骨料类型对钢筋混凝土柱高温后力学性能影响研究.pdf

2 0 1 1 年 第 1期 (总 第 2 5 5 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 1 ( T 0 t a l N o ．2 5 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 1 ] } Ⅲ oRET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 1 3 骨料类型对钢筋混凝土柱高温后力学性能影响研究 周立欣，袁广林，贾文亮，田露丹，张倩茜 ( 中国矿业大学 力学 与建筑工程学院 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要 ： 对不 同种类骨料钢筋混凝土柱经历不同温度 ， 在 自然冷却及大偏心加载情况下的力学性能进行 了试验研究 。 结果表明： 相同条件 下硅质骨料混凝土柱的承载力比钙质骨料混凝土柱低， 高温后硅质骨料混凝土柱的极限承载力下降速度约为钙质骨料混凝土柱的 1 ． 5 倍； 温 度越高钢筋混凝土柱的变形越大 ， 高温后硅质骨料混凝土柱的挠度和轴向变形增长速度分别为钙质骨料混凝土柱的 1 ．0 5 、 1 ． O 7 倍。 这些研 究成果为进一步研究混凝土结构的抗高温性能及其损伤评估提供了一定的参考。 关键词 ： 高温 ；粗骨料 ；钢筋混凝 土柱 ；受力性能 中图分类号 ： T U5 2 8 ．0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) o 1 — 0 0 4 9 — 0 3 St u dy on t h e b eha v i or o f RC c ol umns wi t h di ffer e n t a ggr e ga t e a f t e r hi gh t empe r a t ur e Z HOUL i - x i n， YU ANGu a n g - l i n， J I A We n — l i a n g， T I ANL u d a n ， Z H ANGQi a n ~i a n ( S c h o o l o f Me c h a n i c s &Ci v i l E n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo f Mi n i n ga n dT e c h n o l o g y ， Xu z h o u2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e p e r f o r ma n c e o f RC c o l u mn s、 v i t h d i ffe r e n t a g g r e g a t e a fte r hig h t e mp e r a t u r e we r e t e s t e d， an d d i ffe r e n t t e mp e r a t u r e， c o o l e d b y rad i a t i o n， L a r g e d e c e n t r a t i o n l o a d i n g we r e c o ns i d e r e d ． Th e r e s u l t i n d i c a t e d t ha t ul t i ma t e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y o f RC c o l u mns r ed u c e d g r a d u a l l y wi m t e mp e rat u r e i n c r e a s i n g． a n d c o l u mn wi th s i l i c e o u s a g g r e g a t e d r o p p e d a b o u t 1 ． 5 t i me s f a s t e r ； T h e r e s u l t a l s o i n d i c a t e d the p e r f o rm anc e o f d e f o rm i n g r e d u c e d a f t e r t h e h i g h t e m p e r a t u r e， an d c o l u mn wi t h s i l i c e o us a g g r e g a t e inc r e a s e d a bo u t 1 ． 0 5， 1 ．0 7 ti me s f a s t e r ． Th e s e r e s u l t s wi l l p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r fi l ／ ~ e r s t u d y o f fir e r e s i s t a n c e b e h a v i o r an d th e d a ma g e a s s e s s me n t o f c o n c r e t e s t r u c t u r e ． Km／w o r ds ： h i g h t e mp e r a t u r e ； c o a r s e a g g r e g a t e ； RC c o l u mn； me c h an i c a l p r o p e ~i e s 0 引言 目前， 对混凝土结构抗火性能的研究越来越受到关注， 国内 外对钢筋混凝土的抗火性能进行了大量研究， 特别是针对混凝 土梁、 柱等构件在火灾作用下的受力和变形问题已取得不少研 究成果 。 