截面抗壓強度的均折減系數值；Asv為箍筋的截面面積；fvy為箍筋的抗拉強度值；N 為與剪力值V 相對應的軸向壓力值，當n＞0.3fckcA時，N＝0.3fckcA，A 為構件的截面面積。

與常溫下混凝土材料的受剪承載力計算式相比，由于考慮到高溫對箍筋、混凝土的受剪影響，式（1）引入了系數0.9和kc。

對試驗中的數據進行處理，kc與高溫時間t以及截面尺寸A 的關系式近似為：

將試驗數據代入式（2），吻合結果很好。剪切破壞的程度越大，混凝土材料的抗震性能越差。式（1）（2）可以用于高溫后混凝土材料受剪承載力的計算。

4 結 論

（1）混凝土的抗壓強度與試件的受火溫度有著密切的關系，隨著試件受火溫度的增高，混凝土材料的強度逐漸降低。在溫度不超過350 ℃時，強度減小不大，但是當溫度超過350℃時，試件的強度下降明顯。

（2）混凝土的抗壓強度還與試驗結束后的冷卻時間有關系。在最初的3天內，混凝土的強度迅速下降，但是時間延長之后，混凝土材料的強度反而有所上升，這是工程中很常見的一個現象。

（3）高溫后的混凝土試件在反復的加載之后破壞形態為剪切型的脆性破壞，當位移角超過1／50時，試件出現明顯的X 裂縫。

（4）提出了混凝土試件在高溫作用后受剪承載力的計算式，并且將試驗數據代入進行了驗證。該計算式具有一定的安全保證率，可供實際中火災后對混凝土建筑的安全鑒定作為參考。

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