不同高溫作用下混凝土的損傷破壞研究

林乙玄

（福建林業職業技術學院，福建 南平 353000）

隨著現代建筑工程建設要求的不斷提高，對混凝土在不同環境下的變化特征進行研究意義重大。工程巖體中含有大量不同類型的結構面，如裂隙、節理、層理甚至大的斷層等。這些結構面缺陷在很大程度上降低了巖體的強度，在外荷載作用下易導致裂紋的萌生、擴展和貫通，也決定了裂紋擴展的規律。工程實踐表明，巖體工程的失穩破壞與裂紋的孕育、萌生、擴展和貫通密切相關。因此，開展裂隙巖石強度和裂紋擴展特征研究具有重要意義。近些年，針對裂隙巖體裂紋擴展已進行了大量研究，但由于巖石中預制裂隙較困難，目前主要集中于巖石類相似模型材料的研究，如石膏材料、混凝土等。

前期影響混凝土性能的因素主要有配合比、養護條件、壓實度、水灰比、水泥種類等。后期影響混凝土性能的因素比較復雜。例如，復雜的自然條件，高溫能夠影響水泥與骨料之間的黏結性能，可以利用數值模擬的方法研究高溫對混凝土的影響。高原地區的建筑物經常遭受凝凍災害，凍結后的混凝土性能發生變化，并對其微觀結構產生影響。在某些特定環境下，由于鋼筋極易腐蝕生銹，會對混凝土產生不利影響，需要混凝土具有抗酸抗腐蝕性能。另外，在實際工程中，火災是最常見、對混凝土影響最大的因素。為了研究火災對混凝土的影響，國內外學者對高溫環境下的混凝土進行試驗，并研究其力學性能后發現，300℃和500℃是混凝土性能發生較大變化的兩個臨界溫度。火災發生時，對建筑物采用不同的冷卻方式，其對混凝土的性能影響也不同。高溫會導致混凝土內裂紋擴展，因此，研究不同溫度及冷卻方式對混凝土的影響十分重要。

目前，眾多學者對高溫作用后及不同冷卻方式下混凝土的力學性能做了大量研究，取得了豐碩的研究成果。本文主要研究不同溫度及冷卻方式對混凝土性能的影響，運用核磁、電鏡掃描等技術手段從微觀的角度探究了影響混凝土性能的原因，并對其聲發射現象的規律進行分析。

1 混凝土結構損傷的研究

結合實際情況可以發現，混凝土是各類工程施工中常用的材料，尤其是在建筑工程施工中，混凝土的功能與作用是毋庸置疑的。但在實際施工中，由于不同溫度和冷卻的作用，會給混凝土帶來一定的損傷，導致混凝土出現孔隙和裂縫。為了實現對混凝土合理保護，需要對不同高溫作用下的混凝土進行損傷破壞研究。

混凝土具有微觀、細觀和宏觀等不同層次的結構，以往主要是研究混凝土的宏觀層次，將混凝土均勻化為宏觀均質連續材料，不去考慮混凝土的細觀結構和微觀結構，這樣是不全面的。所以，從細觀角度出發，可以發現混凝土材料的力學特性是由內部的微觀結構及其變化所形成的。為了明確混凝土結構在不同高溫作用下的損傷破壞情況，需要對微觀結構的相應內容進行分析，這樣才能保證混凝土結構的合理研究。混凝土是一種典型的非均質材料，在多種尺度下都表現出了非均質的特點，所以，就不能將其作為一種均質材料進行研究。

在高溫作用下，混凝土的損傷可以用字母D表示。為了獲取混凝土的破壞曲面方程，先假設混凝土受到非力學因素的影響，造成損傷，之后的抗拉強度可以表示為受損前的抗拉強度與損傷D之間的函數，從而得到公式（1）：