在实际的火灾事故中， 不同种类骨料的混凝土构件高 温后的受力性能有很大区~ J tJ t, ， 但现阶段对这方面的研究较 少。 基于此， 本文对不同种类骨料混凝土柱经历不同温度后的力 学性能进行了研究， 可为混凝土结构受火后性能的分析评价提 供参考。 1试 验 概 况 1 ． 1 试验 柱 的设计及 分组 混凝土的强度等级按 C 2 5 设计 ， 粗骨料类型选用钙质和硅 质， 粒径为 5 ～ 2 O IT I I T I ， 水泥采用 3 2 ． 5 级的复合硅酸盐水泥， 混凝 土配合比为 1 ： 0 ． 5 5 ： 1 ． 7 5 ： 2 ． 9 8 ( 水泥、 水、 砂、 石之比) ， 2 8 d 抗压强 度为2 7 ． 6 MP a 。 试件采用 + 1 2的钢筋， 其屈服强度为 3 6 5 MP a ， 极限强度为 5 5 0MP a 。 每根柱的端部预埋 1 0mi l l 厚的钢板， 以 避免端部出现局部受压破坏， 试验模型见图 1 。 本试验共采用 8根钢筋混凝土柱， 其中6根进高温试验， 2 根用于室温下对比试验， 高温柱共分为 2组， 第一组 4根柱 ， 骨 料为钙质骨料， 另一组为硅质骨料。 所有试验柱编号如表 1 所示。 收稿 日期 ：2 01 0 - 0 8 - 2 8 基金项目：国家自然科学基金( 5 9 9 7 8 0 0 8 ) A—A B—B 图 1 钢筋混凝 土柱截面尺寸及钢 筋布置( 单位 ： mm J 1 ． 2试验 设备 本次加热试验 采用 的电加热炉 为中国矿业大学建 筑结构 与材料试验室研发的 G WD． 叭 型加载柱高温加热炉， 其功率为 1 2 k W， 最高温度可达 1 1 0 0℃。 试验炉内温度由炉内热电偶通过 数显测温柜读出， 试验柱内部温度通过柱内部埋置的热电偶得 到， 升温速度约为 l 0℃／ m i n 。 加载试验在中国矿业大学建工学院结构试验室的P WS ． 5 0 0 型电液伺服试验机中进行， 采用圆滚轴支座加载。 加载试验中， 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 大偏心( o =- 1 0 5 mm) 试验柱编号 注： ⋯ Z’ 表示 自 然冷却， “ 2 0 0 ” 、 “ 4 0 0 ” 、 “ 6 0 0 ” 表示受热的最高温度分 别为 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0℃。 钢筋混凝土柱的跨中挠度和轴向变形均采用 Y HD ． 1 0 0 位移计 测量， 所有数据均采用“ T DS 3 0 3数据采集仪” 采集。 1 ． 3 柱的加热与冷却试验 本次试验柱的加热速度为 1 0~ C ／ mi n ， 试验温度为2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0℃。 达到预定温度后将钢筋混凝土柱从高温炉中取出， 进行 自然冷却。 试验柱内部温度通过柱内部埋置的热电偶得到， 试验 柱加热示意图和柱 内部热电偶布置图分别见图 2 、 3 。 图 2柱四面加热示意图 ● 热电偶布置点 图 3 柱截面 内热电偶布置 2 试验结果及分析 2 ． 1 高温及冷却试验数据分析 试验柱截面升温和降温阶段各测点温度一 时间变化关系曲 线见图4 。 混凝土是热惰性材料， 以边长 1 0 0 mI n的立方体试块为例。 它在加热炉内需恒温 6 h以上其中心温度才接近炉腔温度嘲 ， 本 次试验柱截面尺寸为 1 0 0 mmx l 5 0 i l l ／ 1 1 。在试验过程中， 主要有 以下现象： 当试件升温至 2 0 0℃左右时， 就可明显看到水蒸气 从试件中逸出， 4 0 0℃左右时， 水蒸气达到最大， 之后逐渐减少 ， 到 6 0 0℃左右时水蒸气基本消失。 最高炉温为 2 0 0℃的柱， 当从 5 0 250 20 0 1 5 o 嚣 l 0 0 5 O 0 2 5 0 2 00 芝1 5 o 篓 1 0 0 5 0 、 魁 赠 l O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间 ／ mi n f a ) 2 0 0℃时钙 质骨料柱 各测点 曲线 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间 ／ mi n ( b ) 2 0 0 o C 时硅质骨 料柱各 测点 曲线 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间 ／ mi n ( c ) 4 0 0℃时钙质骨料柱各测点曲线 50 0 4 0 0 《3 0 0 嚣 2 o o 1 0 0 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间 ／ rai n ( d ) 4 0 0 o C 时硅质骨料柱各测点曲线 70 0 6 0 0 芝 1 0 0 O l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时 间 ／ rai n r e ) 6 0 0℃时钙质骨科柱各测点曲线 7 00 6 0 0 1 00 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 时 间 ／ r a i n ( 0 6 0 0 o C 时硅质骨料柱各测点曲线 图 4 柱截面温度一 时间曲线图 高温炉中取出后发现柱颜色比常温柱稍深， 经 自然冷却后柱颜 色变化不大， 柱没有发现有新裂纹出现。 