高溫下C65混凝土力學性能試驗研究

覃麗坤，劉偉兵，宋宏偉

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116650)

實際工程中，高強混凝土使用的越來越普遍，尤其是高層建筑。中國每年因為建筑火災造成的死亡人數和經濟損失相當嚴重,開展高強混凝土抗火性能的研究顯得尤為重要。混凝土在高溫下的力學性能與在高溫后的力學性能不同，對混凝土結構在火災中的受力性能分析，應采用混凝土在高溫下的力學性能指標。由于混凝土的高溫力學性能試驗缺乏專門的試驗設備，并且難度很大，造成試驗數據不多且比較離散。從已有的研究資料[1-9]來看，由于高溫下混凝土力學性能的研究成果不多，中國對火災發生時和火災后混凝土結構的受力性能分析，均近似采用高溫后混凝土的力學性能指標，這種情況不能準確評估火災對結構的影響，也不能正確制定災后對結構的修復方案。本文試驗對C65混凝土進行了常溫20 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、800 ℃溫度下的抗火性能試驗,對各溫度下的高強混凝土進行了單軸壓力學性能試驗，測得了高溫下混凝土的單軸抗壓強度，分析了高溫后混凝土外觀特征。根據試驗結果，系統地分析了在高溫作用下高強混凝土抗壓強度的變化趨勢，為評估火災對高強混凝土結構的影響提供試驗和理論依據。

1 高溫下混凝土力學性能試驗設計

1.1 試件尺寸及試驗材料

用于高溫試驗的試件尺寸為100×100×100 mm。水泥采用大連小野田水泥廠生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，砂石含泥量均低于1%，細骨料為中砂，粗骨料為碎石，最大粒徑為20 mm。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比(每立方米用量)

試件用鋼模成型，振動臺振搗密實。成型后覆蓋表面，防止水分蒸發，在室溫為(20±5) ℃條件下靜置1-2晝夜，然后編號拆模。做試件時用的是水性脫模劑。脫模后混凝土試件在(20±3) ℃的環境中標準養護28天，靜置60天后開始試驗。

1.2 試驗設備

試驗在大連民族大學土木工程實驗中心的高低溫加載設備上完成。高低溫加載設備系統由WAW-1000型電液伺服萬能試驗機、高溫加熱爐組成，是為材料性能試驗提供試驗環境的一種裝置如圖1。

(a)液壓萬能試驗機 (b) 高溫試驗加載爐

1.3 試驗方法

高溫試驗中，電爐內部環境溫度按照15 ℃·min-1的升溫速度升溫, 加熱溫度分別為常溫20 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、和800 ℃共6種工況,當試塊加熱到某指定溫度后恒溫2 h,以保證試塊內部受熱均勻。首先對試件進行軸心物理對中，然后以0.5～0.8 N·mm-2s-1施加壓力直至破壞。

對養護好的試塊進行試驗前的初步檢查，將有明顯制作缺陷的試塊剔除，將不同溫度的試塊進行分組，每種溫度下取3個試塊進行編號，并進行平整度處理，避免試驗過程中因試件不平整產生的誤差，選擇上下最平整的兩個面作為受壓面。首先檢查試驗機狀況，然后開啟試驗機，輕輕觸動試驗機橫梁，保證試驗機始終能夠正常工作。在試驗機上安裝用于抗壓試驗的專用夾具，然后安裝高溫加熱爐，注意留夠試驗機平臺上升操作的空間。將試塊安裝至試驗機的指定位置，微動試驗機橫梁，在離試件1 mm～2 mm時停止；為防止高強混凝土受壓破壞瞬間發生爆炸，在試驗機周圍安裝防護網；使試塊在爐子正中央，關閉高溫加載爐，用高溫隔熱棉密封加載爐。打開計算機，進行軟件參數和試塊尺寸參數設定，目標溫度為300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、和800 ℃。在各目標溫度下恒溫2 h，然后啟動試驗機油泵，開始加載，收集力—位移曲線，試件壓壞后，停止試驗，保存數據。

