考慮溫度條件下高性能混凝土的力學性能試驗研究

黃兆麒　鄭學重

摘要：文章通過單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，研究了高性能混凝土和普通混凝土的力學性質差異，并進一步探討了溫度對高性能混凝土抗壓強度的影響。主要得到以下結論：（1）單軸壓縮試驗表明，室溫下高性能混凝土的抗壓強度和彈性模量與普通混凝土相比均有顯著提升，其密實度和體積穩定性更強；（2）巴西劈裂試驗表明，混凝土的抗拉強度遠低于其抗壓強度；（3）溫度升高時，高性能混凝土的抗拉強度先降低再升高，最后再逐漸降低，當溫度升到800 ℃時，C30、C40和C50的抗壓強度大致相同；（4）高性能混凝土的抗壓強度和升溫速率呈正相關。

關鍵詞：高性能混凝土；力學特性；高溫影響；單軸壓縮試驗

0引言

隨著我國工程建設的不斷推進，絕大部分建筑結構都離不開混凝土。由于混凝土的價格低，成型之后的強度高，因而被廣泛應用于各種結構物中，諸如高層建筑、橋梁和隧道的建設等。其中，高性能混凝土由于具備密實性高、強度大和耐久性高等特點，被廣泛關注［1］。但是，在發生火災等極端條件下，高性能混凝土由于耐火性差、脆性大，容易出現變形和開裂等問題，時會導致建筑物坍塌，嚴重危害人民生命安全［2］。

近年來，已有大量學者對高性能混凝土的力學特性進行了研究。肖力光等［3］研究了不同礦物摻合料對高性能混凝土的力學性能的影響，結果表明，不同礦物摻合料在最佳配合比下，能夠使混凝土的強度提升22%。王成啟等［4］研究了高性能混凝土中鋼纖維尺寸對混凝土力學性能的影響，結果表明，鋼纖維的長徑比越大，高性能混凝土的抗壓強度、抗沖擊等力學性能越好，但增加的幅度逐漸減小。崔釗瑋等［5］通過白云石取代水泥對混凝土進行了改良，結果表明，白云石粉摻量越大，混凝土的抗壓強度越低。當白云石粉取代水泥用量少于10%時，混凝土的彈性模量有所提升。

由于高溫下針對高性能混凝土的力學行為和破壞模式尚未完善，因此，本文基于前人對高性能混凝土的研究成果，通過單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗研究高性能混凝土和普通混凝土的力學差異，并在此基礎上研究溫度對高性能混凝土抗壓強度的影響。

1 混凝土試件的制備

為了滿足試驗要求，本文分別配置了3種強度的高強度混凝土和普通混凝土（C30/C40/C50）。為保證試驗成功，嚴格參考《普通混凝土配合比設計規程（JGJ55-2011）和《高性能混凝土應用技術規程》（CES207：2006）等相關規范要求確定制備混凝土的配合比。普通混凝土的配合比以及高性能混凝土的配合比如表1和表2所示。在制作混凝土試件時，先利用模具制作出30 cm×30 cm×30 cm（長×寬×高）的立方體試件，再根據規范進行養護。養護好的混凝土試件使用自動取芯機鉆取試驗所需的圓柱形式樣，打磨光滑后進行試驗。其中，單軸壓縮試驗試件尺寸為75 mm、高150 mm。巴西劈裂試驗試件尺寸為75 mm、高40 mm。

2 常溫條件下混凝土單軸壓縮試驗

為測試高性能混凝土和普通混凝土常溫下的抗壓強度、抗拉強度以及變形模量等參數，共設計C30、C40、C503種強度，每組選擇3個平行試樣，共計18個試樣。試驗過程中使用萬能試驗機進行加載，試驗機加載速率為0.5 MPa/s，直到試樣發生破壞后停止加載。由于篇幅所限，混凝土的應力-應變曲線如圖1所示（以C30普通混凝土1號試樣為例）。其中，εv=ε1+2ε2，εv表示混凝土式樣的體積應變，ε1為縱向應變，ε2為橫向應變。由圖1可知，在混凝土式樣受壓初期，應力-應變曲線近似為直線，但隨著應力逐漸增加，應力-應變曲線逐漸趨于平緩，直至破壞。此時試樣發生的是近似線彈性變形。荷載進一步增加之后，試樣逐漸受壓破壞，產生裂紋，導致體變εv一直增加。

不同強度的混凝土單軸壓縮試驗結果的平均值如表3所示。由表3可知，同等強度下高性能混凝土的抗壓強度和彈性模量優于普通混凝土，C30強度的高性能混凝土比普通混凝土抗壓強度提升18.4%、變形模量提升8.7%，而C50強度的高性能混凝土比普通混凝土的抗壓強度提升了16.04%，變形模量提升了7.9%。

3 常溫條件下混凝土巴西劈裂試驗

與單軸壓縮試驗相同，巴西劈裂試驗中試樣共計18個，尺寸為75 mm、高40 mm。將試樣放在自制巴西劈裂夾具上之后，通過萬能試驗機進行加載，加載速率調整為0.3 MPa/s。抗拉強度參考相關規范進行計算，不同混凝土式樣的劈裂強度試驗結果如表4所示。由表4可知，高性能混凝土的抗拉強度均比普通混凝土的好，C30強度下的高性能混凝土抗拉強度較普通混凝土提升6.7，而C50強度下的高性能混凝土的抗拉強度較普通混凝土提升12.7%。并且由表4還可分析出，混凝土強度越高，高性能混凝土抗拉強度提升的比例越顯著。

