高溫作用下C30混凝土試塊強度損傷試驗研究

陳珊珊，劉 媛，劉 晴，王一赫，許海亮

（北方工業大學土木工程學院，北京，100144）

高溫作用下C30混凝土試塊強度損傷試驗研究

陳珊珊，劉 媛，劉 晴，王一赫，許海亮

（北方工業大學土木工程學院，北京，100144）

為了探明C30混凝土在不同高溫溫度下的混凝土損傷規律，進行了C30混凝土試塊燒損試驗，然后對試塊進行超聲波法檢測試驗和抗壓強度試驗。分析在不同燒灼溫度下，混凝土材料和構件實際燒損的試驗成果，重點分析不同灼燒溫度對C30混凝土強度的損失程度，分析混凝土強度折減系數和受火溫度的關系，并得出相關的結論。

C30；混凝土試塊損傷； 高溫 ；超聲波法檢測

0 引言

隨著經濟的快速發展，發生火災的潛在危險也在逐漸上升，一旦發生將造成重大的人員傷亡及財產損失。因此火災事故發生后，及時對混凝土材料的強度受損狀態進行檢測，不僅是確定混凝土的耐火性能的關鍵,而且對構筑物各部位的材料選擇和構筑物的結構設計等有著極重要的意義。高溫作用時混凝土的材料性能是研究混凝土結構的基礎。高溫對混凝土的損害直接危及到結構的安全性能和耐久性能。

為了正確評估高溫對C30混凝土的安全性能和耐久性能的影響，本文根據C30混凝土材料的燒損試驗成果，重點探討火災時不同溫度對C30混凝土試塊強度的損失程度,供有關人員參考。

1 混凝土試塊燒損試驗研究概況

1.1試驗原理與方法

本次試驗擬針對C30混凝土試塊，進行三組混凝土試塊燒損試驗。燒灼試驗中考慮相同溫度、相同時間下，不同灼燒溫度對C30混凝土強度的損傷程度。灼燒溫度分別采用300℃、750℃、900℃。在灼燒試驗中需綜合考慮以下因素：① 極限最高溫度；② 溫度等級；③ 恒溫時間；④ 同一測試項目（強度與剛度、聲波探測）所需的樣本容量等。

1.2試驗儀器

混凝土試件制作采用標準鋼模，尺寸為150mm×150mm×150mm。受火前后混凝土抗壓強度和彈性模量的試驗儀器采用SANS微機控制電液伺服萬能試驗機型號：SHT 4106G，最大負荷1000KN，精度等級：0.5級。聲波儀為RSMSY5型非金屬聲波探測儀。系統觸發方式有內觸發（INT）、外觸發（EXT）和信號觸發（CH1）。可實時讀取聲時、聲速、聲幅等參數。發射、同步接收、量程等參數調節、數據傳輸等全部由筆記本微機通過串行口對主機實施控制。

混凝土燒蝕試驗采用SX2-18-13型高溫箱式電阻爐。額定溫度13500C，工作溫度可達13000C，爐溫均勻性為±50C，控溫精度為±1%。電阻爐采用PID智能程序控溫，自動補償溫差，人工干預少，能滿足不同火災強度下混凝土試件的燒損試驗。

1.3試驗試塊的基本情況

試驗數量分配情況見表1所示。

表1 試塊在不同溫度和受火時間的試驗數

試塊的混凝土配合比設計，混凝土采用C30混凝土，水泥：砂：碎石：水：粉煤灰：外加劑的配合比為272:842:117:160:40:3.13（單位Kg/m3）；實際稱取其組成質量425水泥: 細骨料:粗骨料:粉煤灰:自來水:減水劑為7.30:22.70:30.16:4.32:1.100:0.08（單位/kg），其中粗骨料的粒徑在5～25mm。

每組試件在燒蝕完成后，經自然冷卻，然后從爐內取出，分別進行如下試驗：

（1）全部3個試件進行超聲波法檢測試驗。

（2）取其中3個試件進行抗壓強度。

2 混凝土襯砌材料火損情況檢測結果及分析

圖1 C30 300℃ 1、2、4h

2.1混凝土襯砌材料火損后的抗壓強度試驗結果及分析

使用SANS微機控制電液伺服萬能試驗機進行高溫后強度測定，每組至少3個試塊，抗壓強度取算術平均值（舍去差異超過中間值15%的強度）。表2為混凝土試塊在各個燒蝕試驗條件下抗壓強度試驗結果的統計平均值, 表中殘余強度系數η表示火損試塊的抗壓強度與試塊常溫抗壓強度之比, 即：（2.1）