結合上述公式（1）的基本情況，再對抗壓強度fc和D的函數進行分析，得到公式（2）：

再對兩個方程進行整合，最終得到公式（3）：

結合上述內容，就能得到高溫作用下混凝土的破壞損傷公式。實際的分析中需要結合上述公式的基本內容，進行進一步分析為后續的不同高溫作用下混凝土的損傷破壞研究奠定基礎。

2 試驗方法

2.1 試件準備

（1）試驗使用混凝土試件為10塊、常溫組2塊；300℃試件4塊（水冷2塊、氣冷2塊）；500℃試件4塊（水冷和氣冷各2塊）。

（2）經過溫度處理的試件命名用數字+字母，數字表示溫度，字母表示冷卻方式，如300℃氣冷試件用300-A表示。

（3）混凝土中材料配合比為m（細砂）∶m（水泥）∶m（水）=2∶1∶0.4。其中，水泥為基準水泥、砂為標準砂、水為普通自來水。

（4）混凝土澆筑完成后，放入養護箱養護至少28d，試件尺寸為100mm（高）×50mm（直徑）圓柱形試件。

（5）高溫前將混凝土試件上下兩端面用磨平機磨平，保證兩端面的平行度符合試驗要求。

（6）試驗前，需準備好基本材料和設備。可以對混凝土進行相應的檢測工作，確保混凝土處理得當，滿足實際使用需求；必須對設備進行檢測，以確保設備處于良好的工作狀態，從而降低設備隱患，確保試驗設備滿足試驗的基本要求。

（7）由于環境對混凝土的影響，必須控制環境，保證合適的室內溫度，以保證環境的合理性，降低環境給對試驗的負面影響，保證混凝土試件試驗效果，滿足試驗的基本要求。

（8）試塊經過處置后必須具備試驗能力。通過對試塊基本狀況的研究，發現試塊符合實際試驗的要求，能保證試驗質量，確保不同高溫作用下混凝土的損傷破壞研究，提升試驗效果。另外，需要注意外界因素對試驗的影響，要保證試驗質量，確保試驗符合實際要求。

2.2 加熱設備及過程

（1）試驗采用1 200℃快速升溫箱式電阻爐進行升溫。

（2）將養護好的混凝土真空飽水后，使用核磁共振儀測定試件的T2譜；測定完成后放入烘干機中烘干至試件質量不再變化；待試件中的水分完全去除后放入高溫爐。

（3）試驗中混凝土試件的處理溫度分別為300℃和500℃（為了研究火災對混凝土的影響，國內外學者對處于高溫環境下的混凝土進行試驗，并研究了其力學性能后發現，300℃和500℃是混凝土性能發生較大變化的兩個臨界溫度），高溫箱式電阻爐升溫速率為6℃/min，待試件達到預定溫度后恒溫2h。

（4）高溫作用后試件的冷卻方式分為空氣冷卻和澆水冷卻兩種。空氣冷卻即高溫后將試件取出放在空氣中自然冷卻；澆水冷卻即高溫后將試件放入預先準備好的100L水中快速冷卻20min后取出，再放入烘干機內烘干。

（5）將高溫過后的試件真空飽水后，再次測定其T2譜，烘干后進行單軸壓縮試驗。

2.3 試驗設備及試驗方法

單軸壓縮試驗是采用DSZ-1000應力-應變控制式三軸剪切滲透試驗儀，該試驗系統所能施加的最大軸向力為1 000 kN。試驗過程采用位移加載控制，加載速率為0.05mm/min。加載前，在試件上下端面放置剛性墊塊，并在試件兩端涂抹凡士林，以減小端部摩擦效應。試驗前，在試件表面貼上聲發射探頭，在試驗過程中同步采集聲發射現象。

3 結果及分析

3.1 不同冷卻方式下混凝土的應力-應變曲線特征

不同高溫和冷卻方式下混凝土試件的應力-應變曲線如圖1所示。隨著溫度的升高，混凝土的強度先增大后減小。300℃空氣冷卻時，峰值強度明顯增大。隨著溫度的升高，峰值應變逐漸增大，彈性變形階段的曲線越平緩，彈性模量越小。常溫時，混凝土的破壞形式主要表現為拉剪破壞。300-A組混凝土破壞形式表現為突然的脆性劈裂破壞，峰后延展性不明顯；300-W組混凝土的峰值強度明顯低于300-A組的峰值強度，略低于常溫下的混凝土峰值強度；溫度為500℃時，混凝土壓密階段的應變明顯增大，說明混凝土內部產生了較多微小裂隙和孔隙。