4 高溫條件下混凝土單軸壓縮試驗

為研究高性能混凝土在不同溫度下的力學性能，本次試驗中常溫設置為室溫25 ℃，高溫則從100 ℃開始，每次增加100 ℃，直到增加至800 ℃，共計9個溫度梯度。高性能混凝土試件強度同樣選取C30、C40和C503種強度等級，加熱速率選擇5 ℃/min和10 ℃/min，保持恒溫時間為1 h，每組3個試樣，共計27個試樣。加熱時將式樣放入電爐中進行加熱，然后詳細觀察記錄加熱過程中的現象。

加熱過程主要分為3個階段：（1）在加熱到230 ℃前后，可以觀察到混凝土表面出現了少量水蒸汽；（2）隨著溫度的進一步升高，當溫度達到310 ℃前后時，混凝土表面的水蒸汽量最大；（3）當溫度≥500 ℃時，水蒸汽基本消失。在加熱過程中，高性能混凝土出現失水減重的現象，不同溫度下的混凝土失重規律如圖2所示。由試驗結果可知，加熱的溫度越高質量損失率越大，在100 ℃～600 ℃，質量損失率近似呈線性分布，當溫度＞600 ℃之后，質量損失率陡增，當溫度達到800 ℃時，質量損失率達到24%。

高性能混凝土在進行單軸壓縮試驗時，需要進行保溫處理。加熱完成后的試件立馬使用3 cm厚的泡沫嚴實包裹起來，然后再將其置于萬能試驗機上。為了減少試驗誤差，將同一溫度下的3個試樣的抗壓強度取平均值，作為最終實驗結果。不同溫度下高性能混凝土的抗壓強度如表5所示。

為進一步分析不同溫度下高性能混凝土的抗壓強度，將表5中的數據通過圖3和圖4來表示，做深入分析。當升溫速率為5 ℃/min時，不同強度等級的高性能混凝土抗壓強度與溫度的關系如圖3所示。由試驗結果可知，不同強度的高性能混凝土的抗壓強度隨溫度變化規律大致相同，隨溫度的升高呈現出先減小再增加，最后再減小的趨勢。在300 ℃時，高性能混凝土的抗壓強度達到峰值，此時C30的高性能混凝土的抗壓強度為46.81 MPa，而C50的抗壓強度為64.31 MPa（與常溫狀態相比，抗拉強度提升5%左右）。

當升溫速率為10 ℃/min時，不同強度等級的高性能混凝土抗壓強度與溫度的關系如圖4所示。由圖4可知，升溫速率對混凝土的強度影響有限，不會改變抗壓強度隨溫度的變化規律。通過對比圖3和圖4可知，升溫速度越快，混凝土的抗壓強度越大。此外，不同強度等級的高性能混凝土在溫度達到800 ℃時，抗壓強度幾乎一致。

5 結語

本文基于單軸試驗和巴西劈裂試驗，詳細地研究了普通混凝土和高性能混凝土在常溫下的力學差異，并進一步研究了溫度載荷對高性能混凝土抗壓強度的影響，得出主要結論如下：

（1）單軸壓縮試驗結果表明常溫下高性能混凝土的抗壓強度和彈性模量均優于普通的混凝土，說明高性能混凝土的穩定性更強也更為密實。

（2）巴西劈裂試驗結果表明混凝土的抗拉強度遠小于抗壓強度，并且混凝土的強度越高，高性能混凝土抗拉強度的提升比例越顯著。

（3）溫度對高性能混凝土的影響顯著，隨著溫度的增加，高性能混凝土的抗壓強度先降低再升高，最后再降低。不同強度等級的混凝土在溫度達到800 ℃時的抗壓強度基本相同。

（4）其他條件相同時，升溫速率越快，混凝土的抗壓強度越大。

參考文獻：

［1］闞黎黎，王 飛，鄔海江，等.不同養護條件下混雜鋼纖維超高性能混凝土的早齡期力學性能及開裂特性［J］.硅酸鹽學報，2022，50（2）：429-437.

［2］李衛文，高 波，樊亞男.高溫后C60纖維混凝土力學性能及超聲變化［J］.混凝土，2021（8）：38-41，46.

［3］肖力光，岳喜智.稻殼灰復合礦物摻合料與纖維協同作用對地鐵混凝土性能的影響［J］.應用化工，2023（1）：102-105，111.

［4］王成啟，郭玉林，梁遠博.鋼纖維對超高性能混凝土性能的影響［J］.水運工程，2022（9）：22-26，34.

［5］崔釗瑋，楊靖韜，劉榮桂.白云石粉摻量對水泥混凝土力學性能影響研究［J］.非金屬礦，2022，45（4）：39-41.

作者簡介：黃兆麒（1994—），碩士，工程師，主要從事高速公路建設管理工作。