2 高溫下混凝土力學性能試驗結果及分析

2.1 試驗現象

不同溫度下高強混凝土受壓破壞形態如圖2。

(a)常溫 (b)300 ℃ (c)400 ℃

(d)500 ℃ (e)600 ℃ (f)800 ℃

由圖2可見，試件加溫至300 ℃恒溫2 h后，外表顏色與常溫時相比變化不大，施加壓力加載后，內部顏色變化不大，但內部組織比常溫時出現干燥現象；試件加溫至400 ℃恒溫2 h后，外表顏色呈灰褐色并開始出現細紋，施加壓力加載后，內部顏色呈淺粉色，內部組織干燥現象明顯，破壞時

呈柱狀，骨料破碎現象明顯；試件加溫至500 ℃恒溫2 h后，外表顏色呈灰白色并開始出現裂紋和掉皮現象，施加壓力加載后，內部顏色呈淺粉色，內部組織干燥現象明顯，加載破壞時呈柱狀，骨料松散現象明顯；試件加溫至600 ℃恒溫2 h后，外表顏色和內部結構與500 ℃時類似，內部組織干燥現象更明顯，破壞時骨料疏松現象更明顯；試件加溫至800 ℃恒溫2 h后，外表顏色呈暗紅色，出現嚴重掉皮現象，加載破壞時，可看到內部呈粉紅色，破壞時骨料疏松現象更加明顯，試塊被壓酥，由于混凝土內部水蒸氣的遷移受到影響，發生爆裂現象,不同溫度下高溫混凝土外觀特征見表2。

表2 不同溫度下高強混凝土外觀特征

2.2 試驗數據

對不同高溫下的高強混凝土試件進行靜載試驗，首先使試件軸心物理對中，然后以0.5～0.8 MPa·s-1的速度施加壓力直至破壞，確定試件的極限承載能力。C65高強混凝土在不同溫度下單軸抗壓強度平均值及其折減系數見表3。

表3 C65高強混凝土在不同溫度下單軸抗壓強度平均值及其折減系數

2.3 試驗結果分析

高強混凝土在不同溫度下基于常溫混凝土立方體抗壓強度降低的百分比見表4。

表4 不同溫度下基于常溫混凝土立方體抗壓強度

從表4可以看出C65高強混凝土在300 ℃高溫下，強度降低了6%，在400 ℃高溫下，強度值較300 ℃時有所提高，出現反彈，其原因是此時剩余水泥熟料的水化使混凝土強度增大的作用大于使混凝土強度降低的作用。溫度達到500 ℃以上，強度開始明顯下降，在800 ℃高溫下，強度降低了50%，說明在高溫下高強混凝土的單軸抗壓強度總體呈逐漸降低的趨勢。運用統計分析方法，建立高溫下高強混凝土抗壓強度相對值與溫度之間的關系式，如式(1)：

(1)

高溫下高強混凝土單軸抗壓強度試驗值與按式(1)計算的理論值的對比圖如圖3，可見按式(1)計算的結果與試驗值符合較好。

圖3 高溫下高強混凝土單軸強度試驗值與理論值比較

3 結 論

(1)高強混凝土在不同高溫下，混凝土表面和內部結構都發生了不同的變化。隨著溫度的升高，混凝土表面的顏色逐漸變化，由常溫和300 ℃時的青灰色，到400 ℃開始出現灰褐色，在高溫500 ℃、600 ℃時呈現灰白色，在800 ℃時呈暗紅色；隨著溫度的升高，內部顏色也逐漸發生變化，從400 ℃開始出現淺粉色，800 ℃時呈粉紅色，結構內部干燥程度也越來越明顯，600 ℃-800 ℃左右時部分高強混凝土試件發生爆裂，試件被壓酥。

(2)高強混凝土在不同高溫下，隨溫度的升高，其力學性能劣化程度加大。在300 ℃高溫下，強度降低了6%，在400 ℃高溫下，強度值較300 ℃時有所提高，出現反彈，在500 ℃以上，強度開始明顯下降，在800 ℃高溫下，強度降低了50%，說明高強混凝土的單軸抗壓強度總體呈逐漸降低的趨勢。

(3)根據試驗結果，建立了高溫下C65高強混凝土單軸抗壓強度相對值與溫度之間的關系式，經比較與實驗值符合較好，可為工程實際提供設計依據。

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