圖1 不同冷卻方式下混凝土的應力-應變曲線

3.2 混凝土強度和變形特征

對混凝土的宏觀力學參數進行匯總分析，峰值應力、彈性模量、峰值應變等參數受不同冷卻方式的變化如圖2所示。

圖2 混凝土宏觀參數及變化規律

（1）圖2-a為不同高溫和冷卻方式下峰值強度的變化，其峰值強度有明顯區別。300-A組試件峰值強度較常溫組升高，500-W組試件峰值強度較常溫組降低。說明一定范圍內的高溫對混凝土的抗壓強度有提升作用。當溫度為300℃時，水冷卻較氣冷卻的平均峰值強度降低了42%； 溫度為500℃時，水冷卻較氣冷卻平均峰值強度降低了39%，說明對混凝土的損傷水冷卻比氣冷卻更大。（2）圖2-b為不同高溫和冷卻方式下峰值強度對應的軸向應變的變化規律，峰值應變是混凝土抵抗外部荷載變形的能力，也是混凝土破壞的一種征兆。從圖中可以看出隨著溫度的升高混凝土的峰值應變呈增大趨勢。（3）圖2-c為不同溫度和冷卻方式下混凝土彈性模量的變化，常溫組彈性模量平均值為14.5GPa。300-A組較常溫組彈性模量有一定提升，其余組均有不同程度的降低，500-W組彈性模量平均值為3.8GPa，較常溫組降低達73%。300-A組混凝土試件在壓縮過程中表現出較強的脆性特征，在彈性階段隨著應力的上升變形增加幅度較小，500-W組試件在壓縮過程中隨著應力的上升變形快速增加，塑性特征明顯增強。

3.3 核磁共振T2分布變化

應用核磁共振技術，對不同冷卻方式下的試件進行測試，如圖3所示。從圖3中可以看出，常溫下T2譜最左側第一個峰幅值較大，第二、第三個峰幅值較小，說明混凝土試件中主要是小孔隙，大、中孔隙較少。在經300℃和500℃高溫后，混凝土T2譜最左側的第一個峰幅值出現了大幅度增長，第二、第三個峰幅值變化不大，說明高溫后混凝土以小孔隙發育為主，大、中孔隙擴展趨勢較緩。由此可見，同一冷卻方式下，溫度越高，小孔隙對應峰值增長幅度越大；同一溫度下，T2譜小孔隙對應峰值水冷卻比氣冷卻更高。

圖3 不同冷卻方式混凝土T2譜分布變化

3.4 試驗現象

圖4為不同高溫和不同冷卻方式下混凝土試件的破壞及內部情況。

圖4 加載后的混凝土試樣

（1）內部情況。常溫下試件中的水泥和細骨料層次分明，結構清晰，能夠較好地區分骨料和水泥。經300℃氣冷卻和水冷卻后的試件內部顏色呈暗灰色，水泥與骨料分辨度降低，水冷卻試件分辨度比氣冷卻更低，用手觸摸無細沙感。500℃作用后，試件整體暗鈍無光，氣冷卻試件用手觸摸表面有輕微的細沙感，水冷卻試件用手觸摸有明顯的細沙感。（2）破壞情況。常溫狀態下的混凝土試件破壞形式主要是張拉破壞，試件表面有細小的豎向裂紋，仍然有一定的承載能力。當溫度升高到300℃時，破壞形式為拉剪破壞，試件表面裂紋較大并有部分表皮脫落。當溫度為500℃時，試件破壞程度較大，表皮脫落現象明顯，有數條較大的裂紋相互交匯，試件破壞面較清晰。

4 結語

（1）經300℃高溫空氣冷卻后，混凝土試件的單軸抗壓強度提升，脆性特征明顯；經500℃高溫遇水冷卻后，混凝土表現出明顯的塑性特征。

（2）高溫作用后，混凝土內部主要以小孔隙發育為主，一定范圍內的高溫會提高水泥與骨料表面之間的黏結性，對混凝土的承載能力有提升作用。

（3）當溫差過大時，混凝土表面產生拉應力，會出現細小裂紋，外部水浸入裂紋導致裂紋進一步擴展，對混凝土產生的損傷遠大于空氣冷卻。