△ηT則表示下一溫度量級與上一溫度量級在相同恒溫時間時的強度折減系數差值；△ηt則表示同一溫度量級在兩種恒溫時間下的強度折減系數差值，即

△ηTi=[η（Ti）-η（Ti-1）]×100%（2.2）

△ηt=[η（ti）-η（ti-1）]×100%（2.3）

式中，Ti=300℃、750℃、900℃；i=1,2,4

常溫條件下，試塊強度32.2MPa。300℃時，殘余強度31.8MPa，強度折減系數0.532；恒溫時間2h,殘余強度31.7MPa，強度折減系數0.521；恒溫時間4h，殘余強度31.1MPa，強度折減系數0.493。其他試驗結果具體見表2。

表2 C30混凝土試塊抗壓強度試驗分析匯總

對于同一種等級混凝土等級、相同受火時間，隨著受火溫度的增加，抗壓強度降低速率增大，并在750℃、900℃時抗壓強度損失明顯，突然降低。

3 超聲波法檢測

使用SC-2型數字超聲波檢測儀（探頭頻率 50Hz ,聲時顯示范圍0.5～9999μs，測試精度0.1μs，耦合劑為黃油，每個受火試塊的對相對面取3個測試點，同一溫度等級和同一受火時間下可以測得16個超聲波聲時值，對其進行數據處理，計算出波速，測試數據結果見下表4。表4中V0分別表示常溫20℃的波速值、VTi表示受火后1小時、2小時、4小時試塊波速值（i=1、2、4小時）。

由圖2 C30受火前后波速比與溫度的關系圖可知，隨著溫度的上升波速比降低，4h的波速比是最小的，受火時間和受火溫度對混凝土波速影響較大。

圖2 C30受火前后波速比與溫度關系

經過超聲波檢測，得到的結果并進行結果分析，得到的超聲波檢測的匯總表如表3所示：

表3 超聲波檢測結果分析匯總

4 結論

在溫度為300℃、750℃、900℃，受火時間分別為1小時、2小時、4小時的組合試驗條件下，對C30混凝土材料燒灼后損傷程度進行了分析研究，據此可得出以下幾點規律：

（1）受熱溫度達到300~750℃時，C30混凝土襯砌材料的強度隨著溫度升高而逐漸加速降低。這一階段水泥砂漿的急劇收縮和骨料的快速膨脹導致混凝土骨架幾近破裂，大量結晶水散失，混凝土僅存在較小的結構抗力。

（2）當受熱溫度達到為900℃時，此時C30混凝土結晶水完全喪失，骨料膨脹導致界面裂縫已貫穿整個試件，強烈的內部損傷導致混凝土已失去結構抗力。

（3）受火溫度對混凝土襯砌材料損傷的影響程度要比受火時間大。

[1]彭立敏,劉小兵,杜思村. 不同燃燒溫度量級對隧道襯砌強度損傷程度的試驗研究[J]. 鐵道學 報,1997,05:88-95.

[2]柴永模. 隧道內發生火災時的溫度分布規律初探[J]. 消防技術與產品信息,2002,03:16-23.

Experimental study on strength damage of C30 concrete block under high temperature

Chen Shanshan，Liu Yuan，Liu Qing，Wang Yihe，Xu Hailiang
（School of civil engineering, North China University of Technology, Beijing ，100144）

in order to find the law of C30 concrete damage of concrete in different temperature under the burning test, block C30 concrete, then testing compressive strength and ultrasonic test of specimen. Analysis on different burning temperature, the test results of concrete materials and components of actual loss, focuses on the analysis of different temperature on the degree of loss of strength of C30 concrete, analysis of the relationship between the reduction coefficient and temperature strength of concrete, and draw relevant conclusions.

C30 ；concrete block damage； high temperature； ultrasonic testing

TU528

A

本項目受北方工業大學大學生科研訓練項目（XN001-168）；校內優青項目（XN072-031）資助