最高炉温为4 0 0℃的柱， 当从高温炉中取出后发现柱的颜色呈浅红色， 且出现少许热裂纹。 最高炉温为6 0 0℃的柱， 当从高温炉中取出后发现柱加热面的 颜色呈暗红色， 且加热面出现较多的热裂纹。 钙质骨料混凝土柱 比硅质骨料混凝土柱颜色更深。 试验全过程一般在 2 h左右， 因此其内部温度远达不到炉 腔温度， 必然产生不均匀的温度场。 采用自然冷却大约需要 4 ~ 5 h ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验柱内部测点基本可以达到室温， 温度下降曲线较为平缓， 温 度梯度不大。 由图4可知， 硅质骨料混凝土柱升温速度和降温速 度均比钙质骨料混凝土柱快， 主要因为硅酸盐物质的网状结构 导致热膨胀系数较碳酸盐物质的热膨胀系数低。 2 ． 2 加载 试验 2 ． 2 ． 1 柱的极限荷载 钙质和硅质骨料钢筋混凝土柱高温冷却后的极限荷载试 验结果见表 2 、 3 。 表 2 偏心受压柱的极 限荷载 表 3 两种骨料混凝土柱极限荷 载比较 由表 2 ． 3可以看出， 对于钙质和硅质骨料混凝土柱来说， 随 着受热温度的升高， 柱的极限荷载逐渐降低。 钙质骨料混凝土柱 C a 2 0 0 、 C a 4 0 0 、 C a 6 0 0的极限荷载分别是参考柱 C a 2 0的 0 ． 9 1 6 、 0 ． 8 8 5 、 O ． 6 7 9 倍。 硅质骨料? 昆 凝土柱 S i 2 0 0 、 S i 4 0 0 、 S i 6 0 0的极限 荷载分别是参考柱 S i 2 0的 0 ． 8 7 5 、 O ． 8 0 5 、 0 ． 7 1 9 倍。 这说明火灾明 显造成钢筋混凝土柱承载力的退化， 并且由于骨料类型不同， 混 凝土柱承载力下降的过程及阶段也有差异。 当温度超过 6 0 0℃ 时， 钙质骨料混凝土柱承载力下降幅度较大。 在条件相同的情 况下， 硅质骨料混凝土柱的极限承载力比钙质骨料混凝土柱低 1 0 ％~ E 右， 高温后其极限荷载下降速度约是硅质骨料混凝土柱的 1 ． 5 倍。 2 ． 2 ． 2 柱的挠度 高温自然冷却后柱试件的荷载一 挠度曲线见图 5 。 挠度 ／ mm ( b ) 硅质骨料 图5 高温后柱荷载一 挠度曲线 由图5 可知， 随着受热温度的升高， 柱的挠度均呈上升趋势， 在相同受热温度下， 硅质骨料混凝土柱的极限挠度值均大于钙 质骨料混凝土柱的极限挠度值 ， 如 S i 4 0 0的挠度值 2 4 ． 2 6 m l i l 为 C a 4 0 0挠度值 2 3 ． 7 4 mm的 1 0 2 ． 2 ％， 其增长速度约为钙质混凝土 柱的 1 ． 0 3 倍。 2 ．2 _ 3 柱的轴向变形 由图6可知， 钙质骨料混凝土柱和硅质骨料混凝土柱的轴向 变形都随荷载的增大而增大， 两者荷载— 轴向变形曲线的变化趋势 基本—致。 但是， 由于骨料类型不同， 硅质骨料混凝士柱的轴向变形 较大， 如4 0 0℃时， 硅质骨料与钙质骨料混凝土柱的轴向变形分别 为 1 5 A 5 、 1 4 ．3 5 mn l ， 前者是后者的 1 ．0 7 7 倍， 说明其耐火性较差。 轴 向变形 ／ r a m f a ) 钙质骨料 轴 向变形 ／ ram ( b ) 硅 质骨料 图 6 高温后柱荷载一 轴 向变形 曲线 3结论 综合考虑了不同骨料类型( 钙质和硅质骨料 ) 钢筋混凝土 柱经受高温作用后的力学性能， 得到了钢筋混凝土柱在各种不 同条件下的性能变化规律， 主要结论如下： ( 1 ) 混凝土柱在高温作用下， 受高温面的温度梯度比较大。 硅 质骨料混凝土柱升温速度和降温速度均比钙质骨料混凝土柱快。 ( 2 ) 柱的极限承载力随受热温度的升高逐渐降低 ， 经受相 同的高温作用， 硅质骨料混凝土柱的极限承载力比钙质骨料混 凝土柱承载力小。硅质骨料混凝土柱的极限承载力下降幅度约 为钙质骨料混凝土柱的 1 ． 5倍。 ( 3 ) 钙质骨料和硅质骨料混凝土柱的挠度和轴向变形性能 都随着温度的升高而下降， 温度越高变形下降的越快。 硅质骨料 混凝土柱的挠度和轴向变形增长速度约为钙质骨料混凝土柱 的 1 ． 0 5 和 1 ． 0 7倍。 参考文献 ： 【 1 】胡海涛， 董毓利． 三面高温时高强混凝土轴心受压柱强度和变形试 下转第 6 1页 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 6 ) 混凝土抗钢筋锈蚀性能与抗氯离子渗透性能有良好的 相关性， 氯离子扩散系数大的混凝土钢筋失重率大， 抗钢筋锈 蚀性能差。 ( 7 ) 建议西部盐土地区抗钢筋锈蚀性能的混凝土配合比方 案为： 含气量 3 ％～ 5 ％； 粉煤灰或矿渣掺量 2 0 ％一 3 0 ％， 硅粉掺量 5 ％- - 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