高溫(明火)作用后混凝土抗壓強度力學性能試驗研究

(華北理工大學 河北 唐山 063000)

一、研究意義

在社會生活中，火災已成為威脅公共安全，危害人民群眾生命財產的一種多發性災害。火災發生后，如果不及時做出合理的救急措施，將會帶來無法想象的損失。據統計，全世界每天發生火災1萬起左右，死2000多人，傷3000—4000人，每年火災造成的直接財產損失達10多億元。尤其是造成幾十人、幾百人死亡的特大惡性火災不斷發生，給國家和人民群眾的生命財產造成了巨大的損失。混凝土作為應用最廣泛的建筑材料，其性能的優劣對建筑物的安全性起到了決定性的作用。了解混凝土受火后的力學性能及其影響因素，對結構抗火具有重要的意義。國內許多學者對高溫后的混凝土力學性能做了詳細而全面的研究。王統輝[1]研究了高溫后混凝土抗壓強度的變化規律，得到混凝土抗壓強度隨溫度的升高逐漸降低的結論，并給出了高溫后混凝土單軸受壓的本構模型。方繼偉等[2]研究了高溫后標準混凝土立方體試塊抗壓強度的變化規律，通過對比不同溫度工況下混凝土抗壓強度，發現混凝土抗壓強度隨溫度的升高先增強，300℃后大幅下降。王麗等[3]研究了不同溫度、不同冷卻方式對混凝土力學性能的影響，探討得出高溫后混凝土抗壓強度隨溫度變化的規律，同時給出了抗壓強度隨溫度變化的擬合公式。蔣濱[4]研究了不同溫度下、不同強度等級、不同冷卻方式對混凝土抗壓強度的影響規律。發現了不同溫度下混凝土強度變化的三個階段，并初步探討了火災后混凝土損傷等級的評定和無損檢測評估鑒定。雖然現有對混凝土的高溫試驗的研究很多，但大多數采用電阻爐的加熱方式，設定好溫度后恒溫加熱一段時間，保障混凝土內部溫度達到設計溫度。這種方法得到實驗結果雖然能更嚴謹得到混凝土高溫后的性能，但與真實火災下的加熱條件不符，很難得到真實火災條件下混凝土的強度變化情況。所以本文采用了明火加熱的方式，通過控制加熱時間，對混凝土進行加熱試驗，研究不同加熱時間下混凝土抗壓強度變化規律。

二、試驗概況

本次實驗采用天然氣明火加熱的水平爐進行試塊的火災加熱模擬，采用國際標準化組織(ISO834)給出的標準溫度-時間曲線控制爐內溫度，試驗加熱時間分為60min和90min兩種工況。

本次實驗共制作了30個100mmx100mmx100mm的混凝土立方體試塊，混凝土強度等級為C30、C40兩種型號的普通混凝土。常溫下測試抗壓強度的試塊，每個標號的混凝土3塊，兩種加熱工況下的試塊每個標號各6塊，其中3塊放置熱電偶測量試塊中心溫度。達到設計加熱時間后停止加熱，自然條件下冷卻至室溫，然后進行抗壓強度試驗。

三、高溫后的混凝土抗壓強度變化規律

混凝土的力學性能中，抗壓強度是最基本、最重要的一項，是確定混凝土強度等級的基本參量，其對抗拉強度、峰值應變和彈性模量等混凝土力學性能起決定做用。所以研究高溫后混凝土的抗壓強度也十分重要。

高溫后的試塊，溫度降到室溫后的抗壓強度試驗結果如表1所示

表1 高溫降溫后混凝土抗壓強度

從表1中可以看出，隨著受火時間增長，混凝土抗壓強度逐漸降低。受火時間為60min時，C30試塊內部平均溫度約為540℃，抗壓強度降低了55%左右；C40試塊內部平均溫度約為610℃，抗壓強度降低了24%左右。溫度達到600℃時，混凝土中氫氧化鈣基本全部分解完成，內部骨料結構破壞嚴重，抗壓強度驟然下降，此時試塊內蒸發的水分為結晶水分解而來。受火時間為90min時，C30試塊內部平均溫度約為720℃，抗壓強度降低了78%左右；C40試塊內部平均溫度約為750℃，抗壓強度降低了60%左右。當溫度達到700℃后，混凝土內部結構破壞嚴重，C-S-H凝膠結構不再完整，Ca(OH)2含量所剩無幾，所以抗壓強度降幅明顯。在相同加熱時間下，C30混凝土抗壓強度折減率大于C40混凝土抗壓強度折減率，所以受火時間對C30混凝土影響更大。從兩種等級混凝土試塊內部溫度可以看出，加熱時間較短時，C30混凝土導熱效果比C40混凝土導熱效果差，隨著加熱時間和溫度的持續增長，兩種混凝土試塊內部溫度差有趨于一致趨勢。

四、結論

本文對兩種普通混凝土在不同明火加熱時間下的抗壓強度進行了仔細的試驗研究，分析了兩種不同強度等級混凝土高溫后的強度變化規律和不同受熱時間對混凝土抗壓強度的影響，通過對試驗數據的仔細分析得出的主要結論如下：

1.隨著受火時間的增加，混凝土抗壓強度逐漸降低。受火60min時，C30混凝土抗壓強度剩余45%左右，C40混凝土抗壓強度剩余76%左右；受火90min時，C30混凝土抗壓強度剩余21%左右，C40混凝土抗壓強度剩余40%左右。

2.普通混凝土在相同加熱時間下，混凝土等級越高導熱性越好；伴隨加熱時間和溫度的增長，不同等級混凝土試塊內部溫度差值有減小的趨勢。